Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструкции внутрихозяйственных оросительных систем 12
1.1.Классификация систем 12
1.2.Открытые системы 14
1.3.Закрытые системы 21
1.4.Комбинированные системы 29
1.5.Водосборно-сбросная сеть 32
1.6.Дренажная сеть 34
1.7.Дождевальная техника 39
1.8.Технико-экономические расчеты оросительных систем 43
Выводы по главе 4 9
Глава 2. Принципы создания внутрихозяйственных дождевальных систем многоцелевого назначения 51
2.1.Концепция создания систем многоцелевого применения 51
2.2.Дождевание как способ орошения и его разновидности 56
2.3. Условия районирования территорий при орошении дождеванием 60
2.4.Организация территории при орошении дождеванием 68
2.5.Требования, предъявляемые к созданию внутрихозяйственных гидромелиоративных систем 70
2.5.1.Назначение и условия работы систем. 70
2.5.2.Качественные и технико-эксплуатационные показатели, регламентирующие работу систем 74
2.5.3.Технологические и конструктивные требования к созданию систем многоцелевого применения 76
2.5.4.Экологические требования при проектировании гидромелиоративных систем 81
2.6.Проектирование внутрихозяйственных оросительных систем 85
2.7.Принципиальные схемы систем многоцелевого применения 90
Выводы по главе 105
Глава 3. Совершенствование технологии и системы машин при орошении дождеванием 107
3.1.Задачи совершенствования дождевальных машин для их многоцелевого применения 107
3.2.Анализ существующих технологий производства работ при орошении сельскохозяйственных культур 108
3.3.Анализ существующих технологий внесения удобрений 112
3.4.Анализ существующих технологий применения пестицидов 115
3.5.Анализ существующих технологий внесения химмелиорантов 117
3.6.Совмещение процессов проведения работ по поливу, внесению удобрений, пестицидов и химмелиорантов 120
Выводы по главе 137
Глава 4. Технология работы дождевальной техники при регулировании мелиоративных режимов 138
4.1.Общие принципы регулирования мелиоративных режимов 138
4.2.Регулирование водно-воздушного и теплового режимов почвы, растений и приземного слоя воздуха 143
4.2.1.Установление репрезентативных зон для измерения влажности почвы для назначения поливов 143
4.2.2. Проведение вегетационных поливов 149
4.2.3.Проведение освежительных поливов 171
4.2.4.Технология мелкодисперсного дождевания 175
4.3.Технология внесения удобрений 184
4.3.1.Внесение сухих минеральных удобрений 185
4.3.2.Внесение жидких удобрений 189
4.3.3.Полив с внесением животноводческих стоков 196
4.4.Технология регулирования солевого режима почв 203
4.5.Технология борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур 205
4.6.Технология зачернения снега дождевальной техникой 210
Выводы по главе 214
Глава 5. Ресурсосберегающие конструкции внутрихозяйственных оросительных систем 215
5.1.Определение затрат на орошение при различных типах оросительной сети и дождевальной техники 215
5.2. Влияние технологии работы дождевальных аппаратов на параметры стационарных оросительных систем 223
5.3.Выбор критерия оптимизации схем оросительных систем 232
5.4.Методика оптимизации схем оросительных систем при различной дождевальной техники 235
5.5.Оптимизация схем оросительных систем 244
5.5.1.Общие положения 244
5.5.2.Системы с разборными трубопроводами 249
5.5 3.Системы с машинами кругового действия 256
5.5.4. Системы с машинами фронтального действия с центральным водозабором 264
5 5 5 Системы с машинами, имеющими торцевой водозабор 277
5.5.6.Стационарные системы 287
5.6. Конструирование закрытой оросительной сети с учетом уклона местности 303
5.7.Конструкции оросительной сети для машин с непрерывным водозабором 312
5.7.1.Конструкция оросительной сети 312
5.7.2.Методика гидравлического расчета 316
Выводы по главе 321
Глава 6. Ресурсосбережение в конструкциях и применении дождевальных машин 323
6.1.Ресурсы и их использование при многоцелевом применении машин 328
6.2.Методы экономии водных ресурсов 326
6.3.Использование земельных ресурсов 364
6.4.Пути экономии водных ресурсов 370
б.5.Увеличение производительности дождевальных машин 394
6.6.Использование трудовых ресурсов 412
б.7.Времясберегающие технологии 422
6.8.Примеры расчетов экономии ресурсов 424
Выводы по главе 432
Основные выводы 433
Литература 437
Приложения 472
- Условия районирования территорий при орошении дождеванием
- Проведение вегетационных поливов
- Влияние технологии работы дождевальных аппаратов на параметры стационарных оросительных систем
- Системы с машинами фронтального действия с центральным водозабором
Введение к работе
Актуальность проблемы В Российской Федерации площадь орошения дождеванием составляет 90% от общей площади орошаемых земель. Одной из наиболее актуальных проблем в орошаемом земледелии является создание конструкций гидромелиоративных систем, обеспечивающих ресурсосбережение и экологическую безопасность. Такие системы должны в комплексе регулировать водный, воздушный, тепловой, пищевой, солевой режимы почв и растений, а также фитоклимат посевов. Эти функции выполняются внутрихозяйственной частью систем, на долю которых в зависимости от их мощности приходится 50-100% всего объема капитальных вложений, причем большая ее часть относится к комплексу "водозаборное сооружение - оросительная сеть - поливная техника".
Определяющим с точки зрения капитале- и энергоемкости систем является установление оптимальных соотношений между параметрами различных типов оросительной сети и дождевальной техники, которые способствуют минимизации затрат. Необходима разработка конструкций систем, обеспечивающих повышение коэффициентов полезного действия и земельного использования и экономии водных, земельных, материальных и энергетических ресурсов.- Для рационального использования водных и земельных ресурсов представляется целесообразным создание гидромелиоративных систем с замкнутым циклом водооборота, которые позволяют использовать дренажно-сбросной сток в пределах орошаемого массива.
Одним из основных направлений развития современной технологии является переход от прерывистых (дискретных, цикличных), технологических процессов к непрерывным поточным процессам, обеспечивающим увеличение масштабов производства и эффективности использования систем, машин и оборудования. Применительно к орошаемому земледелию это означает переход от отдельных технологических операций (полив, внесение удобрений, борьба с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, внесение хим-мелиорангов) к одновременному выполнению этих операций за один рабочий цикл. Такие технологии приводят в конечном итоге к снижению себестоимости сельскохозяйственной продукции, экономии материальных,' энергетических, трудовых и временных ресурсов.
В связи с вышеизложенным представляется актуальным разработка ресурсосберегающих 'Технологий, конструкций оросительных систем и системы машин для орошаемого земледелия, которые позволили за счет многоцелевого использования оросительной сети и дождевальной техники уменьшить число сельскохозяйственных агрегатов и снизить затраты по всему парку машин, занятых на обработке культур, значительно сократить обслуживающий персонал.
Работа выполнена в рамках научно-технической программы приоритетных исследований по научному обеспечению АПК РФ "Разработать научные основы комплексной мелиорации сельскохозяйственных угодий и модели (проекты) экологически безопасных систем земле-
делия на мелиорированных землях (мелиорация) "Российской Академии сельскохозяйственных наук и проектов ГНТП "Ресурсосберегающие мелиоративные системы" и "Комплексные мелиорации" Миннауки РФ.
Целью исследований является разработка технологий создания конструкций внутрихозяйственных гидромелиоративных систем при орошении дождеванием на основе минимизации водных, земельных, материальных, энергетических, трудовых и временных ресурсов. Для реализации указанной цели необходима разработка:
- концепции, принципов и схем внутрихозяйственных ороси
тельных систем на основе многоцелевого применения дождевальной
техники и замкнутого водооборота;
- технологического комплекса машин, обеспечивающих многоце
левое использование дождевальной техники в системе растениевод
ства по проведению поливов, внесению удобрений, пестицидов,
химмелиорантов, ростовых веществ с поливной водой;
. - методики оптимизации схем внутрихозяйственной ороситель
ной сети по расположению ее в плане при различных типах дожде
вальной техники на основе минимизации материале- и энергоемко
сти; :
- методов расчета и конструкций элементов внутрихозяйствен
ной -оросительной сети, обеспечивающих экономию водных, земель
ных, материальных и энергетических ресурсов;
- методов расчета и принципов конструирования дождевальных машин, обеспечивающих экономию различных видов ресурсов.
Методология исследований. Разработка проблемы сочетала теоретические и экспериментальные исследования на основе системного подхода. При разработке принципов создания внутрихозяйственных гидромелиоративных систем с многоцелевым использованием оросительной сети и поливной техники и комплекса машин для их реализации применены методы системотехники.
Оптимизация схем внутрихозяйственных оросительных систем, включающая комплекс "водозаборное сооружение - оросительная сеть - дождевальная техника" проводилась с использованием методов, имитационного проектирования и параметрических рядов.
Полевые исследования дождевальной техники проводились с использованием РД Ю.11Л-87 "Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Программа и методы испытаний". При исследованиях элементов оросительной сети были разработаны специальные методы испытаний. Лабораторные и полевые исследования проведены в 1973-1990 гг. а ОКБ ВНИИГиМ, ВНПО "Радуга", совхозах "Дмитровский" и "Повадинский", ОПХ "Быково" НИИ овощного хозяйства Московской области, совхозах "Дружба" Липецкой области, Цнорском животноводческом комплексе Республики Грузия; совхозе "Рудненский" Кустанаиской области Республики Казахстан.
Научная новизна работы заключается в разработке концептуальных и теоретических положений, методов расчета технологических и конструктивных параметров комплекса внутрихозяйственной оросительной системы "водозаборное сооружение - оросительная сеть - дождевальная техника" при их многоцелевом применении, обеспечивающих экономию водных, земельных, материальных, энергетических, трудовых и временных ресурсов.
В диссертации впервые разработаны:
1.Принципиальные схемы внутрихозяйственных гидромелиоративных систем с замкнутым циклом водооборота.
2.Методика оптимизации схем внутрихозяйственных оросительных систем по их расположению в плане при различных типах дождевальной техники на основе минимумов материало- и энергоемкости с использованием параметрических рядов.
3.Метод расчета закрытых оросительных систем с дождевальными машинами, учитывающий соотношение уклона местности и гидравлического уклона в трубопроводе и обеспечивающий снижение напора в сети до 20%.
-
Схемы, конструкции и методы расчета полужестких трубопроводов для забора воды в движении дождевальными машинами.'
-
Комплекс машин для регулирования водного, питательного и солевого режима почв на базе дождевальных машин с их многоцелевым использованием. і
-
Методы расчета и конструкции дождевальных машин фронтального действия, обеспечивающих в отличие от существующих снижение действительной интенсивности, дождя в 1,5-2 раза и, как следствие, экономию водных и энергетических ресурсов.
-
Способы снижения металлоемкости ферм дождевальных машин за счет оптимизации соотношения высоты и длины панелей.
Ценность для практики заключается в разработке методики оптимизации схем внутрихозяйственной оросительной сети на стадии предпроектной подготовки, обеспечивающих минимизацию материало-и энергоемкости систем. Новые конструкции оросительной сети и элементов дождевальной техники позволят снизить затраты при проектировании систем и их эксплуатации.
Реализация работы. Результаты исследований вошли в ряд нормативных документов, в том числе: Краткое руководство по кон-'тролю влагозапасов орошаемых земель нейтронными влагомерами. М. 1985; Оросительные системы с использованием сточных вод. Нормы-проектирования ВСН 33-2.2.02-85; Проектирование оросительной сети с МДЭФ "Кубань-Л" (пособие к СНиП 2.06.03-83); Руководство по мелиорации орошаемых маломощных черноземов с применением глубокого объемного рыхления. М. 1987; Использование сточных вод предприятий пищевой промышленности для орошения. Пособие к ВСН 33-2.2.02-86. М. 1988; Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 гг. М. 1983. Часть III. Мелиорация; Альбом "Типовые технические реше-
ния по оросительным системам с дождевальными машинами для фермерских хозяйств". М. 1996.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы механизации сельскохозяйственного производства" (Москва,1985); Всесоюзной научно-технической, конференции "Проблемы автоматизации оросительных систем" (Херсон,1987); научно-техническом симпозиуме на международной выставке "Мелиорация -89" (Москва,1989); Всероссийском совещании "Экологические основы орошаемого земледелия" (Москва,1992); конференции "Комплексная мелиорация в степной зоне и экология" (Волгоград,1994); Всероссийском совещании "Стратегия развития орошаемых земель в России" (Москва, 1995); Всероссийской конференции "Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степной и лесостепной зонах"(Волгоград,1998); Научной конференции "Современные проблемы мелиорации и пути их решения (к 75-Летию ВНИИГиМ)" (1999); Ученых Советах ВНИИГиМ (1983-1999) и ВНПО "Радуга"(1988-1992).
Разработки по теме диссертации демонстрировались на выставках "Мелиорация земель России", "Аграрная наука - Москве и москвичам", "Наука России - агропромышленному комплексу"(1997), "Мелиорация земель и сельскохозяйственное водоснабжение России".,. "Агропромышленный комплекс России"(1998), "Наука -.агропромышленному комплексу", "Инвестиции-99. Технология живых существ. II Международная выставка" (1999), удостоены 5 медалей и диплома II степени ВВЦ.
На защиту выносятся:
принципы создания внутрихозяйственных гидромелиоративных систем с замкнутым циклом водооборота;
методика оптимизации схем внутрихозяйственной оросительной сети по расположению ее в плане при различных типах і дождевальной техники на основе минимумов материалоемкости и энергоемкости;
-'метод расчета и конструкция закрытой оросительной сети с учетом соотношения уклона местности и гидравлического уклона в трубопроводе на основе снижения энергоемкости;
способы снижения интенсивности дождя в дождевальной технике;
способы снижения материало- и энергоемкости дождевальных машин;
. - технологический комплекс машин, обеспечивающий многоцелевое применение дождевальной техники на основе исключения ряда машин, занятых на обработке сельскохозяйственных культур.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 80 печатных работах, в том числе в 4 нормативно-методических документах, защищены 5 авторскими свидетельствами, 9 патентами РФ на изобретения и свидетельством на полезную модель .
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 416 наименований, приложений. Общий объем диссертации 4 39 страниц, в том числе 295 страниц текста, 80 таблиц, 120 рисунков. Приложения включают 20 таблиц и 19 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность академику РАСХН, д.т.н., проф. ("Шумакову Б.б], определившего направление исследований, д.т.н., проф. |Сурину В.А-1, сотрудникам отдела орошения кандидатам технических наук Зюбенко С.Ш., Лямперту Г.П., Когу-тову С.Г., Храброву М.Ю., инженерам Петрову И.В., Степанову В.П., за постоянную помощь и поддержку.
Условия районирования территорий при орошении дождеванием
К способам орошения и технике полива (196) предъявляются ряд требований. Основные из них: обеспечение высокого качества полива, что достигается равномерным распределением оросительной воды на поле нужной нормой и подачей ее в строго установленные сроки; обеспечение высокой производительности труда на поливе и на послеполивных обработках почвы; минимальные затраты человеческого труда и не только механизация, но и автоматизация полива. Выбор способов орошения и техники полива зависит от ряда условий - климатических, почвенных, геоморфологических, гидрогеологических, биологических, хозяйственных, водохозяйственных и экономических. Различные факторы существенно влияют как на выбор способа орошения, так и техники полива. Один и тот же фактор может быть значимым при одном способе орошения и не иметь особого значения при другом. С другой стороны, некоторые факторы влияют на разные условия, от которых зависят также тип оросительной сети и режимы орошения, а одни и те же факторы тесно взаимодействуют между собой (87, 143, 165, 196, 238, 239, 266, 311).
К климатическим факторам относятся увлажненность территории, ветер, температура и влажность воздуха. Увлажненность территории существенно влияет на выбор дождевания как способа орошения. Наиболее приемлиными для дождевания являются регионы с коэффициентом увлажнения Ку=0,77-1,33 и дефицитом испаряемости менее 2000 м3/га. При коэффициенте увлажнения менее 0,33 и дефиците испаряемости более 5000 м3/га дождевание применять нецелесообразно. При дождевании ясущественное значение имеет скорость ветра: если она более 2 м/с, нельзя применять дальнеструйные машины, если более 5 м/с - короткоструйные. Метеорологические данные (осадки, температура, влажность воздуха и т.д.) обусловливают установление поливных режимов (числа, сроков и норм полива) и косвенно влияют на выбор техники полива (83, 383) .
Из почвенных факторов на выбор дождевальной техники влияют скорость впитывания воды в почву,, коэффициент фильтрации почвогрунтов, засоленность почвы, мощность почвенного покрова, устойчивость почв против водной эрозии(59).Одним на основных условий успешного применения дождевальных машин является соответствие между скоростью впитывания воды в почву и интенсивностью искусственного дождя. Впитывание воды зависит от водопроницаемости почвы. Допустимая интенсивность дождя - величина, при которой обеспечивается подача в почву заданной поливной нормы без образования луж и стока воды по полю. Для различных почв приняты следующие ее значения (мм/мин): тяжелые почвы - 0,1...О,2/ средние - 0,2...0,3; легкие - 0,5...0,8.
Коэффициент фильтрации почвогрунтов определяет выбор типа оросительной сети и дождевальной техники. Например, на легких почвогрунтах необходимо строить закрытые системы, т.к. иначе большое количество воды теряется на фильтрацию.
При выборе дождевальной техники важно учитывать устойчивость почв к заплыванию под действием ударной силы капель: на легкозаплывающих почвах применение дальнеструйных машин недопустимо .
На засоленных почвах при орошении дождеванием требуется тщательная планировка земель. Мощность почвенного покрова может быть решающим фактором при выборе способа орошения. При орошении маломощных почв, подстилаемых галечником, и щебенистых почв дождевание - единственный способ орошения, т.к. при этом нет водной эрозии.
Геоморфологическими факторами при выборе способа и техники полива являются рельеф - уклон поверхности и протяженность склонов, которые влияют на расположение открытой и закрытой оросительной сети и выбор типов дождевальных машин. Дождевание имеет по сравнению с поверхностным орошением сравнительно малые ограничения по уклону и микрорельефу и применяется на уклонах до 0,3. Протяженность склонов влияет на длину гона дождевальных и сельскохозяйственных машин, что обусловливает их производительность труда. Очень важным фактором является тип местности, например, при орошении узких пойм и узких межгорных долин ограничено применение широкозахватной техники и наиболее целесообразно применять машины с большой длиной гона, например, дождевальных шлейфов.
Из гидрогеологических факторов важное значение имеют глубина залегания и минерализация грунтовых вод и степень дрениро-ванности территории. При залегании слабозасоленных (более 5 г/л) грунтовых вод на глубине до 3 м от поверхности и малой их отточности дождевание не применяют, при близком (до 1,5...2 м) залегании пресных грунтовых вод, характерном для пойменных участков, достигается наибольшая его эффективность. На слабозасоленных почвах с близким (около 2 м) залеганием грунтовых вод и при наличии их оттока можно применять дождевание в вегетационный период на фоне промывных поливов, проводимых затоплением осенью, зимой или ранней весной. На землях с глубоким залеганием грунтовых- вод (более 3 м) дождевание возможно в вегетационный период при условии проведения влагозарядкового полива, если другие причины не препятствуют его применению.
Из биологических факторов основными являются продолжительность вегетационного периода, определяющая величину оросительной нормы и число поливов, и характер развития надземной части и корневой системы растений. Наиболее целесообразно поливать дождеванием сельскохозяйственные культуры с корневой системой, проникающей на небольшую глубину. Для культур, корневая система "которых расположена в глубоких слоях почвы, дождевание полезно лишь при достаточных запасах влаги в них. Высота растений влияет на выбор типа дождевальных машин и систем. Дождевание эффективно при частых поливах и небольших поливных нормах.
Основные хозяйственные факторы - размещение и специализация сельскохозяйственного производства, севообороты, размер полей и севооборотов, организация территории, конфигурация участков орошения. Этой группе факторов до сих пор уделяется недостаточное внимание, хотя они в ряде случаев оказывают решающее влияние на выбор техники полива. Размещение и специализация сельскохозяйственного производства - хлопчатник, сахарная свекла, подсолнечник, зерно, картофель, овощеводство, скотоводство и животноводство - определяют состав орошаемых культур.. В свою очередь состав культур ОБУСЛАВЛИВАЮТ типы и виды севооборотов. В соответствии с классификацией выделяют три типа севооборотов: полевые, кормовые и специальные. В полевых севооборотах большую часть площади занимают зерновые, картофель и технические культуры, в кормовых - более половины площади отводится под кормовые культуры, в специальных севооборотах выращивают культуры, требующие определенных условий и технологии выращивания, например, овощные, табак, конопля, хлопчатник, рис и др. По соотношению сельскохозяйственных культур и паров типы севооборотов подразделяют на виды: зерно-паровые, зерно-паро-пропашные, зерно-травяные, зерно-пропашные, травопольные, травяно-пропашные; сидеральные, зерно-травяно-пропашные (плодосменные), пропашные. Зная состав культур в севообороте, можно определить наиболее целесообразную дождевальную технику по высоте надземной части растений (37, 50, 200).
Размер полей также имеет значение при выборе типа дождевальной техники. Известно, что по зонам страны размер полей изменяется в очень широких пределах. Поэтому, например, во многих районах Нечерноземной зоны РФ нецелесообразно применять широкозахватную дождевальную технику, т.к. длина гона и ширина захвата могут не увязываться с размерами полей. Здесь следует отдавать предпочтение мобильной дождевальной технике (331).
На выбор техники полива влияет и организация территории -размещение дорог, лесополос, линий электропередач, связи и т.д. Поэтому при проектировании систем параметры машин (в основном по ширине захвата и длине гона) должны увязываться с инфраструктурой. Конфигурация участков также определяет выбор техники полива. При орошении участков неправильной конфигурации возможно применение только мобильных машин, что очень характерно для Нечерноземной зоны. Если нет ограничений по конфигурации участка, то выбор техники определяется другими факторами.
Проведение вегетационных поливов
Колесные дождеватели ДКШ-64, ДКН-80, ДКГ-80(74, 100, 133, 134, 137, 197, 248, 312, 339) Наилучшие условия работы машины создаются при расположении двух ее крыльев по обе стороны закрытого или разборного трубопровода со смещением одного из них на одну позицию (рис. 1.5).
Процесс одного цикла полива состоит из двух этапов: процесса полива с последующим переездом с позиции на позицию и перегона машины с последней позиции участка на исходную для начала второго цикла полива. В процессе полива необходима корректировка положения крыла через 10-20 позиций, вызванная искривлением водопроводящего трубопровода.
Возможны шесть технологических схем работы машин "Волжанка", ДКТ-80, ДКН-80 (рис.4.4).
Схема I Машина работает на одном поле по обычной схеме: в одном направлении перемещается в рабочем положении, в другом -холостым перегоном на исходную позицию.
Схема II. Две машины работают спарено одна с другой в одном направлении на расстоянии, равном половине длины поля. Обе машины обслуживаются одним оператором.
Схема III. Машины работают на двух смежных полях в линию параллельно длинной стороне поля. Обслуживаются одним оператором.
Схема IV. Машина работает через гидрант без длинных холостых перегонов крыльев. Исходная позиция - середина поля (участка).
Схема V. Машины работают на смежных полях навстречу друг другу в рабочем положении и в противоположном направлении при холостом прогоне.
Схема VI. Машины работают на смежных полях в одном направлении на равном расстоянии.
Общее время работы машин данного типа при проведении одного полива может быть представлено следующим выражением: to6= (t]+t2) n+t3+nt4 + nt5/n1 (4.3) где tx - время полива, определяемое как t1=mF/60q=mbl/60q (4.4) где m - поливная норма, м /га; F - площадь полива с одной позиции, м ; q - расход воды дождевальной машиной, л/с; 1- ширина захвата дождевальной машины, м; Ь- длина захвата дождем, равная расстоянию между позициями, м; t2 - время перемещения с позиции на позицию; t3- время перемещения.машины с последней позиции на первую t3=L/v. . (4.5) где L - длина участка или гона, м; V - скорость передвижения машины м/мин; п - число рабочих позиций; t4 - время на проведение ежесменного технического обслуживания; к - число рабочих смен; tb - время на выравнивание трубопроводов, мин; Гц - число позиций, через которые требуется проводить выравнивание, в зависимости от агрофона составляет от 10 до 20 позиций.
Как видно из формулы (4.3) такие величины как t2, t4 и t5 являются постоянными для заданной площади обслуживания и агрофона. Величина t3 во всех схемах (кроме схемы 11, где она отсутствует), является также величиной постоянной.
Дождеватели "ДНЕПР" эксплуатируются группами до 8 машин и обслуживаются одной или двумя передвижными электрическими станциями в зависимости от поливной нормы. Порядок работы машин определяется групповым их использованием, периодичностью и нормами полива, а также схемой расположения орошаемых участков. При этом участки должны располагаться так, чтобы дальность и продолжительность переездов передвижной станции по обслуживанию дождевальных машин были минимальными (100, 141, 142, 248, 339).
Для каждой машины одна сторона поля кратна длине дождевальной машины, другая - расстоянию между гидрантами на оросительном трубопроводе. Длина поля в направлении движения дождевальной машины определяется исходя из их сезонной нагрузки. Машина "Днепр" может работать на поле по одной из четырех технологических схем (рис. 4.5).
Схема I. "Днепр" работает в одном направлении и возвращается назад на исходную позицию холостым перегоном.
Схема II. Машина до середины поля движется в рабочем состоянии, по второй половине поля - холостым перегоном. В обратном направлении поливается вторая половина поля, затем холостой переезд на исходную позицию.
Схема III. Два "Днепра" обслуживают два смежных поля. Работают в линии параллельно, обслуживаются одним трактором.
Схема IV. Машина "Днепр" движется в рабочем положении в одну и другую сторону вдоль гидрантов трубопровода, расположенного посередине поля. На другую сторону поля перемещается трактором в транспортном положении.
Общее время работы машины "Днепр" при проведении одного полива равно:
а) в схемах I, II и III to6=(ti+t2)n+t3+kt4 (4.6)
б) в схеме IV to6=(ti+t2)n+kt4 + 2t6 (4.7) где t6 - время перемещения машины на вторую половину поля.
Из выражений 4.6 и 4.7 видно, что чем больше поливная норма, тем выше коэффициент использования рабочего времени.
Дальнеструйные дождеватели ДДН-70 и ДДН-100 работают от открытой и закрытой сети, разборных трубопроводов и производят полив позиционно по кругу или по сектору (100, 135, 136, 339).
При поливе дальнеструйными дождевальными машинами .применяется восемь технологических схем расстановки и работы их, которые в основном учитывают ветровой режим орошаемой территории (рис. 4.6) .
Схема I. Полив производится по кругу при размещении позиций в вершинах квадрата 1=B=1,42R .
Схема II. Полив производится по кругу при размещении позиций по треугольной схеме. Расстояние между позициями равно В= 1,73R, а между оросителями 1=1,5R.
Схема III. Полив производится по кругу при размещении позиций, расстояние между которыми составляет 0,9 от схемы 11.
Схема IV. Полив производится по кругу с двойным перекрытием участков. Позиции расположены в шахматном порядке..
Схема V. Полив производится по кругу при прямоугольном расположении позиций.
Схема VI. Полив производится по сектору с расположением позиций в шахматном порядке.
Схема VII. Полив производится по сектору с треугольным расположением позиций, при снижении нормального расстояния между оросителями на 10%.
Схема VIII. Полив производится по сектору при прямоугольной схеме расположения позиций.
При работе дождевателей от открытой оросительной сети требования к ней остаются теми же, что и для работы двухконсольных агрегатов. Места позиций дождевателей предварительно размечают, исходя из требований таблицы 1.2.
В условиях работы дождевателей от открытых оросителей наиболее целесообразно начинать полив с головы оросителя вниз по течению. После того, как дождеватель отработает все позиции на канале, он переезжает на соседний и начинает полив снова от его начала. Для обеспечения нормальной работы дождевателя на оросителе устанавливают переносную водоподпорную перемычку, которая обеспечивает подпор на определенном участке канала. Перед окон чанием полива на первом бьефе, вторую перемычку устанавливают на следующем бьефе. После окончания работы на первой позиции перемычку снимают, и вода заполняет следующий бьеф. За это время дождеватель переезжает на следующую позицию. В условиях работы на безуклонных оросителях перемычку не применяют, и дождеватель может поливать с любого конца оросителя. По окончании полива на первой позиции, дождеватель перемещается на следующую позицию. Трактор переезжает при транспортном (поднятом) положении всасывающего трубопровода и выключенном вале отбора мощности.
Влияние технологии работы дождевальных аппаратов на параметры стационарных оросительных систем
Технологический регламент применения дождевальной техники, т.е. порядок их работы на оросительной системе в значительной степени влияет на параметры оросительных систем, к которым относятся: расходы воды в сети, сечения водопроводящих элементов сети и, как следствие, капиталовложения и эксплуатационные издержки. Наиболее рельефно это проявляется на стационарных дождевальных системах (86, 106).
Стационарные дождевальные системы, оборудованные автоматическими устройствами, обеспечивают высокую производительность труда, полное использование орошаемой площади, экономное расходование воды. На таких системах можно обеспечить заранее заданный режим орошения в любом диапазоне наименьшей влагоемкости и создать наиболее благоприятный водно—воздушный режим почвы и приземного слоя воздуха. При установке на системе гидроподкорм-щиков можно регулировать пищевой режим. Стационарные системы позволяют проводить большую часть видов поливов: вегетационные, удобрительные, влагозарядковые, промывные, противозаморозковые, освежительные. Однако такие системы пока не нашли широкого применения из-за их высокой стоимости, связанной с большим числом трубопроводов. В настоящее время стационарные системы строятся на небольших участках для орошения высокорентабельных культур и для отработки различных вариантов схем и средств механизации и автоматизации полива.
Управление работой оросительных систем ведется в автоматизированном и автоматическом режимах. При автоматизированном режиме работа осуществляется по заранее заданной программе. Полив на таких системах начинается по командам, которые поступают на исполнительные органы от специального программного устройства, установленного на диспетчерском пульте. Команды управления на исполнительные органы (задвижки, гидрозатворы) , включающие в работу дождевальные аппараты, могут передаваться с применением разных видов, энергии и различных способов ее передачи. При этом используется либо электрическая энергия с передачей ее по кабельным линиям, либо гидравлическая с передачей ее по напорным трубопроводам. Управление поливом в автоматизированном режиме осуществляет непосредственно сам человек, начиная от пуска насосных агрегатов и кончая их полной остановкой.
В автоматическом режиме работы системы команда на включение насосных агрегатов выполняется по сигналам датчиков влажности почвы при достижении нижнего порога влажности, который задается заранее в зависимости от выращиваемой культуры, стадии ее развития и типа почвы. Исполнительные устройства и регулирующие механизмы как в насосной станции, так и на оросительной сети те же, что в первом варианте, а роль обслуживающего персонала сводится к контролю за работой технических средств.
Цель оптимизации параметров стационарных систем - разработка технологии работы систем и схем оросительной сети, при которых затраты на орошение будут минимальны.
При расчете капитальных вложений учитывались стоимость насосной станции, оросительной сети, дождевальных аппаратов, систем автоматики. При расчете ежегодных издержек учитывались амортизационные отчисления соответственно по насосной станции, сети, дождевальным аппаратам, системам автоматизации; зарплата обслуживающего персонала; стоимость электроэнергии.
Таким образом, сравнивая различные схемы оросительной сети и технологические схемы работы дождевальных аппаратов, можно выбрать такие варианты оросительной системы, при которых величина приведенных затрат будет минимальна и наиболее экономичны. Снижения капиталоемкости системы можно достичь за счет оптимизации технологии проведения поливов. Возможны варианты попарного кольцевания поливных трубопроводов с поочередной работой дождевальных аппаратов по одному на каждом кольце или поочередной работы аппаратов на тупиковой сети. Создание таких систем приводит к существенному уменьшению диаметров (на 2-3 размера) поливных трубопроводов, имеющих наибольшую протяженность и удельный вес в системе, и, как следствие, к снижению затрат на строительство и эксплуатацию таких систем (184).
Данный вопрос рассмотрим подробнее, так как от него зависит эффективность создания и внедрения стационарных автоматизированных дождевальных систем. Примем стационарный оросительный-, модуль площадью около 100 га исходя из технологических параметров аппаратов ДД-30: расстояние между аппаратами 90 м и между юливными трубопроводами 8 0 м. Расход воды на системе 90 л/с при одновременной работе 3 аппаратов.
Оросительная система состоит из стационарной автоматизированной насосной станции, транспортирующих, распределительных, поливных (тупиковых или закольцованных) закрытых трубопроводов, дождевальных аппаратов ДД-30 и ДД-30 с гидрозатворами, распределительных колодцев с гидрозадвижками, кабелей связи для включения и выключения гидрозадвижек. Поскольку форма участка почти свадратная" (отношение сторон 1,12:1), принято Т-образное распо-южение транспортирующего и распределительных трубопроводов, сак наиболее экономичное. Возможны следующие схемы оросительной :эти и технологии ее работы, которые существенно влияют на технико-экономические показатели (рис. 5.1) .
Схема 1. Оросительная сеть тупиковая с постоянным диаметром (300 мм) транспортирующих, распределительных и оросительных трубопроводов. Одновременно на одном из оросительных трубопроводов работают 3 дождевальных аппарата ДД-30 с расходом воды 90 л/с. Управление работой аппаратов осуществляется с помощью гидрозадвижек, установленных в колодцах управления на распределительных трубопроводах. В колодцах при пересечении транспортирующего и распределительных трубопроводов установлены гидрозадвижки для отключения неработающих линий.
Схема 1а. Схема сети и работа системы аналогичны варианту 1. Оросительные трубопроводы выполняются телескопическими по участкам соответственно на пропуск воды 30, 60 и 90 л/с для одного, двух и трех дождевальных аппаратов диаметрами 200, 250 и 300 мм.
Схема 2. Схема расположения трубопроводов аналогична варианту 1. На трех соседних оросительных трубопроводах диаметром 200 мм работают по одному дождевальному аппарату ДД-30 с гидрозатвором. Концевые участки распределительных трубопроводов выполняются телескопическими на пропуск соответственно расхода воды для одного и двух аппаратов диаметром 200 и 250 мм длиной по 8 0 м. Колодцы для управления работой аппаратов на распределительных трубопроводах не устраивают, их сооружают только при пересечении транспортирующего и распределительных трубопроводов. Транспортирующий трубопровод диаметром 300 мм рассчитывают на пропуск полного расхода воды(23, 276, 354).
Схема 2а. Аналогична схеме 2 за исключением того, что дождевальные аппараты работают через один оросительной трубопровод. На распределительном трубопроводе телескопические участки диаметром 200 и 250 мм удлиняются до 160 ж.
Схема 3. Аналогична схеме 2. Три дождевальных аппарата ДД-30 с гидрозатворами работают на трех оросительных трубопроводах, принадлежащих разным распределительным трубопроводам. Все поливные и распределительные трубопроводы диаметром 200 мм рассчитываются на пропуск расхода воды одного аппарата. Транспортирующий трубопровод выполняют телескопическим соответственно на пропуск расхода воды трех и двух дождевальных аппаратов диаметром 300 мм от насосной станции до первого распределительного трубопровода и 250 мм - между распределительными трубопроводами .
Схема 4. Оросительные трубопроводы попарно закольцованы. На каждом кольце работают 3 аппарата ДД-30 с гидрозатворами. Кольца рассчитывают на пропуск полуторного расхода воды по каждой ветви. Остальная часть сети - на пропуск полного расхода и принимают диаметром 300 мм.
Схема 5. Схема сети аналогична варианту 4, на каждом соседнем кольце работают по одному аппарату ДД-30 с гидрозатвором. Диаметр кольца рассчитывают, исходя из половинного расхода воды аппарата, и принимается равным 150 мм. Распределительный трубопровод выполняют телескопическим на пропуск воды одного, двух и трех аппаратов соответственно диаметрами 200, 250 и 300 мм и длиной 160, 160 и 120 м.
Схема 6. Схема аналогична варианту 4. На трех кольцах, принадлежащих разным распределительным трубопроводам, работают по одному дождевальному аппарату. Расчет кольца производят согласно схеме 5, распределительные и транспортирующий трубопроводы - аналогично схеме 3.
Системы с машинами фронтального действия с центральным водозабором
Системы с данным типом машин проектируются как с закрытой сетью (машины семейства "Волжанка" ДКШ-64, ДКШ-64А, ДКГ-80,ДКН-80", "Таврия"), так и с открытой сетью (машины "Кубань-М", "Кубань-Л") (132, 133, 134, 135, 141, 142, 177, 230). Машины могут быть как с короткоструйными насадками ("Кубань"), так и среднеструйными аппаратами (тип "Волжанка"). Водопроводящий пояс может быть постоянного сечения по длине машины - "Волжанка", "Кубань-М" и переменного сечения - "Кубань-Л", "Таврия".
Для оптимизации параметров единичного модуля системы примем следующие условия: единичный расход воды q=l, единичная площадь модуля F=l, соотношение L/B=0,25-5,29, единичный диаметр трубопровода d=l. С учетом гидрантов приведенный диаметр трубопровода принят dnp=l,4, а эквивалентный параметр открытой сети dnp=l,6. Расчет единичных модулей производится в соответствии со схемами А и Б (рис. 5.3) и А, Б, В, Г(рис. 5.4) .
Конструктивные коэффициенты массы существующих дождевальных машин приведены в табл. 5.16. Как видно из этих данных, конструктивный коэффициент для данного типа машин не превышает К=5. Поэтому принят параметрический ряд машин с коэффициентами К=1,2,3,4,5. Расчет материалоемкости единичного модуля сводится к следующей процедуре. Задаемся длиной оросителя L=0,5-2,3 с шагом, равным 0,1. Определяем длину машины B=l/L - для коротко-струйных и B=l/L-1 - для среднеструйных машин. Определяем приведенную длину оросителя:
для открытой сети 10=1,6L (5.52)
для закрытой сети 13=1,4(L-1/2) (5.53)
Приведенная длина машины определяется в соответствии с формулами 5.16 и 5.17. Приведенная длина сети и машины определяется соответственно как сумма И=1о+1д (5.54) Ц=1Э+1Д (5.55)
Энергоемкость модуля определяется по формуле (5.5). В соответствии с изложенным, построены номограммы материа-ло- и энергоемкости модулей систем при закрытой и открытой сети с коротко- и среднеструйными аппаратами при постоянном и переменном диаметрах водопроводящих трубопроводов машин (рис.5.12 и 5.13). Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы:
1. Материалоемкость оросителей изменяется в гиперболической зависимости от соотношения L/B, причем материалоемкость открытой сети выше, чем закрытой.
2. Материалоемкость машин по мере их удлинения растет в параболической зависимости.
3. Суммарная материалоемкость всегда имеет минимум, причем, чем ниже конструктивный коэффициент массы, тем машина должна быть длиннее.
4. Материалоемкость короткоструйных машин выше, чем струйных вследствие неравенства их длин при одинаковом расстоянии между оросителями.
5. Материалоемкость машин с постоянным диаметром водопроводящего пояса выше, чем с переменным.
6. Энергоемкость модулей с открытой сетью и короткоструйными машинами имеет тенденцию к возрастанию с увеличением длины машины.
7. Энергоемкость модулей с закрытой сетью и короткоструйными машинами всегда имеет минимум, но он не совпадает с минимумом материалоемкости.
8. Энергоемкость модулей с открытой сетью и среднеструйными машинами всегда имеет минимум, а в закрытых - в случае, когда конструктивный коэффициент массы К 3.
Для определения оптимальных схем и параметров систем нами разработаны Т-, П- и Ш-образные схемы с числом полей в севообороте от 2 до 16. (рис. 5.14 и 5.15) Для расчета параметров приняты модули, имеющие наименьшую материалоемкость в соответствии с номограммами на рис.5.11 и 5.12. Расчет систем по материале- и энергоемкости произведен по нижним границам вдоль и поперек от водоисточника. Приведенная длина оросительной сети показана в табл.5.17 в соответствии с обозначениями на рис.5.14 и 5.15. Для оросительной сети приняты следующие конструктивные коэффициенты Ki=l,4; К2=1,02; К3=1,632. Материалоемкость машин принята как суммарной их количеству.
Для выбора оптимальных схем оросительных систем по их материалоемкости построены номограммы с бинарными полями (рис.5.16 и 5.17). По оси абсцисс отложены значения lg(L/B), по оси ординат М. Все полученные номограммы имеют одну и ту же тенденцию. Левую область полей занимают Т-образные, правую - Ш-образные, центр - П-образные схемы. При этом каждая схема сети имеет вполне определенные числовые параметры. На номограммах приняты следующие обозначения: п- число полей или машин в севообороте, К- конструктивный коэффициент массы. Пересечение кривых Кхп определяет с одной стороны материалоемкость системы, с другой стороны характеризует оросительную систему с заданным числом полей севооборота при определенном типе дождевальных машин .
На предпроектной стадии решаются два типа задач.
1. Если заданы площадь орошения, конфигурация участка и тип дождевальной, машины по конструктивному коэффициенту, то можно на пересечении кривых пхК определить оптимальную схему сети по ее материалоемкости.
2. Если заданы площадь орошения и тип дождевальной машины, а конфигурация участка свободна, то по точкам, соответствующим равенству произведения пхК для трех типов схем Т-, П- и Ш образных, определяется оптимальная схема сети, исходя из минимума материалоемкости.
Следует также отметить, что материалоемкость систем с закрытой сетью несколько ниже, чем с открытой. При этом системы с машинами, имеющими переменный диаметр трубопровода имеют меньшую материалоемкость по сравнению с машинами с постоянным диаметром водопроводящего трубопровода.
Аналогично построены номограммы энергоемкости систем (рис.5.18). По оси абсцисс отложены значения lg(L/B), по оси ординат - энергоемкость Э. Характер номограмм и правила их пользования показывают, что в целом они достаточно близко совпадают с номограммами по материалоемкости.
Следует отметить два обстоятельства:
1. Т- и Ш-образные схемы имеют минимумы энергоемкости почти во всем диапазоне области рассмотрения.
2. Энергоемкость систем с машинами, имеющими переменный диаметр водопроводящего трубопровода выше, чем с машинами, имеющими постоянный диаметр.
Сравнение двух типов номограмм по материало- и энергоемкости дает возможность выбрать наиболее рациональный вариант по схемам сети в плане.
