Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние изученности внутрипочвенного орошения в условияк, аридной зоны 7
1.1. Обзор исследований по внутрипочвенному орошению .. 7
1.2. Обоснование выбранного направления исследований 21
ГЛАВА II. Место и условия проведения исследований... 31
2.1. Краткая климатическая и почвенная характеристика Центрального Таджикистана 31
2.2. Описание опытных участков ... 35
2.3. Методика исследований 44
ГЛАВА III Исследование эксплуатационных особенностей работы бнутрипочвенных увлажнителей и разработка. оптимальных элементов техники полива 52
3.1. Качественная и количественная оценка.. работы внутрипочвенных увлажнителей различных конструкций 52
3.2. Связь гидравлических факторов увлажнителей с равномерностью распределения воды по их длине ... 68
3.3. Влияние особенностей внутрипочвенного увлажнения почвогрунта на режим ороше ния сельскохозяйственных культур и технологию проведения поливов... 78
ГЛАВА ІV. Разработка рекомендащй по проектированию. систем бнутрипочвенного орошения . 88
4.1. Принципиальная схема сети 88
4.2. Анализ зависимостей для определения потерь напора при движении жидкости с переменной массой. 91
4.3. Разработка методики гидравлического
расчета сети поливных трубопроводов
и внутрипочвенных увлажнителей 96
ГЛАВА V. Оценка экономической эффективности бнутрипочвенного орошения 112
Выводы и рекомендации производству 118
Список использованной литературы
- Обоснование выбранного направления исследований
- Описание опытных участков
- Связь гидравлических факторов увлажнителей с равномерностью распределения воды по их длине
- Анализ зависимостей для определения потерь напора при движении жидкости с переменной массой.
Введение к работе
Актуальность темы. В "Основных. направлениях экономического и социального развития СССР на I98I...I985 гг. и на период до 1990 г.", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, внутрипочвенное орошение отмечено в числе перспективных способов полива, намечаемых к внедрению. Наиболее благоприятные условия применения внутрипочвенного орошения имеются в аридной зоне страны. При остром дефиците пресной воды именно в этой зоне имеет место наибольшая эффективность орошения, а природные условия позволяют выращивать высокие урожаи ценных и высокодоходных культур. Сочетая эти условия со способом внутрипочвенного орошения , как наиболее оптимальным для выращивания сельскохозяйственных культур, можно ожидать наиболее высокой экономической эффективности. Однако многообразие природных условий и отсутствие научно обоснованных рекомендаций по внедрению внутрипочвенного орошения потребовало всестороннего изучения работоспособности таких систем в различных условиях аридной зоны; одним из крупных типичных регионов является Центральный Таджикистан.
Работа проводилась в соответствии с координационным планом НИР ГКНТ СМ СССР (теш 0.52.133 а.1 и 6.85).
Пель и задачи исследований. Целью исследований являлась разработка элементов техники внутрипочвенного орошения на основе увлажнителей из полиэтиленовых труб для типичных, условий аридной зоныІ При этом потребовалось решение следующих вопросов: установление оптимальных конструкций увлажнительной и разводящей сети; изучение эксплуатационных особенностей работы увлажнителей в зависимости от таких факторов как продолжительность их эксплуатации, конструкция, напор воды, вид сельскохозяйственной культуры; установление оптимальных элементов техники внутрипочвенного орошения (расстояние между увлажнителями, их длина, диаметр, уклон, глубина закладки); установление режима подачи воды в увлажнительную сеть; установление специфических особенностей принципа внутрипочвенного орошения в лессовидных суглинках и разработка технологии более качественного полива.
Научная новизна. В типичных почвенно-климатических условие Центрального Таджикистана разработаны оптимальные конструкции увлажнителей из полиэтиленовых трубок, предложена принципиально новая технология внутрипочвенных поливов с транзитной подачей воды и система для ее осуществления, определены оптимальные элементы техники полива, разработана методика гидравлического расчета распределительной и увлажнительной севи. Многолетние исследования позволили выявить также эксплуатационные особенности внутрипочвенного орошения в этих условиях и разработать методы их улучшения.
Практическая ценность заботы.. Разработаны конструкции увлажнителей, элементы техники полива, схема распределительно-увлажнительной сети, режим подачи воды и режим внутрипочвенного орошения, позволяющие гарантировать качественное проведение внутрипочвенных поливов и получение высокого урожая сельскохозяйственных культур. Предлагаемая методика расчета тескопических поливных трубопроводов с непрерывной равномерно раздачей позволяет проектировщикам по разработанным номограммам найти единое оптимальное решение без операций подбора.
Ре исследований. Результаты исследований вошли в состав "Утководства по проектированию систем внутрипочвенного орошения" БТР-ЇЇ-33-8І, утвержденного НТО Минводхоза СССР. Технология внутрипочвенного орошения внедрена при выращивании хлопчатника, винограда и плодовых саженцев на Файзабад-ской зональной сельскохозяйственной станции и на 2-м эксплуатационном участке Гиссарского долинного управления оросительных систем Минводхоза Таджикской ССР,
Апробация работы. Основные положения диссертационной работ» докладывались на научной конференции БНИЙГиМ (1974 г.) и на сек циях Ученого Совета ВНИИГиМ (1976, 1980 гг.), научных конференциях ЕИСХОМ (1979), Волгоградского СХИ (1978), на Всесоюзном научно« техничееком совещании "Итоги исследований, современное состояние внутрипочвенного и капельного орошения и перспективы их производственного использования" (Ташкент,: 1977),
Дубликации.По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе одно авторское свидетельство, и получено одно положительное решение по заявке на изобретение.
Автор выносит на зашиту принципиально новую технологию проведения внутрипочвенных поливов с транзитной подачей воды по сети сквозных увлажнителей, конструкции сети и увлажнителей для ее осуществления, оптимальные элементы техники полива и методику гидравлического расчета распределительной и увлажнительной сети.
Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костикова.
Полевые исследования и эксперименты проводились на Гис-сарском научно-исследовательском полигоне Минводхоза Таджикской ССР и ВНИИГиМ.
Обоснование выбранного направления исследований
Для постановки исследований по внутрипочвенному орошению нами был сделан предварительный анализ результатов опытов по этому способу орошения в аридной зоне за предшествующие годы в нашей стране и за рубежом. Одновременно были изучены конструкции трубок-осушителей, применяемые в закрытых дренажных системах Белоруссии и Прибалтики.
Анализ показал, что неармированные кротовины непригодны для прокладки в типичных среднеазиатских почвогрунтах, поэтому согласно рекомендаций Шейнкина Г.Ю. / 99 / для разработки системы ВПО нами выбрана полностью закрытая оросительная система с подземными поливными трубопроводами и увлажнителями из поли этиленовых перфорированных трубок.
Учитывая общую тенденцию по расширению выпуска пластмассо -вых трубок заводами в гг. Ново-Борисове, Вильнюсе, Олайне и др., нами были выбраны гладкие и гофрированные трубки с точечной и щелевой перфорацией площадью порядка нескольких квадратных сантиметров на погонный метр. Размер отверстий (диаметр круглых и ширина щелевых) можно было считать установленным и близким к оптимальному для закрытого дренажа - порядка I мм. При таком их размере грунт не проникает внутрь трубок через перфорацию. Следовало лишь проверить работоспособность увлажнителей из таких трубок в грунтах, типичных для аридной зоны.
Опытный участок, заложенный в 1969 г , в Таджикистане, явился одним из первых объектов исследований внутрипочвенного орошения с пластмассовыми увлажнителями, уложенными бестраншейным способом.
Площадь перфорации нами была принята постоянной по длине увлажнителя, по крайней мере, в пределах одного варианта. Величину пропускной способности перфорации для большинства опытов приняли заведомо большей впитывающей способности почвы в расчете на то, что при напорах, соизмеримых с глубиной укладки (0,5 м), всасывающая сила почвы значительно превышает рабочий напор, то есть ее действие.будет преобладающим и она будет определять величину впитывания.
Одновременно в деляночных опытах испытывали и различную перфорацию порядка 20 отверстий на метр против 500...600 отверстий в трубках с заводской перфорацией, т.е. площадь перфорации была в 25...30 раз меньше заводской.
Принятая для опытов величина рабочего напора порядка 0,5 м выбрана с учетом практики работы подземных поливных трубопроводов с отверстиями, которые начинают работать при напоре около I м, из условия, чтобы вода из внутрипочвенных увлажнителей не выходила на поверхность земли.
Диаметр трубки-увлажнителя принят постоянным по всей длине из условия механизированной укладки увлажнителей; такая схема более технологична, т.к. позволяет вести укладку с любой стороны поля.
Местом исследований была выбрана Гиссарская долина Таджикистана, характеризующаяся достаточно влажной весной; поэтому здесь, как правило, не бывает проблемы с получением всходов как основной культуры (хлопчатник), так и других сельскохозяйственных культур, а первый полив проводят в конце мая или в начале июня.
Опытный участок выбран в поясе типичных для аридной зоны сероземов, по механическому составу относящихся к крупнопылева-тым утяжеленным средним и тяжелым суглинкам. Почвы не засолены; оросительная вода ледникового питания из Большого Гиссарского канала (БГК); грунтовые воды залегают глубоко.
Таким образом, выбор участка в Гиссарской долине на типич ных почвогрунтах, не засоленных, при глубоком залегании грунтовых вод, при обеспечении весенними влагозапасами, исключает такие проблемы, как засоление почв и получение всходов, и позволяет сосредоточить основное внимание на выявлении потенциальных возможностей способа внутрипочвенного орошения и его эффективности путем закладки опытов с оптимальными элементами техники полива.
Закладку увлажнителей производили в среднем на глубину 0,45+0,10 м. В наших вариантах опытов основная глубина составляла 0,45 м, а в деляночных от 0,35 до 0,55 м.
Удельное впитывание воды из увлажнителей по литературным данным для суглинистых почв мы приняли равным 0,2...0,3 л/оЛ00щ исходя из этой величины была рассчитана подводящая и распределительная сеть на опытных участках.
Описание опытных участков
Описание опытных участков Исследования по внутрипочвенному орошению проводились в основном на трех опытных участках; отдельные опыты ставились также на экспериментальных делянках и установках.
Опытно-производственный участок Ш I был заложен в 1969 г. на площади 2500 м2 (рис. 2.1). Это был один из первых опытов по внутрипочвенному орошению в Таджикской ССР с увлажнителями из полиэтиленовых трубок. Применялись трубки гладкие со щелевой и точечной перфорацией и гофрированные трубки с точечной перфорацией. Трубки были изготовлены из полиэтилена высокой плотности на Ново-Борисовском заводе полиэтиленовых изделий.
Ддя укладки увлажнителей в 1969 г. использовали траншейный способ; траншеи нарезались каналокопателем с последующей ручной доработкой; фильтр не применялся Было уложено 64 увлажнителя длиной 27...39 м; общая их длина более 2 км. Расстояние между большей частью увлажнителей 1,2 м, на меньшей части трубки заложили с расстоянием от 0,8 до 2,0 м; глубина укладки составляла в среднем 0,45 м. Концы увлажнителей в первые два года были заглушены деревянными пробками, выходящими в сбросную канаву; кольцевание сети увлажнителей было проведено в 1971 году.
Целью первых опытов было определить целесообразность и возможность применения вцутрипочвенного способа орошения в условиях аридной зоны. В период 1969...73 гг. на участке выращивался хлопчатник при поливах внутрипочвенным способом. В течение трех лет урожайность хлопка-сырца (сорт І08-Ф и Ташкент-1) превышала 50-центнеровый рубеж. Однако, в 1973 г. резко ухудшилось качество увлажнения, причина которого была отнесена за счет закупорки перфорационных отверстий. В период 1974...1975 гг. на участке № I выращивалась пшеница и кукуруза. В конце 1975 г. - начале 1976 г. участок был реконструирован: длина увлажнителей была увеличина с 35 до 75 м, а площадь доведена до 0,5 га (рис.2.2). Был также оборудован участок полива по бороздам из поливного подземного трубопровода с патрубками-водовыпусками (контроль) в трех повторностях; из каждого патрубка вода подавалась в 7... 8 борозд (рис. 2.3).
Дія закладки увлажнителей в виде гофрированной полиэтиленовой трубки диаметром 42 мм, обернутой стеклотканью, использовали навесной бестраншейный трубоукладчик НБУ-ПТ конструкции ВНИИМиТП ВШО "Радуга", изготовленный по нашему заказу и с некоторыми доработками на ремонтно-экскаваторном заводе.(РЭЗ) в г.Душанбе, рис.2.4. Трубки укладывались на глубину 0,4...0,45 м через 1,2 м. Было уложено 27 трубок длиной 70...80 м на трех делянках, по 9 штук на каждую. Между тремя делянками внутрипочвенного полива располагались делянки поверхностного полива по бороздам шири ной II... 12 м (контроль). При ширине междурядий 0,6 м при выра щивании хлопчатника на каждую делянку приходилось по 18...20 рядков.
Вода в увлажнители поступала из двухкамерных колодцев по полиэтиленовому трубопроводу диаметром 100 мм - на каждую повторность отдельный колодец. В колодцах было установлено по одному треугольному водосливу с углом выреза 90.
Для возможности одновременной промывки увлажнителей каждая повторность была оборудована сбросным трубопроводом с промывной задвижкой. Для промывки колодцев и участковых распределительных трубопроводов были смонтированы сбросные отводы с заглушками, а в высшей точке участковых трубопроводов - по одной воздушной трубке, которая служила также для наблюдения за уровнем воды при поливах в каждой повторности. Для учета воды на поверхностный полив по бороздам служил двухкамерный колодец с трапецеидальным водосливом.
Уклон поверхности земли вдоль увлажнителей и борозд находился в пределах от нуля до 0,003; уклон поперек увлажнителей -от 0,035 до нуля.
Экспериментальный участок В 2 был заложен в 1970 г. для детального изучения работоспособности увлажнителей различных конструкций длиной от II до 20 м, рис. 2.5. Расстояние между увлажнителями было постоянным - 1,5 м; способ укладки - в траншеи, отрытые вручную. Глубина укладки менялась от 0,6 до 0,3 м. Величина удельной перфорации - от 5...8 см2/м до разреженной, меньшей по площади в 15...25 раз; диаметр трубок - от 50 до 20 мм. Часть вариантов конструкции имела фильтры из рулонной стеклоткани и экраны из полиэтиленовой пленки, а также в их сочетании.
Участок Л 2 в процессе опытов подвергался реконструкции: вместо двух увлажнителей на каждой повторности было уложено по три увлажнителя, оборудованных двумя воздушными трубками: одна -служила для подачи воды, другая - для замера напора воды над осью увлажнителя в процессе поливов. Учет поданной воды производился водомерами типа УВК и ВКОС;
Связь гидравлических факторов увлажнителей с равномерностью распределения воды по их длине
Явление образования изолированных воздушных полостей было обнаружено также при испытании микропористых трубок-увлажнителей "виафло" фирмы Дюпон (США), несмотря на то, что они были уложе-ны на глубину 15 см. В процессе их эксплуатации было замечено, что в середине вегетации отдельные части микропористых трубок не увлажняли грунт. Вскрытие этих мест показало, что почва возле трубок сухая, но через несколько минут после откопки начинали показываться первые признаки влаги, то есть после выхода воздушной пробки из полости увлажнителя. Не оставалось сомнений, что воздух в полостях оказывал противодавление, сходное с действием воздушного колпака. После нескольких попыток удалось замерить противодавление благодаря тому, что микропористые трубки находились под напором порядка 3 м. После введения в воздушную полость конца полиэтиленовой трубки диаметром 3 мм, присоединенной к манометру, и герметизации этого ввода было зафиксировано противодавление порядка 0,4...0,5 м, равное выходному напору, до которого гасится рабочий напор.
Интересно отметить, что транзитный поток воды по микропористым трубкам при их промывке может удалить воздух только из полости трубок, но не из надтрубного пространства из-за сжатия микропор при сплющивании трубки при промывке. В тоже время при проведении этой операции с жесткими трубками-увлажнителями воздух удаляется и из затрубных полостей за счет прямого их сообщения через перфорацию с полостью трубки.
Для разрушения изолированных воздушных полостей над микропористыми трубками можно использовать глубокое рыхление, например, при пахоте, чизелевании или культивациях, если позволяет глубина закладки подпочвенных увлажнителей..
При использовании неглубокого заложения (15...18 см) микропористых трубок мы.рыхлили почву дисковой бороной - в опытах с 2...3-х летней их эксплуатацией. В зимний период за счет промерзания почвы происходит естественное восстановление структуры почвы за счет разрушающего действия замерзающей воды, поэтому большинство воздушных полостей соединяется с атмосферой образующимися трещинами.
Однако из-за небольшой глубины промерзания (0,2...0,3 м) в равнинных районах аридной зоны разуплотнение почвы мало сказывается на.работоспособности увлажнителей, заложенных на глубине 0,45...0,5 м. Так, если сравнить удельное впитывание воды из увлажнителей при первом поливе с этим показателем при последнем поливе предыдущего года, то будем иметь его увеличение примерно на 20$. Чтобы увеличить этот эффект,можно рекомендовать держать открытыми концы увлажнителей, чтобы в зимний период воздух с температурой ниже 0С мог проникать в полость увлажнителей. Воздушные трубки можно оснастить раструбом на шарнире с хвостовиком как у флюгера, или использовать в зимний период компрессорные установки для охлаждения ниже 0С окружающего увлажнитель грунта / 102 /.
Образование воздушных пробок наблюдается также в системах закрытого дренажа / ж-л Тидротехника и мелиорация", Л 5,1982, с.61 / вследствие переменного уклона дренажных трубопроводов. Здесь отрицательное влияние воздуха сводится лишь к образованию дополнительных потерь напора. Для создания более благоприятного режима работы дренажа сотрудники ЛитНИИГиМ рекомендуют ограничивать длину безуклонных и малоуклонных участков до 5 м. Очевидно, более действенным явится устройство в устье дрен опрокидывающейся заслонки, действующей периодически по мере накопления перед ней воды. Тогда периодическое образование подпора в дренах будет способствовать созданию промывного режима и выносу воздуха вместе с водой при большей скорости воды.
Анализ зависимостей для определения потерь напора при движении жидкости с переменной массой.
Анализ проведенных исследований по работоспособности увлажнительной сети, по гидравлическим закономерностям движения воды и элементам техники полива с учетом особенностей водно-физических свойств типичных среднеазиатских почвогрунтов позволил разработать принципиальную схему системы внутрипочвенного орошения (рис. 4.І.).
Основной частью такой системы является сквозной увлажнитель, состоящий из нескольких последовательно соединенных тупиковых увлажнителей оптимальной длины. Длина сквозного увлажнителя составляет величину порядка 600...800 м, то есть оптимальную длину гона тракторного агрегата при междурядных обработках. Сквозной увлажнитель, состоящий из 5...6 отдельных увлажнителей, подпитывается по длине из поливных трубопроводов. Первый поливной трубопровод предполагается рассчитывать на расход, в два раза превышающий впитывающую способность почвы из увлажнителей, им обслуживаемых, а последующие (в том числе и сбросной трубопровод) на расход, равный впитыванию. Тогда по всей длине сквозного увлажнителя будет проходить транзитом расход, равный расходу одного увлажнителя на впитывание.
Сквозной увлажнитель заканчивается сбросным трубопроводом, имеющим сбросной патрубок на уровне поверхности земли. Применение сквозного увлажнителя обеспечит непрерывное движение воды в трубках для выноса воздуха и илистых частиц в сбросную сеть.
Величина сбросного расхода может составлять 1/6...1/7 от общего поступаемого расхода -В сквозной увлажнитель. Однако после избавления от воздушных пробок и промачивания уплотненного слоя дальнейший полив можно будет производить без сброса, что позволяет общий процент сброса свести к минимуму - менее 1С$, что ниже в 2...3.раза по сравнению с неизбежным сбросом при поливе по бороздам.
С целью полного исключения сброса в определенных условиях может быть целесообразно повторное использование сбросной воды. Для этого воду можно собирать в специальный резервуар, оснащенный автоматически действующим насосным агрегатом для перекачки воды в верхнюю часть участка. Предварительно вода должна быть осветлена в одной из камер сбросного сооружения. Тогда будем иметь оросительную систему с полным замкнутым циклом использования не только воды, но и выносимых с поливной водой растворенных удобрений. .
На рис. 4.1 показаны также конструкции соединительных узлов увлажнителей с поливными трубопроводами и промывными устройствами. При значительном поперечном уклоне необходимо увлажнители объединять в несколько секций с помощью секционных трубопроводов, поступление воды в которые лимитируется отверстием расчетного диаметра в поливном трубопроводе. Для промывки поливных трубопроводов необходима установка промывных устройств, снабженных дросселем для создания гидравлических ударов.
Ширина участка с увлажнителями, обслуживаемыми одним секционным трубопроводом, должна быть такова, чтобы разность отмег ток поверхности земли по ширине не превышала 0,2...0,3 м. Для снижения влияния поперечного уклона вход в секционный трубопровод может быть предусмотрен с одного из его концов (по уклону)
В качестве основы для системы внутрипочвенного орошения использована хорошо себя зарекомендовавшая схема закрытой оросительной сети с подземными поливными трубопроводами для полива по бороздам / 99 /. Осуществление такой аналогии возможно, т.к. расход воды в увлажнитель соответствует расходу воды в борозды с уклоном порядка 0,01 на типичных суглинистых почвогрунтах. Оптимальные параметры сети (длина и ширина площади, обслуживаемой одним распределительным трубопроводом), как и расстояние между поливными трубопроводами также соизмеримы между собой. Много общего имеет и гидравлический расчет распределительного и поливных трубопроводов. При благоприятных поперечных уклонах, когда нет необходимости в секционных трубопроводах, размер поливных отверстий не отличается между собой в обеих системах (4...5 мм), рабочие напоры также одинаковы (3...4 м). Оптимальная площадь одновременного полива будет составлять 12...-15 га.
Как и в случае с трубопроводами для полива по бороздам, трубопровод для распределения воды между увлажнителями целесообразно проектировать телескопическим, т.е. из труб уменьшающегося диаметра; как правило, предусматривают три участка из трех диаметров труб.
