Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1 Общее техническое состояние мелиоративных систем Ростовской области 10
1.2 Техническое состояние закрытых оросительных систем 13
1.3 Анализ парка поливной техники 17
1.4 Направление развития дождевальных машин 24
2. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОРОШЕНИЯ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР, НА ПРИМЕРЕ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДКФ-1ПК 27
2.1 Воздействие искусственного дождя на почву 27
2.2 Качество технологического процесса дождевания 31
2.3 Особенности орошения овощных культур 37
2.4 Обоснование выбора конструктивно-технологической схемы дождевальной машины ДКФ-1 ПК 46
3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 52
3.1 Программа исследований 52
3.2 Агротехнические показатели, характеризующие дождевальную машину ДКФ-1ПК 53
3.2.1 Определение расхода воды 53
3.2.2 Методика определения среднего слоя и интенсивности дождя 54
3.2.3 Определение структуры дождя, создания микроклимата для овощных культур и устойчивости растений к давлению искусственного дождя 57
3.2.4 Исследование влияния ветра на равномерность полива 63
3.2.5 Потери воды на испарение из дождевого облака 68
3.2.6 Сток воды с поверхности почвы 70
3.3 Математическая обработка данных исследований 72
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 74
4.1 Фактический слой дождя и результаты интенсивности при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК 74
4.2 Структура искусственного дождя, создание микроклимата для овощных культур и устойчивости растений к давлению капель дождя 75
4.3 Влияние ветра на равномерность полива ДМ ДКФ-1 ПК 78
4.4 Потери воды на испарение при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК 79
4.5 Сток воды с поверхности почвы исследуемой дождевальной машины 82
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДКФ-1ПК 85
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ л.... 93
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 94
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 95
ПРИЛОЖЕНИЯ 105
- Общее техническое состояние мелиоративных систем Ростовской области
- Воздействие искусственного дождя на почву
- Агротехнические показатели, характеризующие дождевальную машину ДКФ-1ПК
- Фактический слой дождя и результаты интенсивности при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК
Введение к работе
Более половины пашни в России находится в недостаточно увлажненных и засушливых районах южной части страны (к которым относится и Ростовская область). В зоне недостаточного увлажнения условия для сельскохозяйственного производства затруднены повторяющимися 1 раз в 3-4 года засухами. Анализ погодных условий позволяет сделать прогноз возможного глобального изменения климата под влиянием антропогенного воздействия. В частности, повышение средней температуры воздуха, что приведет к росту суммарного испарения и снижению количества осадков. Орошение увеличивает урожайность в среднем в 1,5-2 раза, а в засушливые годы в пять и более раз. Недостаточность и неустойчивость естественного увлажнения обуславливает приоритетность развития орошаемого земледелия.
Дождевание - самый широко применяемый и перспективный в мире вид орошения. По нашей стране из орошаемых земель более 54 % орошается дождеванием. Такой вид орошения наиболее близок к оптимальному попаданию влаги к растению, то есть природному выпадению осадков. В настоящее время парк дождевальных машин, установок и отдельных аппаратов насчитывает более двух десятков типов, создающих искусственный дождь разного качества. Наиболее широкоприменяемые дождевальные машины: «Днепр», «Волжанка», «Фрегат», ДДА-ЮОВХ, ДДА-100МА; дождевальные аппараты типа ДД, «Фрегат», «Роса» др. создают крупнокапельный, близкий по интенсивности к ливневым дождь, что наносит вред, особенно молодым всходам, рассаде, а в ряде случаев подвергается опасности потенциальное плодородие почвы. Высокоинтенсивный дождь, создаваемый машинами и установками, вызывает ухудшение почвенной структуры и водно-физических свойств поверхностного слоя почвы, её' эрозию. Кроме того, снижается экономическая эффективность орошения.
При широком внедрении дождевания большое значение имеет качество искусственного дождя, характеризующееся крупностью капель, интенсивностью дождя, энергетическим воздействием его на почву.
Практика эксплуатации высокопроизводительных дождевальных машин от закрытых оросительных систем, наряду с положительными качествами, выявила и существенные недостатки, которые не отвечают современным требованиям орошаемого земледелия. Например, наиболее надежные в работе дождевальные машины «Фрегат» имеют высокую энергоемкость полива. Дождевальные машины «Кубань» имеют достаточное качество полива, небольшую энергоемкость, но неэффективно работают во взаимосвязанной системе «канал - дождевальная машина». Низкие эксплуатационные показатели также имеет система «насосная станция - закрытая сеть» - дождевальная машина «Днепр». Кроме того, такие дождевальные машины, как «Фрегат», «Днепр», «Кубань» по металлоемкости на гектар обслуживаемой площади и на 1 л/сек организованной водоподачи, на много превышают такие дождевальные машины, как «Волжанка», ДДН 70, ДДА-100ВХ. Для организации полива ДМ «Фрегат» необходимо 39 тонн металла, ДМ «Днепр»- 40, ДМ «Кубань» почти 48, причем значительная часть металлоемкости этих машин, кроме ДМ «Кубань», приходится на закрытые трубопроводы. Такая же картина вырисовывается и с точки зрения экономической оценки. Из 2,7 млн. руб. стоимости оборудования для ДМ «Фрегат», 1.8 млн. руб. приходится на закрытый трубопровод, без стоимости работ.
Резкое повышение цен на энсргорссурсы потребовало анализа существующей дождевальной техники и с точки зрения энергоемкости. Энергоемкими дождевальными машинами как на 1 га, и на 1 л/сек. организованного расхода являются ДМ «Фрегат» и ДМ «Кубань».
Конструкция дождевальной машины «Днепр» предусматривает использование двух энергоустановок - насосной станции для подачи и формирования дождевого облака и трактора с генератором для перемещения по
6 орошаемому участку. Такая схема снижает общее КПД энергоустановок и увеличивает энергопотребление.
Ранее были предприняты попытки создания так называемых малоэнергоемких и низконапорных дождевальных машин, в частности «Кубань ЛК 1». В разновидностях этих машин для фермерских хозяйств не изменялись заложенные в них конструктивные недостатки. Уменьшение конструктивной длины не только не улучшил удельные показатели материалоемкости и стоимости, а наоборот увеличил. Это особенно характерно для машин кругового действия.
В настоящее время широкое строительство новых оросительных систем не предполагается, а большинство оросительных систем необходимо реконструировать. Общая потребность в дождевальной и поливной технике превышает ее наличие, поэтому остро стоит вопрос усовершенствования и замены дождевальных машин «Фрегат», «Днепр», «Кубань», ДДА-ЮОВХ, ДДА-ЮОМА, которые отработали свой ресурс.
Проведенный анализ технического состояния парка дождевальных машин и тенденции его восстановления показал, что наиболее быстро восстанавливаемыми являются орошаемые участки с поливной техникой работающей из открытых оросителей и автономными энергоносителями. К таким дождевальным машинам можно отнести ДДА-ЮОМА и ДДА-ЮОВХ. Имея относительно хорошие показатели по мобильности, производительности и работающие с забором воды из открытых оросителей, однако агротехнические показатели дождя уже не отвечают современным требованиям. Дальнейшее развитие данного вида дождевальных машин следует вести в направлении уменьшения воздействия дождя на почву и растения.
В ФГНУ «РосНИИПМ» была разработана новая дождевальная машина фронтального действия ДКФ-ШК. Эта машина обладает преимуществом обоих типов дождевателей ДДА-ЮОМА и ДДА-ЮОВХ, но в отличие от этих машин имеет возможность регулирования высоты дождевального крыла над орошаемым участком, что позволяет уменьшить воздействие дождя, тем самым, устраняя этот недостаток у предыдущих типов поливной техники.
Создание дождевальной машины с новым конструктивным решением требует исследования и обоснования параметров работы, агротехнических и технологических показателей, что и предопределило выбор темы настоящей работы.
Таким образом, целью работы является совершенствование технологического процесса орошения овощных культур и обоснование параметров дождевания дождевальной машины ДКФ-1ПК.
Для выполнения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи: провести комплексный анализ технического состояния оросительных систем и парка поливной техники; установить закономерности изменения интенсивности искусственного дождя дождевальной машины ДКФ-1ПК; выявить улучшение микроклимата и устойчивость растений к давлению дождя в связи с конструктивной особенностью ДМ ДКФ-ШК; определить влияние ветра на работу дождевальной машины ДКФ-ШК и испарение воды из дождевого облака; получить расчетные характеристики выдачи поливной нормы до образования поверхностного стока при поливе ДКФ-ШК; - установить технико-экономическую эффективность дождевальной машины ДКФ-ШК.
Объект исследований. Процесс орошения, обеспечивающий повышение качества полива, дождевальной машиной ДКФ-ШК.
Методика исследований. Аналитические исследования проводились методами прикладной механики и математической статистики. В экспериментальной работе были использованы результаты полевых опытов и государственных испытаний дождевальной машины ДКФ-ШК проведенных совместно с СевКав МИС, выполненных в соответствии с общепринятыми на территории Российской Федерации методическими требованиями и отраслевыми стандартами. При обработке экспериментальных данных применялись методы системного анализа с пакетом прикладных программ Excel (Microsoft), Statistica (Stat Soft).
Научные положения, выносимые на защиту: научное обоснование конструктивной схемы консольной дождевальной машины ДКФ-1ПК; зависимости изменения высоты дождевального пояса при поливе консольных дождевальных машин для расчета интенсивности, создания микроклимата над орошаемым участком и давления искусственного дождя на растения; влияние величины равномерности полива дождевальной машины в зависимости от скорости ветра; результаты полевых исследований по определению поверхностного стока при разном числе проходов дождевальной машины ДКФ-1ПК с изменением длины бьефа и величины потери воды на испарение при поливе консольной дождевальной машиной в зависимости от метеоусловий.
Научная новизна работы состоит в том, что: установлена зависимость изменения интенсивности искусственного дождя от высоты дождевального пояса; впервые представлены; а) зависимость создания микроклимата над орошаемым участком от высоты дождевального пояса для консольных дождевальных машин; б) зависимость устойчивости растений к давлению искусственного дождя от высоты дождевального пояса при поливе консольных дождевальных машин; установлена зависимость потерь воды на испарение от скорости ветра; установлена связь выдачи поливной нормы от длины бьефа до образования стока с поверхности почвы; - предложена новая конструктивно-технологическая схема дождевальной машины ДКФ-ШК, обеспечивающая достаточную равномерность полива при соблюдении инструкции по эксплуатации.
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследований могут быть использованы на стадии разработки и эксплуатации консольных дождевальных машин фронтального действия. Полученные зависимости в результате математических расчетов положены в основу проектирования дождевальной машины ДКФ-ШК. На базе экспериментальных данных и математических выкладок получены значения величин, установлены зависимости, которые могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих дождевальных агрегатов.
Публикации, По результатам исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией. Общий объем публикаций составляет 1,95 печ.л., из них лично соискателя -1,77.
Апробации работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГНУ «Рос-НИИПМ» (Новочеркасск, 2003-2006 гг.), ФГОУ ВПО «Новочеркасской государственной мелиоративной академии» (Новочеркасск, 2005 г.) и Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» ФГНУ ВНИИ «Радуга» (Коломна, 2006 г.).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству. Она изложена на 151 страницах, включает 12 таблиц, 17 рисунков, 5 фотографий и 9 приложений. Список используемой литературы включает 115 наименований, в том числе 4 на иностранном языке.
Общее техническое состояние мелиоративных систем Ростовской области
Реконструкция и строительство новых оросительных систем с использование научно-технических достижений проводимые в период с 1970 по 1990 гг. позволило значительно повысить их технический уровень. Площадь оросительных систем с применением дождевания достигла 96% от всей площади орошения, площадь закрытых оросительных систем составила 52%. В 1990 г. в эксплуатации находилось 79 тыс. дождевальных машин, в том числе более 50 тыс. широкозахватных («Кубань», «Фрегат», «Днепр», ДДА 100ВХ).
Протяженность оросительных каналов с противофильтрационными покрытиями составила 57% протяженности всей оросительной сети, дренаж был построен на 21% площади орошаемых земель. Причем на половине этой площади построен закрытый дренаж с применением новых материалов и средств механизации.
После 1991 года выделение финансовых средств из федерального бюджета на поддержание производственного фонда в рабочем состоянии, на содержание и ремонт государственных мелиоративных систем, замену выработавших ресурс дождевальных машин уменьшилось в несколько раз. Если в 1991 году на эти цели было направлено государством 519,4 млн. рублей, то в 1996 году только 124,4 млн. рублей (в ценах 1991 г.), то есть в 4,2 раза мень ше Наибольшие площади орошаемых земель сконцентрированы в Севе ро-Кавказском районе - 1705,0 тыс. га.
Проводя анализ статистических данных по динамике изменения площадей орошаемых сельскохозяйственных угодий по Ростовской области видно, что период 1980-1992 годов был периодом интенсивного роста, В эти годы происходило нарастание объемов площадей, и такая тенденция сохранялась.
В Ростовской области по состоянию на 2000 год имелось в наличии 293,9 тыс. га орошаемых земель, из них на госсистемах 163,5, а на прочих системах 130,4 тыс. га.
Из года в год происходит снижение площадей орошения. За десятилетний период (1990-2000 гг.) они сократились в целом по России на 26 %, в Северо-Кавказском районе - на 18 %, из них в Ростовской области - на 30 %.
За период 2001-2002 г. общая площадь орошаемых сельскохозяйственных угодий сократилась на 11,1 тыс. га, площадь с дренажем - на 3,5 тыс. га. За этот же период количество неиспользованных площадей увеличилось на 1,1 тыс. га, что составило от общей площади в 2001 г. - 3%, 2002 г. - 4,4 %.
Анализ имеющейся информации показывает, что, начиная с 1990 года, происходило непрерывное сокращение площадей орошаемых сельскохозяйственных угодий в Ростовской области. Орошаемые площади за этот период на Юге России сократились более чем на 30 %, в том числе на Северном Кавказе на 20 %. Основное сокращение орошаемых площадей, в основном, произошло за счет вывода из орошения хозяйственных оросительных систем. Несколько ниже шли темпы вывода из эксплуатации орошаемых земель по государственным оросительным системам.
Основная причина сокращения орошаемых площадей - это неудовлетворительное мелиоративное и техническое состояние орошаемых земель, отсутствие поливной техники. Причинами, ухудшающими мелиоративное состояние земель, являются - низкие коэффициенты полезного действия мелиоративных (оросительных и коллектор но-дрснажных) систем, обусловленные процессом их физического старения при длительности эксплуатации.
link2 Воздействие искусственного дождя на почву link2 \
В настоящее время орошение дождеванием широко применяется в нашей стране и за рубежом. Наиболее значительно дождевание развито в тех сельскохозяйственных районах, где орошаемое земледелие является одним из главных элементов интенсификации сельского хозяйства.
В Ростовской области, из 435 тысяч га орошаемых земель, дождеванием поливается 340,8 тыс. га или 78,5%. Поверхностный способ применяется в основном на рисовых оросительных системах.
Вопросам повышения агротехнических показателей работы дождевальной техники, улучшению структуры дождя, уменьшению негативного воздействия искусственного дождя на почву и растения, посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов. Следует особо отметить работы: Исаева АЛ. и Лебедева Б.М., а также Абрамова Г.Н., Альт-шуля Л.Д., Бородина В.А., Витмана Л.А., Волкова В.А., Волынского М.С., Губарева М.И., Гуссйн-Заде С.Х., Ерхова И.С, Костякова А.Н., Кудряшова А.В., Лышевского А.С., Миленина В.О., Панасенко Н.С., Петрова Г.И., Релея, Сизова Г.Н., Скрепова Г.П., Хинче И.О., Шахмуряна В.П., Шуняцкого А.Б.и др.
Рядом исследователей [9, 35, 40, 112] доказано, что кроме положительного влияния, дождь, в зависимости от продолжительности, интенсивности и крупности капель может быть фактором разрушения структуры почвы и ее эрозии. Причем, все авторы отмечают, что одной из важнейших проблем эффективного применения дождевальной техники является установление оптимального соотношения интенсивности дождя и водопроницаемости почвы при минимальном воздействии дождя на структуру почвы. Интенсивность и крупность капель дождя являются основными параметрами дождевальной техники и при проектировании, эксплуатации должны учитываться [40]. Однако на практике эти величины не всегда научно обосновываются. Увеличение производительности при проектировании и эксплуатации достигается, в основном, за счет увеличения интенсивности, крупности капель, без учета общего разрушающего воздействия дождя на почву. Еще Костяков А.Н. отмечал, что при дождевании важным является вопрос о структуре и интенсивности искусственного дождя. Необходимо давать дождь такой крупности капель и интенсивности, чтобы не было разрушения структуры орошаемой почвы, образования луж и стока и повреждения частей растений [46, 68]. Ученые приводят данные о допустимой интенсивности дождя для различных типов почв и о влиянии диаметра капель дождя и интенсивности на поливную норму, подчеркивая при этом, что с увеличением уклонов допустимая интенсивность снижается, а увеличение диаметра капель дождя в 4 раза при постоянной интенсивности приводит к снижению поливной нормы (допустимой) в 4 - 4,5 раза [79].
С увеличением диаметра сопла от 7,2 до 9,1 мм при напоре 0,55 МПа отмечалось увеличение размера капель.
При уменьшении напора в среднем на 10-12%, т.е. до 0,35 МПа размеры капель увеличивались на 25-27%.
Поливная норма при дождевании с напором 0,44 МПа формировалась из капель, общее количество которых составило соответственно при d=0,5 мм - 1,89%; d=0,51-0,75 мм - 6,81%; d=0,76-l,0 мм - 29,54%; d=7,01-l,25 мм -17,8%; d=l,26-l,5 мм - 15,53%; d=l,51-2,0 мм - 17,42%; d=2,01-3,05 мм -10,98% - таким образом свыше 70% капель соответствовали d=l,5 мм.
Москвичев Ю.А., исследуя агротехнические показатели качества полива дождеванием, установил существенное влияние величины диаметра капель дождя на процесс увлажнения почвы. С увеличением диаметра капель дождя при прочих равных условиях наблюдается быстрое образование лужиц и стока, что объясняется более интенсивным разрушением структуры почвы, заилением и уплотнением поверхностного слоя. С уменьшением диаметра капель имеет место увеличение продолжительности полива без появления луж, ослабление слоя промачивания [68].
Агротехнические показатели, характеризующие дождевальную машину ДКФ-1ПК
При проведении полевых исследований использовались основные требования и положения, изложенные в СТО АИСТ 11.1-2004 «Машины и установки дождевальные. Методы оценки функциональных показателей» [89], а также рекомендации и положения по отдельным вопросам, имеющиеся в научно-технической литературе. Существующие общегосударственные методические положения и рекомендации по определению и оценки технических характеристик дождевальных аппаратов и машин, в том числе и по качеству дождя и его структуре позволяют получить достаточно объективные и достоверные данные; однако отсутствие некоторых серийных, общепринятых и удобных технических средств (приборов, приспособлений и т. д.) вынуждает применять самодельные устройства, повышающие качество лабораторно-полевых исследований, облегчающие и ускоряющие получение тех или иных данных.
Определение расхода воды
Для определения расхода воды в полевых условиях, был подготовлен участок, заданный инструкцией по эксплуатации ДМ. На предварительно залеченном и уплотненном временном оросителе (рис. 3.1), чтобы фильтрацию воды из оросителя снизить до минимума.
Расход воды проводился в двукратной повторности и определялся объемным методом. Краном устанавливалось необходимое полное давление на выходе струи, которое замерялось путем ввода трубки Пито в струю на расстоянии 3 -5мм от края насадки. Далее на насадки аппарата устанавливали заборные шланги. Объем воды замерялся мерным баком, который был установлен в строго вертикальном положении, емкостью 60 литров. Время наполнения бака фиксировалось секундомером.
Фактический слой дождя и результаты интенсивности при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК
По результатам проведенных исследований был определен фактический слой дождя в точке каждого диаметра и средние показатели по машине.
Фактический слой дождя приведен в приложении Б таблицы Б. 1.
После проведения опыта и снятия показаний с дождемеров и метеоприборов проводились расчеты интенсивности. Результаты расчетов интенсивности приведены в таблице В. 1 приложения В.
В связи с особенностью конструкции дождевальной машины ДКФ-ШК, позволяющей изменять высоту дождевального крыла над орошаемым участком расчет интенсивности проводился по всем промежуточным уровням.
В результате расчета интенсивности была установлена зависимость изменения интенсивности искусственного дождя от высоты дождевального пояса (рис. 4.1). 75 Уравнение, описывающее зависимость, аппроксимируемое полино-мом второго порядка имеет вид: у = ОДбх - 0,83х + 5,36 при величине досто-верности аппроксимации R =0,98.
Структура искусственного дождя, создание микроклимата для овощных культур и устойчивости растений к давлению капель дождя
Для определения фактического диаметра капель использовалась методика, предложенная В.Д. Ворковым [48, 79]. Согласно данной методике капли тарируют на бумаге с помощью капельницы, в комплект которой входит медицинский шприц с набором игл, закрепленных в штативе проволочкой для съема капель и микроскоп с делениями через 0,1 мм.
Величина капель дождя определялась в следующих местах: первых каплях на переднем крае, в середине полосы и на заднем крае движущейся полосы дождя (в начале, середине, конце струи) (табл. 4.1). Для обработки отбирались по 80-100 капель, всего 4548 капель.
Для сравнительного анализа были проведены исследования структуры дождя и диаметров капель дождевальной машины - аналога ДДА-ЮОВХ.
При создании микроклимата для овощных культур и давления искусственного дождя на растения были проведены полевые исследования, консольных дождевальных машин. Серийной ДДА-ЮОВХ и исследуемой ДКФ-1ПК с использованием насадок секторного действия, разработанных в «Рос-НИИПМ» при напоре воды сорок метров. Основным конструктивным отличием ДКФ-ШК от машины - аналога ДДА-ЮОВХ является возможность изменения высоты дождевальных крыльев над поверхностью орошаемого участка. Во время проведения опыта расход воды и средний диаметр капель у обоих ДМ принимался одинаковым. При проведении испытаний использовались основные требования и положения, изложенные в СТО АИСТ 11.1-2004 «Машины и установки дождевальные. Методы оценки функциональных показателей» [89]. На основании данных протоколов испытаний нами были проведены расчеты, в результате которых:
- представлена зависимость создания микроклимата над орошаемым
участком от высоты дождевального пояса для консольных дождевальных машин (рис. 4.2);
