Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы развития технических средств орошения садовых культур 10
1.1 Сравнительная оценка различных способов полива садовых культур 10
1.2 Основные направления совершенствования мобильных ирригационных комплектов 16
1.3 Обоснование конструктивных размеров кольцевых незамкнутых отводов и необходимой
глубины промачивания почвы 27
Выводы 31
2. Программа и методика исследований 32
2.1 Рабочая гипотеза и направление исследований 32
2.2 Природные условия объекта исследований 33
2.3 Методика организации и проведения экспериментов 39
3. Разработка и изучение конструкции мобильного ирригационного комплекта подкронового микроорошения садовых культур 47
3.1 Назначение, краткое техническое описание ирригационной установки и технологического процесса 47
3.2 Влияние конструкции кольцевых водовыпусков на формирование контура увлажнения. 61
3.3 Изучение параметров дефлекторных насадок в составе ирригационного комплекта 64
3.4 Закономерности распределения искусственного дождя по радиусу действия дефлекторных насадок 66
3.5 Гидравлические характеристики пластмассовых трубопроводов в составе комплекта 75
3.6 Результаты опытно-производственных испытаний мобильного ирригационного комплекта Выводы 87
4. Ресурсосберегающие технологии подкронового микроорошения садовых культур 89
4.1 Определение необходимой площади полива приствольного круга дерева 89
4.2 Режим орошения плодоносящего сада в условиях Московской области при использовании модульного комплекта подкронового микроорошения 92
4.3 Расчетный режим микроорошения садовых культур на основе метода водного баланса. 100
Выводы 110
5. Эколого-экономическое обоснование применения ирригационного комплекта 111
5.1 Факторы, определяющие экономическую эффективность и экологическую безопасность технологий микроорошения 111
5.2 Обоснование экологической безопасности применения КИПОС 118
5.3 Экономическая эффективность применения комплекта ирригационного подкронового микроорошения садов 122
Выводы 128
Заключение 129
Предложения к производству 130
Список литературы 132
- Основные направления совершенствования мобильных ирригационных комплектов
- Природные условия объекта исследований
- Закономерности распределения искусственного дождя по радиусу действия дефлекторных насадок
- Режим орошения плодоносящего сада в условиях Московской области при использовании модульного комплекта подкронового микроорошения
Основные направления совершенствования мобильных ирригационных комплектов
На эффективность орошения влияют такие факторы как вид культуры, форма и размер поля, наличие рабочей силы, распределение осадков, водообеспечен-ность, уровень управления, вид сельскохозяйственного производства и тип ирригационной системы. Эти факторы очень сильно варьируются в пространстве и времени и поэтому для оптимизации параметров систем орошения необходимо учитывать конкретные условия. При выборе технологии и техники орошения необходимо учитывать климатические, почвенные, геоморфологические, гидрологические, биологические, хозяйственные, водохозяйственные, экономические и другие факторы [1]. Оптимальные условия применения дождевальных установок - это соответствие между скоростью впитывания в почву и интенсивностью полива. Допустимая интенсивность (без стока и образования луж при заданной поливной норме) составляет для тяжелых почв 0,1-0,2 мм/мин.; средних 0,2-0,3 мм/мин.; легких 0,5-0,6 мм/мин. К участкам малого орошения относятся поля площадью от 1 до 50 гектар, в том числе и нестандартной конфигурации. Для того, чтобы внести ясность в понятие мелкоконтурных участков предлагается разделить их по площади на два типа:
Орошение применимо в районах неустойчивого естественного увлажнения (полузасушливая степная и полупустынная лесостепная зоны) малыми поливны 11 ми и оросительными нормами: на почвах с высокой водопроницаемостью, на маломощных почвах, подстилаемых сильноводопроницаемыми грунтами, на сильнопросадочных грунтах; при неблагоприятном сложном рельефе, на крутых склонах, при необходимости выполнения большого объёма планировочных работ, при очень слабо выраженном рельефе; при неглубоком залегании пресных грунтовых вод; при необходимости проводить освежительные поливы и бороться с заморозками; при ограниченных водных ресурсах; при наличии электроэнергии и дефиците или высокой стоимости рабочей силы. Качество полива зависит от интенсивности, а также объема выдаваемого в единицу времени (таблица 1.1) [3].
Мобильные ирригационные комплекты целесообразно применять при поливе любых культур на небольших участках неправильной конфигурации с большими уклонами, особенно при дешёвой рабочей силе.
Шлейфы применяют для полива главным образом садов и питомников на крупных массивах правильной вытянутой конфигурации, при сложном расчленённом рельефе и при уклонах до 0,05-0,08 [4]. Схожими в мобильных ирригационных комплектах является наличие разборного соединения у трубопроводов и их небольшая масса, а также применение физической силы поливальщика при перемещении оросительных трубопроводов с позиции на позицию.
Отличительными особенностями конструкций комплектов является использование различных дождевальных аппаратов (КИ -50, УДС - 25, Z - 50Д) или же дождевальных насадок (КДУ - 55М) в качестве устройства образующего дождь. Для мобильных ирригационных комплектов (МИК) с быстроразъёмными трубопроводами расход установки зависит от количества дождевальных аппаратов или насадок. При этом расстояние между ними может принимать различные значения. Это зависит от марки используемого дождевального аппарата или насадки, а так же от схемы посадки садовых культур и влияет на коэффициент эффективного полива. Так для данных установок характерно использование в качестве дождеоб-разующего устройства среднеструйных дождевальных аппаратов, в связи с чем, рабочее давление МИК всегда более или равно 0,4 МПа. Средняя интенсивность дождя у МИК с быстроразъёмными трубопроводами изменяется в ещё более узком диапазоне (0,21-0,28 мм/мин). Комплект подкронового орошения с дефлек-торными насадками работает на более низких напорах до 0,1 МПа [5].
В зарубежной практике разработаны и широко применяются мобильные ирригационные комплекты с переносными быстроразъёмными трубопроводами, для полива различных культур, в том числе и садов на мелкоконтурных участках и полях со сложной конфигурацией. Все многообразие этих установок базируется на принципе подачи воды от насосной станции к оросительным трубопроводам, на которых расположены дождевальные аппараты или дождевальные шлейфы. Эти дождевальные комплекты с широким диапазоном расхода - от 5 до 50 л/с для полива участков площадью от 5... 10 до 50...60 га. К таким установкам можно отнести мобильные ирригационные комплекты типа 7-50Д, концерна «Sigma» (Чехословакия) [5], оросительные системы «Хопалонг» и «Портагрид» фирмы «Wright Rain» (Великобритания) [6], многочисленные типы и модификации ирригационных комплектов фирм «Иррифранс» (Франция) [7], «Бауэр» (Австрия)[8], «Perrot Regnesban GmbH» (ФРГ) [9], «Ocmis Irrigazion», «Irriland» (Италия)[10], «Rainmatic Mobile Irrigator» (США) [11].
В практике отечественного сельского хозяйства применялись МИК Z-ЗОД, концерна «Sigma» (Чехословакия), а также были разработаны отечественные мобильные ирригационные комплекты КИ-50, КИ-25 и УДС-25, стационарные системы с дождеобразующими аппаратами ДД-30, которые нашли широкое применение в практике орошаемого земледелия, особенно широкое применение эти комплекты получили в высокорослых садах [12].
Как отмечается в иностранных публикациях, в частности М.С. Вашп, М.Е. Jensen, D.C. Larsen, К. Solomon [12-16] общей конструктивной особенностью комплектов передвижного дождевального оборудования является наличие распределительных быстроразъёмных трубопроводов и оросительных трубопроводов -«дождевальных крыльев» с установленными на них дождевальными аппаратами, насадками или, в данном случае, поливных колец. Значительное распространение получили полустационарные системы с открытой оросительной сетью. Тип оросительной системы определяется в основном природно-климатическими, хозяйственными и другими условиями. Выбор технических средств зависит от комплекса ландшафтно-экологических и организационно-хозяйственных факторов: климатических, почвенных, геоморфологических, рельефных, гидрогеологических факторов, водообеспеченности территории, состава культур, наличия трудовых, материальных, энергетических и информационных ресурсов [17-20]. Из климатических факторов наибольшее значение имеют степень увлажнённости территории, испаряемость, скорость ветра, обеспеченность территории водными ресурсами. Дождевание не рекомендуется применять при дефиците водного баланса более 400 мм, и скорости ветра более 5 м/с, в таких условиях будет целесообразно применение подкронового микроорошения [21]. Из почвенных факторов основное значение имеет скорость впитывания воды в почву, глубина промачивания и степень засоления. На применимость отдельных видов поливной техники влияние оказывает высота надземной части растений, ширина междурядий, водообеспе-ченность территории, размеры поливных участков.
Природные условия объекта исследований
После проведения исследований можно сделать вывод о том, как будет изменяться характеристика поверхности распределения дождя при работе насадок с перекрытием. В основе этого метода лежит принцип моделирования, согласно которому, зная эпюру распределения действительной интенсивности искусственного дождя вдоль радиуса полива дождевальной насадки - можно определить показания интенсивности в каждой точке сектора образованного дождевальной насадкой (в том числе и в точках расположения дождемеров). Следовательно, картина распределения интенсивности искусственного дождя по площади полива будет получена за счёт наложения различного количества секторов образованных работой каждой из дождевальных насадок.
Для определения потерь напора в быстроразборном трубопроводе комплекта КИПОС трубопровод был условно разделён на магистральный (транспортирующий) и распределительный (дождевальный шлейф). Так как в магистральном трубопроводе комплекта расход воды, подаваемый к распределительному трубопроводу, остается постоянным (при постоянном давлении), в случае же распределительных трубопроводов (поливного шлейфа) расход по его длине изменяется в зависимости от количества поливных колец, установленных по длине трубопровода. Для данного комплекта, длина дождевального шлейфа составляет 28 м, с установленными восьмью поливными кольцами через 4 м, а подвод воды от транспортирующего трубопровода осуществляется с середины поливного шлейфа. Длина транспортирующего трубопровода 0 75 мм - 202 м, на котором через 30,5 м установлены муфты с тройниками для подсоединения поливных шлейфов, а первая муфта с тройником установлена через 19,5 м. Таким образом, длина транспортирующего трубопровода изменяется по мере перемещения дождевальных шлейфов с позиции на позицию с интервалом 30,5 м.
Исследования, проведенные Тольцманом В.Ф. [86] показали, что гидравлическое сопротивление пластмассовых труб идентично сопротивлению гидравлически гладких труб, таким образом, сопротивление зависит только от числа Рей-нольдса. Обработка опытных данных подтверждает правильность такого вывода. Расчет величины гидравлического трения X по формулам для гладких труб дает хорошее совпадение с опытными данными.
Так как полиэтиленовые трубопроводы в значительной степени подвержены изменениям в горизонтальной и вертикальной проекциях зависящим от температуры окружающей среды и в большей степени от температуры пропускаемой воды, предлагается внести поправочный коэффициент на температуру воды в формулу ВНИИ ВОДГЕО. В результате аналитических преобразований формулы (3.13), была получена формула для расчета h{:
Если за эталон принять температуру оросительной воды t = 10 С, то, измеряя потери напора в метрах, расход воды в м /сек, внутренний диаметр трубопровода в метрах, для трубопровода длиной L = 100 м будем иметь численное значение а = 0,091. При температуре оросительной воды отличной от 10 С следует применять поправку, согласно таблице 3.11 равной 1.
По осредненным данным из таблицы 3.12 построен график зависимости потерь напора от расхода для ПНД трубопроводов рисунок 3.16, потери на местные сопротивления по результатам экспериментальных исследований принимаем равными 10%. По результатам расчётов и модификации формулы ВНИИ ВО-ДГЕО была повышена точность расчета потерь напора по длине трубопровода в зависимости от температуры воды на 13-15%.
Новизна работы заключается в том, что установлены закономерности изменения величины потерь напора в зависимости от конструктивно-компоновочной схемы ирригационного комплекта, протяженности и диаметра трубопроводов, расхода оросительной воды с учетом поправочного коэффициента на температуру воды для полиэтиленовых быстроразборных трубопроводов соединяемых муфтами разработанными и запатентованными
Полевые исследования мобильного ирригационного комплекта для подкро-нового микроорошения садовых культур проведены в ФГУП АПК "Непецино" Московской области. Установлены эксплуатационно-технологические показатели работы комплекта, проведена первичная техническая экспертиза, определены условия испытаний, получены основные агротехнические и эксплуатационно-технические показатели, составлен баланс времени работы агрегата при различной поливной норме, проведена эксплуатационно-технологическая оценка комплекта, а так же определены показатели безопасности и эргономичности конструкции на соответствие ГОСТов, проведена оценка надежности и заключительная техническая экспертиза работы комплекта.
Ирригационное оборудование подкронового микроорошения предназначено для равномерного различных садовых культур, питомников, декоративных деревьев, кустарников и растений агроландшафтов во всех зонах, где эффективно орошение. Ирригационное оборудование состоит из полиэтиленового распределительного трубопровода, который собирается из 6 метровых труб, соединенными проходными муфтами и муфтами с тройниками и шаровыми кранами. К тройникам муфт с двух сторон гибкими рукавами с быстросборными адаптерами подсоединены шлейфы, имеющие отводы с поливными кольцами (рисунок 3.17). Быстрота сборки-разборки трубопроводов обеспечивается конструкцией муфтового соединения (рисунок 3.18), состоящего из двухсторонней соединительной муфты, хомутов и скоб. Распределительный трубопровод включает 7 проходных муфт с тройниками (рисунок 3.19), расположенных через 30,5 м друг от друга (первый на расстоянии 19.5 м.), служащих для присоединения к ним дождевальных шлейфов. Тройник монтируется так, чтобы патрубки диаметром 32 мм были направлены в перпендикулярном направлении относительно направления распределительного трубопровода. На каждом дождевальном шлейфе (рисунок 3.20), через соединительные адаптеры на гибком шланге, подсоединяются поливные кольца, с расстоянием между ними 4 м. При этом подсоединение шлейфа осуществляется между 4 и 5 кольцом. В испытываемом образце комплекта применялись поливные кольца с отверстиями (рисунок 3.21) . Технологический процесс работы комплекта ирригационного оборудования осуществляется следующим образом. С помощью задвижки на распределительном трубопроводе, задаётся рабочее давление в зависимости от типа поливных колец. Полив осуществляется одним дождевальным шлейфом. После выдачи необходимой поливной нормы подачу воды перекрывают и переключают подачу воды на второй поливной шлейф. В период полива вторым шлейфом осуществляется перенос первого на следующую позицию. Аналогично осуществляется дальнейшая работа комплекта, что обеспечивает непрерывность процесса полива.
Закономерности распределения искусственного дождя по радиусу действия дефлекторных насадок
Результаты опытно-производственной проверки. Испытания проводились по принятым методикам машиноиспытательных станций (МИС). Агротехнические показатели при стендовых испытаниях определены по СТО АИСТ 1.11-2010 [93]. Техническая характеристика комплекта ирригационного подкронового микроорошения садовых культур представлена в таблице 1 Приложение Б.
Агротехнической оценкой установлено следующее (таблица 1, приложение Б). У незамкнутого кольцевого водовыпуска при давлении воды 0,15-0,2 МПа получен расход 0,42л/с. Суммарный расход воды поливным крылом, т.е. восемью кольцами, составляет 3,36л/с (от 3,0 до 4,0л/с по ТЗ и ТУ), при этом поливается площадь 0,11га (схема посадки 5 4м). Качество полива, как при ветре от 0 до 1,5м/с, так и до 4,6м/с, соответствует предъявляемым требованиям. Промачивание почвы на необходимую глубину в обоих вариантах также соответствует требованиям и составила от 0,5 до 1 м (до 1,2 м по ТЗ и ТУ). При усредненных показателях потери воды на сток и испарение получены при ветре до 1,5м/с - 14%, при ветре до 4,6м/с - 18%. Агротехнические показатели при стендовых испытаниях определены по ОСТ 10 11.1-2000 [62]. Условия испытаний, а так же агротехнические показатели при полевых и стендовых испытаниях представлены в таблицах 2,3,4 Приложение Б.
Анализ результатов эксплуатационно-технологической оценки - эксплуатационно-технологическая оценка комплекта ирригационного оборудования для подкронового орошения садов проведена на поливе сада в ФГУП АПК "Непеци-но" Эксплуатационно-технологическая оценка проведена по ГОСТ 24055-88, ГОСТ 24057-88 [96]. Получены значения рабочей длины, рабочей ширины захвата установкой, производительность за 1 час эксплуатационного времени(0,078-0,040), сменного времени (0,079-0,040), основного времени (0,086-0,043), для раз-личного значения поливной нормы, а именно 300м /га и нормы 600м /га. (таблица 5, приложение Б).
Проведена оценка баланса времени при работе комплекта подкронового микроорошения садовых культур для различной поливной нормы 300м /га и 600м /га, получены трудозатраты по всем видам работ: эксплуатационные - 14 чел/ч.; оперативная трудоемкость монтажа - 1,98 чел/ч.; трудоемкость демонтажа в конце сезона - 2,08 чел/ч. обеспечивающие снижение эксплуатационных затрат на 30% по сравнению с аналогами, такими как УДС-25, Роса-3, ДД-30. Расчёты баланса времени сведены в таблицу 6 Приложение Б.
Проведенная проверка комплекта ирригационного подкронового микроорошения садов (КИПОС) по безопасности и эргономичности конструкции в соответствии с ГОСТ 12.2.002-91 Система стандартов безопасности труда. Техника сельскохозяйственная. Методы оценки безопасности. - М.: Издательство стандартов, 1991 [95]. Оценка безопасности и эргономичности конструкции комплекта проведена в соответствии с ГОСТ 12.2.003-91 [96]. Оборудование проверялось на соответствие ГОСТ 12.2.003-91, ГОСТ 27388-87 [97]. Проведена оценка таких показателей как: удобство и безопасность обслуживания, усилия необходимые для обслуживания, общие требования безопасности, требования к системе управления и защиты, и др. (таблица 7, приложение Б). Анализ результатов испытаний по оценке безопасности и эргономичности - оценкой безопасности и эргономичнсти конструкции комплекта ирригационного оборудования КИПОС установлено: конструкция комплекта обеспечивает легкость и простоту сборки-разборки без применения значительных усилий; конструкция комплекта обеспечивает безопасность обслуживающего персонала; доступ к узлам и деталям комплекта для обслуживания и ремонта обеспечен;
Рабочий режим технического средства во время эксплуатации и качество производственного процесса, определяет его надежность. Развитие современных технических средств орошения характеризуется значительным увеличением их сложности Технические средства для полива садов, такие как комплект подкроно-вого орошения представляют собой комбинацию устройств, различной степени надежности, что в совокупности образует сложную систему. Надежность такой системы - это свойство выполнять заданные функции сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. Надежность представляет собой комплексное свойство, сочетающее в себе понятия работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности [98-101]. Основным периодом эксплуатации системы является период применения по назначению. В этот период происходит наибольшее количество отказов системы и выходов из строя ее элементов [98, 99]. Обычно в практике проведения расчетов надежности строятся структурные схемы на основе логического инженерного анализа принципов работы системы с учетом функционального назначения и взаимодействия ее элементов [100].
Исходным данными для расчета надежности могут быть: априорные данные о надежности объектов-аналогов, составных частей и комплектующих изделий рассматриваемого объекта по опыту их применения в аналогичных или близких условиях. Расчетные и/или экспериментальные оценки параметров нагруженно-сти примененных в объекте составных частей и элементов конструкции [100,101].
Существует также различное количество факторов влияющих на надежность работы таких видов оборудования как садовый комплект подкронового орошения. Эти факторы условно можно разделить на объективные и субъективные, подробнее представлены на рисунке 3.22.
Режим орошения плодоносящего сада в условиях Московской области при использовании модульного комплекта подкронового микроорошения
1. Обоснованы направления совершенствования технических средств микроорошения, направленные на: уменьшение материалоёмкости оборудования и снижение трудоёмкости полива, повышение равномерности распределения поливной воды и упрощение конструкции быстроразъёмных соединений.
2. Разработанный мобильный ирригационный комплект микроорошения садовых культур (патент РФ №112596) на основе модульного принципа компоновки позволяет реализовывать технологию орошения на участках сложной конфигурации, при высоком агроэкологическом качестве полива. Получены закономерности распределения искусственного дождя по радиусу действия дефлекторной насадки, коэффициент равномерности полива составил 0,75-0,8.
3. Экспериментальные и расчётные параметры контуров увлажнения и площадей смоченного периметра позволили установить характеристики распре деления поливной воды и выполнить теоретическое обоснование геометрических, технологических и гидравлических параметров кольцевых водовыпусков. Что по зволило произвести расчёт размеров кольцевых водовыпусков необходимые для формирования контура увлажнения, позволяющего наиболее эффективно исполь зовать воду основной массой корневой системы плодовых культур.
4. Установлены закономерности распределения потерь напора по длине по лиэтиленового быстроразборного трубопровода, позволившие модифицировать формулу ВНИИ ВОДГЕО с введением поправочного коэффициента, учитываю щего фактическую температуру воды с изменением его величины 1,081-0,902, обеспечивающего установление оптимальных гидравлических параметров для ра боты комплекта и повысить точность расчета потерь напора на 15%.
5. Определены рациональные технико-эксплуатационные характеристики комплекта, обеспечивающие высокую эффективность его применения в том чис ле: коэффициент использования эксплуатационного времени составил 0,94, коэф фициент надёжности технологического процесса - 0,99, производительность за 1 час эксплуатационного времени 0,3 га, максимальный напор воды на входе со ставляет 0,1-0,15МПа, расход воды одним шлейфом 4 л/с, площадь полива с од 130 ной позиции одним поливным шлейфом составляет 0,11 га, продолжительность полива на одной позиции - 0,5-2,5 час. Что по сравнению с другими аналогами ДД-30, Роса-3, УДС-25 увеличивает эффективность его применения на 28-30%.
6. Усовершенствована методика расчета проектных и эксплуатационных режимов орошения, а так же определения суммарного испарения при реализацции технологий микроорошения плодоносящего яблоневого сада. После введения поправочного коэффициента учитывающего закономерность изменения зоны концентрации основной массы корневой системы плодовых культур от степени использования площади питания под влиянием возрастного цикла развития многолетних культур, точность расчёта режимов орошения повышается на 20-25%.
7. Внедрение разработанной технологии микроорошения в Московской области, обеспечила: прирост чистого дохода - 264,84 тыс. рублей; индекс доходности инвестиций (ИДД) составил - 1,82; внутренняя норма доходности - 73,8%; простой срок окупаемости -1 год; срок окупаемости с учетом дисконта - 2 года. Расчеты показали, что капитальные затраты на установку комплекта микроорошения составляют 46, 10 тыс. руб./га, это в 1,5-2 раза ниже чем капитальные затраты на системы капельного орошения. По сравнению с поверхностным системами орошения, эколого-экономический эффект формируется за счет повышения урожайности яблок на 20-25 %%, снижения затрат ручного труда и экономии водных ресурсов на 30-50 %.
1. При выращивании плодово-ягодных культур на мелкоконтурных земельных участках, которые характеризуются сложной конфигурацией, особенностями рельефа, наличием различных препятствий (мелколесье, дороги, линии электропередач и прочие препятствия) внедрять разработанные технологические модули подкронового микроорошения садов, с целью повышения урожайности и экономии водно-энергетических ресурсов в орошаемом садоводстве.
2. При проектировании мелкоконтурных участков орошения садов рекомендуется применение разработанного типового технологического модуля микро 131 орошения и методик расчета гидравлических, технико-эксплуатационных параметров и режимов орошения.
3. При эксплуатации технологического модуля микроорошения садов необходимо строго выполнять исходные требования, технические условия? методические рекомендации и инструкцию по эксплуатации, обеспечивая нормативные параметры технологического процесса и режимы работы в соответствии с требованиями охраны окружающей среды.
Перспективы дальнейшей разработки темы - адаптировать результаты исследований к условиям засушливой степной зоны и разработать технологию и технические средства микроорошения для рационального применения ирригационного комплекта на площадях до 50 га, основанную на модульном принципе компоновки; - уточнить изменение геометрических и гидравлических параметров кольцевого водовыпуска, в зависимости от развития корневой системы растения.
