Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние автоматизации орошения, водных ресурсов и использования их на рисовых системах в краснодарском крае 9
1.1 Оросительная норма и влияние недостатка или избытка воды на урожай риса 10
1.2 Водный режим почвы на рисовом чеке, методы его регулирования и регулирующая сеть рисовых систем 18
1.3 Автоматизация водораспределения и орошения риса 23
1.4 Способы автоматизированного регулирования первого и второго классов 24
1.5 Анализ технических средств автоматизации орошения на
оросительных системах S3
1.6 Выбор основных направлений исследований 45
Выводы по первой главе 46
2 Природные условия и методика теоретических и экспериментальных исследований 47
2.1 Климатическая характеристика района проведения исследований 47
2.2 Теоретические исследования 49
2.3 Лабораторные исследования 49
23 Л Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход 49
2.3.2 Установление гидравлических параметров модели автомата сифонного типа с подвижным гребнем при изменяющейся длине трубопровода 50
2.4 Динамика водопотребления риса 53
2.5 Производственные полевые испытания 54
2.6 Гипсометрические исследования 56
Выводы по второй главе 58
3 Теоретические исследования 59
3.1 Анализ гидравлической теории сифонов 60
3.1.1 Коэффициент расхода сифона 71
3.2 Уравнение расхода сифона при условии подвижного гребня 73
3.3 Манометрическое условие для нормальной работы сифона с подвижным гребнем 76
3.4 Вывод уравнения расхода сифона при его работе в безвакуумном режиме 78
Выводы по третьей главе 82
4 Результаты экспериментальных исследований... 84
4.1 Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход
84
4.1.1 Изменение расхода при неизменной длине трубопровода 84
4.1.2 Изменение расхода при изменяющейся длине трубопровода.. 85
4.2 Влияние положения трубы гребня сифона на режим работы автомата 86
4.3 Влияние падения уровня воды в оросителе на расход гидроавтомата 88
4.3.1 Динамические характеристики модели гидроавтомата 89
4.4 Производственные испытания и исследования чекового гидроавтомата 91
4.5 Надежность работы автомата 97
4.6 Гипсометрические исследования 100
Выводы по четвертой главе 103
5 Экономическая эффективность гидроавтомата. 105
Общие выводы 109
Рекомендации производству ill
Список использованных источников
- Водный режим почвы на рисовом чеке, методы его регулирования и регулирующая сеть рисовых систем
- Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход
- Уравнение расхода сифона при условии подвижного гребня
- Влияние положения трубы гребня сифона на режим работы автомата
Введение к работе
Актуальность темы. Зональная технологическая карта возделывания риса включает в себя 57 операций, из которых 3 выполняются вручную и все они приходятся, в основном, на процессы водопользования и водораспределения, т.е. регулирования слоя воды в чеках. Доля ручного труда в общих затратах составляет 41%. Эти работы выполняют поливальщики, потребность в которых в Краснодарском крае удовлетворяется на 33,5%. В связи с острым дефицитом кадров нагрузка на них в последние годы возросла с нормативных 40 до 80-100 га, а в отдельных хозяйствах в зоне Приазовских плавней до 120-150 га и более. В этих условиях агротехнически заданный режим орошения, доля вклада которого в урожай составляет 33%, не соблюдается, урожайность риса снижается, а непроизводительные потери оросительной воды возрастают.
Одним из направлений, способных решить возникшую проблему, является переход с ручного на автоматизированное управление водными ресурсами при орошении риса. Мелиоративная наука вопросами автоматизации занимается давно, но, к сожалению, не достаточно успешно по двум причинам: 1) рисовая поливная карта по своей конструкции водовыпусков представляет собой своего рода автомат, способный поддерживать на рисовых чеках заданный шандорка-ми слой воды. Однако он имеет серьезный недостаток - значительный (3-5 тыс. м3/га и более) перерасход оросительной воды, что в условиях нарастающего ее дефицита недопустимо; 2) отсутствие платы за воду, в связи с чем мотиваций для экономии воды и, как следствие, внесения затрат на автоматизацию, у производственников не имеется. Работа выполнена в соответствии с планом НИР института по теме: № 08.06.01.01 "Разработать методы рационального использования оросительной воды на рисовых системах в условиях дефицита водных ресурсов".
Цель работы: Совершенствование водопользования на рисовых оросительных системах с применением гидроавтоматов сифонного типа, отличаю-
щихся простотой конструкции, отсутствием металлических деталей и низкой ценой их изготовления и монтажа, что в условиях рыночных отношений имеет важное значение.
Задачи исследований: 1)на основе анализа известных конструкций гидроавтоматов выбрать наиболее отвечающую поставленной цели; 2) разработать модель самозаряжающегося автомата сифонного типа с подвижным пластмассовым гребнем и провести лабораторные гидравлические исследования; 3)определить параметры положения гребня, поплавка и ограничительной планки, обеспечивающие зарядку и разрядку сифона;
4) установить расходные характеристики автомата и условия вакуумного
безаварийного режима и уточнить его конструкцию;
провести производственные испытания автомата, оценить его надежность и точность поддержания им заданного слоя воды в течение всего поливного периода;
провести анализ рабочих напоров на рисовых оросительных системах Кубани для обоснования и типизации размеров гидроавтомата;
7) рассчитать экономическую эффективность гидроавтомата и определить
срок окупаемости устройства.
Объект исследования — чековый самозаряжающийся гидроавтомат сифонного типа с подвижным гребнем.
Предмет исследования - функциональные связи, определяющие зависимость пропускной способности (расхода) от напора, геометрические параметры автомата и коэффициенты расхода.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Основу теоретических исследований составляли уравнение Бернулли и законы гидравлики. При математическом моделировании использованы основы подобия физических и математических процессов. Экспериментальные исследова-
ния проводились со строгим соблюдением принципа единственного различия, измерения расходов осуществляли объемным методом с хронометражем. Точность учета ±0,1 л/си ±1 сек.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается адекватностью масштабных физических моделей и натурного образца, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов и результатами производственных испытаний гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем.
Научная новизна - впервые разработана гидравлика самозаряжающихся сифонов с подвижным гребнем, когда движение последнего синхронно с колебаниями уровня воды в нижнем бьефе (чеке).
При этом установлено:
расход сифона не зависит от высоты подъема гребня;
зарядка сифона производится самопроизвольно, разрядка - принудительно с помощью ограничительной планки;
величина расхода изменяется по закону трубчатых сифонов
Q = jucu-yJlgH при работе полным сечением, а после разрядки — по закону водослива практического профиля Q = mb^jlg Л-1'5.
Практическая ценность работы. Разработанная конструкция чекового гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем позволяет экономить оросительную воду, повышает нагрузку на поливальщика, обеспечивает достаточно высокую точность поддержания заданного агротехнически слоя при надежности работы 0,98-0,99, установка гидроавтомата на чеке не требует переустройства водовыпуска. В связи с изложенным он может быть эффективно использован на рисовых оросительных системах Российской федерации.
Положения и результаты, выносимые на защиту: 1 .Гидравлика самозаряжающихся сифонов с подвижным гребнем.
'#
*!
2.Манометрическое условие нормальной (в вакуумном режиме) работы сифона,
обеспечивающее максимальный расход автомата. 3.Конструкция устройства для срыва вакуума и, как следствие, разрядки сифона. 4.Динамика эвапотранспирации в течение вегетационного периода риса. 5.Вероятностная модель статистического распределения напоров на рисовых оросительных системах Кубани.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на оро-
* сительно-производственном участке ВНИИ риса, где устанавливались опытные
образцы автомата сифонного чекового с подвижным гребнем (2003-05 гг.).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку специалистов на научно-практических конференциях: "Научное обеспечение агропромышленного комплекса" (Краснодар, 2003), "Совершенствование систем земледелия в различных агроландшафтах Краснодарского края" (Краснодар, 2004) и Всероссийской научно-практической конференции "Развитие инновационных процессов в ри-соводстве - базовый принцип стабилизации отрасли" (Краснодар, 2005).
Водный режим почвы на рисовом чеке, методы его регулирования и регулирующая сеть рисовых систем
Водный режим почвы рисового чека - аккумуляция воды в слое и на поверхности почвы - формируется под действием приходных и расходных составляющих водного баланса [7; 14; 15; 34; 39].
В общем случае поступление воды в чек и её отток из чека определяется действующими на сооружении перепадами уровней и размерами сооружений. Испарение воды зависит от складывающихся на поле метеорологических условий, площади чека и глубины слоя на поверхности почвы. Транспирация воды определяется густотой стояния, возрастом растений и метеорологическими условиями [4; 15; 39; 125].
Процесс выклинивания внутрипочвенных вод, как показали исследования по формированию водного режима почвы рисового чека, определяются: струк 19 турой подстилающих почвогрунтов; глубиной наполнения чеков и русел ороси-тельно-сбросной сети; конструктивными параметрами рисовых карт и продолжительностью эксплуатации рисовой оросительной системы [15; 39; 88; 108; 109].
Фильтрация и боковой отток в сбросную сеть или же в нижние по расположению чеки определяются теми же условиями, что и выклинивание внутри-почвенных вод, но процесс фильтрации снижается как от начала к концу оросительного периода, так и с длительностью эксплуатации рисовой системы. В первом случае снижение вертикальной фильтрации обусловлено образованием воздушной пленки на поверхности почвы и кольматациеи ее верхних слоев, а во втором тем, что при длительной (более 3-х лет) эксплуатации рисовых чеков в подпахотном горизонте почвы на глубине от 0,25 до 0,35 м образуется плотная бесструктурная прослойка (глеевый горизонт) мощностью от 0,3 до 0,4 м, скорость фильтрации воды через которую в десятки раз меньше, чем через пахотный горизонт [39;47; 93; 108]. Образовавшаяся прослойка служит водо-упором, достигнув который профильтровавшаяся вода аккумулируется в почве и образует горизонтальный поток, который движется в направлении сбросной сети и нижерасположенных чеков [14; 39; 107].
Подача воды из оросительной сети в чек осуществляется через водозаборное сооружение. Целесообразно, чтобы его расход превышал расходы на впитывание воды в почву и испарение: чем больше скорость струи подаваемой воды и фронт её движения, тем быстрее проходит образование слоя на поверхности почвы и тем меньше объемы воды, которые расходуются на это [39; 88].
Схема формирования водного режима чека. На основании изложенного можно сделать вывод, что водный режим почвы на рисовом чеке (рисунок 1.2) является продуктом технологического процесса водообеспечения, прохождение которого во времени отражает наполнение или опорожнение емкости чека. Поэтому основной гидравлической характеристикой рисового чека при формировании водного режима почвы следует считать изменение во времени количества воды, содержащейся в почве, а также глубины слоя затопления её поверхности.
В процессе эксплуатации рисовых оросительных систем при орошении риса затоплением выделяют периоды создания слоя воды и поддержания его. В период создания слоя основные объемы воды расходуются на насыщение почвы и затопление чека. Для поддержания созданного слоя, который непрерывно расходуется на испарение, транспирацию, фильтрацию, подача воды из водо-выпуска должна быть такой, чтобы она компенсировала эти потери. В этом случае исключается сброс воды с чека. Этот прием в настоящее время выполняется вручную поливальщиком [39; 88; 90].
Однако установление точной величины расхода затруднено, в связи с чем осуществляется периодическое компенсационное пополнение расходуемых объемов, зависящее от интенсивности испарения, транспирации, фильтрации.
Исследования на Афипской рисовой системе показали, что на одной и той же поливной карте суточное срабатывание слоя на возвышенных чеках достигало 5 см, а в пониженных даже без подачи воды наблюдалось увеличение слоя, вследствие чего приходилось сбрасывать излишки. Такая разница объясняется различной величиной и направлением фильтрационных потоков. В частности, пониженные чеки подпитываются со стороны оросителя и соседних более высоких чеков. Поэтому поддержание режима орошения периодическим поливом является очень трудоемкой задачей, так как поливальщик должен ежедневно на каждом чеке менять водоподачу, уравнивая ее с водопотреблением [107].
Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход
Экспериментальные данные получены в условиях полевых опытов и производственных испытаний гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем, которые проводились на оросительно-производственном участке ВНИИ риса, расположенного в пос. Белозерном на западе от г. Краснодара.
Климат региона проведения опытов в значительной степени определяется географическим положением: близостью Азовского и Черного морей на западе, высокими хребтами на юге, открытостью территории с севера и северо-востока для холодных потоков воздуха с Восточно-Европейской равнины. Теплообес-печенность района высокая, сумма эффективных температур выше 10С достигает 3400-3800С и выше 15С - 2900-3000С, гидротермический коэффициент составляет 0,9-1,3. Наиболее благоприятные температуры для прорастания риса - устойчивый переход через 15С - наблюдаются с начала мая. Лето жаркое, среднемесячная температура июля +22...+24С, но в отдельные дни может достигать +38...+40С. Насчитывается около 90 дней со среднесуточной температурой выше +20С.
Район проведения исследований характеризуется умеренным увлажнением, за год выпадает 600-700 мм осадков, коэффициент увлажнения составляет 0,25-0,30. За период активной вегетации растений риса выпадает большая часть осадков - 250-400 мм. Относительная влажность воздуха обычно в это время не превышает 70 %. Общее число дней с суховеями достигает 50-75, однако за вегетационный период наблюдается в среднем 5 дней с интенсивными ветрами. Следует отметить, что наибольшее число дней с суховеями отмечается в конце июля, начале августа, что крайне неблагоприятно для риса, так как обычно в это время происходит цветение и налив зерна [1]. Таким образом, в целом кли мат региона характеризуется умеренной континентальностью, мягкой зимой, длительным вегетационным периодом, умеренным количеством осадков, т.е. позволяет возделывать такую теплолюбивую культуру как рис.
Исследования проводились в 2003-04 гг. Погодные условия, наблюдаемые за период вегетации растений риса, несколько различались между собой в отдельные годы (таблица 2.1).
Вегетационный период 2003 г. отличался пониженными температурами июня и сентября, зато в мае и августе было отмечено значительное превышение средних многолетних температур. Наиболее близкими к средним многолетним были температуры 2004 г., в котором проводилось сравнение урожайности автоматизированного и неавтоматизированного чеков. Май 2003 г. отличался полным отсутствием осадков в течение всего месяца, зато в июле было зафиксировано значительное превышение средних многолетних осадков.
Таким образом, несмотря на то, что метеорологические условия в годы проведения полевых экспериментов были разными, достаточно высокие суммы эффективных температур и благоприятные величины относительной влажности воздуха позволяли получить достоверные результаты исследований.
Все известные методики расчета сифонных водосбросов, разработанные для сифонов различных конструкций, рассматривают сифон неподвижным. Условия, когда его гребень перемещается в вертикальной плоскости, и его положение изменяется, нигде ранее в гидравлической теории не рассматривались. Методики инженеров О.В. Вяземского, И.М. Нелидова и В.И. Туманяна, которые наиболее полно рассматривают процессы, проходящие внутри сифона, были приняты, как базисные для теоретических исследований [17; 116; 141]. Исследования включали в себя как анализ теоретических положений, так и разработку методики расчета сифонных водосбросов, учитывающей влияние подъема гребня и увеличение длины трубопровода.
Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход Цель исследований - изучить влияние вертикального положения гребня сифона на его расход. В соответствии с этим поставлены следующие задачи исследований: - определить расход сифона при различных положениях гребня при постоянном уровне в оросителе; - при изменяющемся уровне воды в оросителе установить расход сифона при различных его положениях; - выявить влияние высотного положения гребня на расход сифона.
В соответствии с поставленными задачами была разработана методика исследований и смонтирована специальная лабораторная установка (Масштаб 1:32). Она представляла собой два бака, по 10 л каждый, соединенных между собой гибким шлангом о0,006 м и длиной 0,83 м. С помощью установки измеряли: 1) продолжительность полного опорожнения верхнего бака при различном поло жении шланга (рисунок 2.1): 1- горизонтальное; 2- шланг в точке 0 поднят на высоту 10 см; 3- то же 20 см; 4- то же 30 см; 5- то же 40 см; 2) время перелива заданного (10 л) объема воды при поддержании в первом баке постоянного уровня воды.
Уравнение расхода сифона при условии подвижного гребня
Применение автоматизации орошения в низшем звене рисовой оросительной системы всегда сталкивалось с проблемой низкой надежности устройств регулирования. Автоматы не выдерживали реальной производственной эксплуатации и их применение в производстве сводилось на нет. Поломки и отказы авторегуляторов приводили к перерасходу воды, нарушению водного режима растений риса и как, следствие, к потерям урожая, а надо еще учитывать средства, потраченные на автоматизацию водораспределения. Все вышеперечисленные негативные причины позволяют сделать вывод, что конструкция автомата должна сочетать в себе следующие достоинства: надежность, невысокая стоимость, достаточная точность.
В ходе исследований гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем было установлено, что самой уязвимой его частью является сопряжение гребня и патрубков. При движении гребня возникает опасность заедания и нарушения правильного функционирования автомата, расход будет подаваться, но соответствующий тому перепаду, на котором остановился гребень, это приводит к перерасходу воды и нерегулируемой работе гидроавтомата, а как следствие - к его поломке. Все случаи нарушений в работе автомата были отмечены до обработки смазкой внутренних поверхностей патрубков, после этой операции не было отмечено ни одного случая заедания гребня. Нами использовалась смазка ЛИТОЛ 24 по ГОСТ 21150-87.
Производственные испытания показали, что работа автомата проходит устойчиво в течение всего вегетационного периода, однако были отмечены при подъеме гребня в патрубках (вслед за поплавками) два случая заедания общей продолжительностью 3 час. 23 мин. Все время полива составило 2160 час. (90 суток).
Другие узлы гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем показали свою надежность в течение всего вегетационного периода и не потребовали ремонта или замены. То есть можно говорить о том, что надежность всего автомата будет соответствовать надежности работы гребня в патрубках.
Рассчитаем коэффициент эксплуатационной надежности по формуле (2.3). 2160-3,383 2160 Как видим, надежность гидроавтомата высока, но какое время он проработает гарантированно без отказов и заеданий нам неизвестно, для этого рассчитаем наработку на отказ. Интенсивность отказов гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем рассчитывается [75] по уравнению: Л = -; (4.2) где, п - количество отказов, п=2; Я = —?—= 0,00093 1/ч. 2160 Зная интенсивность отказов гидроавтомата рассчитаем наработку на отказ по следующей формуле: tH=\\ (4.3) Рассчитав данную величину, мы получим время, в течение которого гидроавтомат будет работать без заеданий сопряжения гребня с патрубками:
Следовательно, автомат будет безотказно работать 1075,3 часов, а затем вероятно заедание гребня в патрубках. Для того, чтобы данное явление свести на нет, необходимо проводить регулярно по инструкции технический уход в период эксплуатации.
Кроме того, необходим регулярный осмотр автомата, его периодичность определена экспериментально. Известно время отказов, расход сифона в данный момент, потери от испарения, фильтрации и эвапотранспирации. В момент нарушения работы гидроавтомат передавал расход на восполнение потерь на чеке и поддерживал постоянный уровень в 15 см. Потери, согласно источников [39], составляют 10 мм/сут, для чека площадью 3,56 га они равны 356 м /сут. Расход автомата равнялся 41,3 л/с при перепаде 0,126 м. Нарушение работы автомата произошло на данном перепаде и он выполняет неконтролируемую подачу воды на чек. С данным расходом гидроавтомат восполнит потери через 2 час. 23 мин. В дальнейшем будет идти рост слоя затопления до уровня в 25 см (максимально допустимого уровня) и автомат будет работать 25 час. 12 мин., чтобы достичь данной отметки. В течение 3-х суток перерасход воды может составить 6061,76 м3. Чтобы избежать столь негативных последствий заедания гребня в патрубках необходимо проводить осмотр автомата с периодичностью раз в 3 суток. Напомним, чтобы гарантированно обеспечить безотказную работу гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем, необходимо обработать внутренние поверхности патрубков полужидкой смазкой. В этом случае в ходе производственных испытаний не было отмечено ни одного нарушения в работе гидроавтомата.
После демонтажа автомата с чекового водовыпуска был проведен тщательный осмотр составных частей устройства и не было обнаружено повреждений и разрушений материалов, из которых они изготовлены. Автомат полностью готов к дальнейшей работе в следующем году и не потребует ремонта.
Производственные испытания доказали высокую эксплуатационную надежность гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем.
Влияние положения трубы гребня сифона на режим работы автомата
Наиболее часто встречаются перепады в 0,3 м, составляющие 31,87%, а перепады от 0,3 до 1 м 92,85% от их общего числа.
Таким образом, мы установили два типоразмера: 1 - для рабочих перепадов от 0,3 до 1,0 м; 2 - для рабочих перепадов свыше 1,0 м.
Высота автомата с диаметром гребня 200 мм и минимальным ходом в патрубках приставки 0,25 м составляет 1,215 м, а точка перелива сифона находится на высоте 1,01 м, что достаточно для рабочего перепада от 0,3 до 1,0 м. При этом не будет происходить перерасход материалов, а автомат может использоваться на 90% чеков рисовых систем Кубани.
В таблице 4.10. приведены основные размеры рабочих элементов автомата (рисунок 4.10) которые полностью отвечают параметрам современных рисовых систем и не требуют излишних затрат при их изготовлении.
1. В пределах изменения длины трубопровода до 0,5 м расходные характеристики изменяются незначительно и при работе сифона не образуются пары воды и растворенных газов.
2. Процесс зарядки сифона и режим его работы (полным или неполным сечением) напрямую зависит от потерь на чеке, чем они выше, тем больший расход воды подается сифоном и тем быстрее происходит процесс его зарядки.
3. Форсированные расходы подаваемые в чек в режиме первоначального затопления позволяют быстро реагировать на запросы растений риса и избежать потерь связанных с несвоевременной подачей воды. Кроме этого данное преимущество позволяет эффективней бороться с сорной растительностью обеспечивая высокую отзывчивость на агротехнические требования выращивания риса.
4. Интенсивность транспирации в основном зависит от количества стеблей, фазы развития растений, температурных условий. Транспирация максимальна в период выметывания - молочной спелости.
5. При работе автомата в течение всего вегетационного периода выдерживалась точность регулирования поддержания агротехнически заданного уровня воды, не было отмечено поломок автомата, а наибольший расход составил 107 л/с при напоре 0,546 м.
6. Исследования на засоряемость полости сифона показали высокую надежность в данном аспекте его работы на оросительной системе в течение всего периода вегетации.
Не всегда понесенные затраты окупаются повышением продуктивности сельскохозяйственной культуры и улучшением ее качества. С целью определения выгодности использования гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем на чековых водовыпусках посевов риса был проведен расчет экономической эффективности.
Основные экономические показатели, характеризующие результаты производственных испытаний гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем в качестве регулятора слоя воды на чеке приведены в таблицах 5.1-5.6 и рассчитаны в соответствии с методикой В.Н. Положия [86].
Из анализа их показателей следует: применение автомата сифонного чекового с подвижным гребнем (АСЧПГ) приводит к снижению трудоемкости на 51%, повышению производительности труда на 129%, улучшению качества регулирования слоя затопления, а также повышению эффективности использования воды на 22% и земли на 55%, что на 12% снижает себестоимость продукции и приводит к получению дополнительного чистого дохода в размере 4,6 тыс.руб/га в ценах 2005 года.
