автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии локально-импульсного орошения для многолетних насаждений

б

На правах руко

005015774

РАКУШИНА Олеся Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНО-ИМПУЛЬСНОГО ОРОШЕНИЯ ДЛЯ МНОГОЛЕТНИХ НАСАЖДЕНИЙ

Специальность 05.20.01. — Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 1 (]

-С «¿.

Москва-2012 г.

005015774

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Кожевникова Наталья Георгиевна

Официальные оппоненты: Кирсанов Владимир Вячеславович,

доктор технических наук, профессор, Россельхозакадемия, ученый секретарь

Храброе Михаил Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова», отдел мелиорации земель, заведующий лабораторией

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский селекционно-

технологический институт садоводства и питомниководства» Россельхозакадемии

Защита состоится 28 мая 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 ФГБОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ. Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

м

А.Г. Левшин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшей социально-экономической задачей населения нашей страны является сбалансированное питание, составляющим которого является потребление плодов и ягод. Научно обоснованная норма потребления свежей плодово-ягодной продукции составляет 70 кг в год. В настоящее время, садоводство РФ не удовлетворяет потребности населения в плодово-ягодной продукции и не превышает 25-30% из расчета на душу населения.

Необеспеченность внутреннего рынка плодово-ягодной продукцией дает возможность заполнять его импортом, который в потребительской корзине составляет 65-70%..

В Федеральной целевой программе "Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы и на период до 2013 года" предусмотрено мероприятие по реконструкции оросительных систем, в том числе и для многолетних насаждений.

Ирригация более 50 % территории, занимаемой многолетними насаждениями, осуществляется дождеванием. При орошении дождеванием происходит несоответствие между интенсивностью водоподачи и впитывающей способности почвы.

Для предотвращения этих последствий необходимо отдавать предпочтение водосберегающим технологиям, к которым относится: внутрипочвенное орошение, микродождевание, аэрозольное и капельное орошение.

Главным преимуществом этих водосберегающих технологий орошения по сравнению с поверхностным орошением и дождеванием является дозирование поливных норм в соответствии с водопотреблением растений за межполивной период. Поэтому работы по созданию и совершенствованию технологии способов малообъемного орошения актуальны.

Одним из наиболее перспективных способов орошения является локально-импульсное орошение, которое является разновидностью капельного. Совершенствование этого способа орошения позволяет повысить качество полива за счет экономии воды и как следствие обеспечить экономию денежных средств.

Цель исследований - разработка подкронового водораспределителя, обеспечивающего более направленную подачу воды в корнеобитаемую зону плодовых деревьев.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ способов орошения многолетних насаждений;

теоретически обосновать параметры водораспределителя, характеризующие капельный характер истечения воды на поверхность почвы;

экспериментально определить влияние конструктивных параметров распределителя на характер истечения воды на поверхность почвы; разработать конструкцию подкронового водораспределителя; оценить экономическую эффективность подкронового водораспределителя.

Научная новизна.

Получена аналитическая зависимость расхода жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения.

Практическая значимость работы заключается в разработке программ для ЭВМ "Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения" (свидетельство № 2011615010) и "Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю" (свидетельство № 2011614733). Предложено новое (на уровне изобретения № заявки 2011127936) устройство для подкронового распределения оросительной воды. Применение подкронового водораспределителя для технологии локально-импульсного орошения позволяет повысить качество полива за счет экономии оросительной воды и обеспечивает годовую экономию денежных средств более 42 тыс. руб. Реализация результатов исследований:

- в ООО "Одоевские сады" (Тульская обл.);

- ГНУ СКЗ НИИ ГПС (г. Нальчик).

Апробация работы. Основные результаты исследований по работе докладывались на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ: "Актуальные проблемы агроинженерной науки" (2005 г.), "Агротехинновации в АПК" (2006 г.), "Современные проблемы технического сервиса в АПК" (2007 г.), "Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии" (2010 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: результаты исследований способов орошения многолетних насаждений; конструктивно-технологическая схема подкронового

водораспределителя;

аналитическая зависимость определения расхода жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения;

оптимальные конструктивные параметры подкронового водораспределителя, обеспечивающие капельный характер истечения воды на поверхность почвы.

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе в трех журналах перечня ВАК. В настоящее время в патентном ведомстве РФ рассматривается заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, библиографии и приложений. Работа содержит 131

страницу, 23 схем и рисунков, 29 таблиц, список литературы из 97 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, ее важное народнохозяйственное значение, раскрыта общая характеристика работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса, цель и задачи исследования" приведены результаты анализа способов орошения многолетних насаждений и устройств распределения оросительной воды.

Результаты исследований В.И. Водяницкого, М.С. Григорова, К.В. Губера, М. Г. Журба, В.И. Канадров, А.Н. Костякова, И.П. Кружилина, Г.В. Ольгаренко, М.И. Ромащенко, Н. В. Скрипчинская, A.A. Терпигорьева, М.Ю. Храброва, Ю.Г. Шейнкина, O.E. Ясониди показали, что при использовании систем малообъемного орошения, снижение расходов воды составляет 20 — 80 % по сравнению с дождеванием и поверхностным орошением. Величина этой экономии зависит от климатических условий, вида насаждений, типа почв, технических характеристик самой системы орошения.

Одна из существующих проблем малообъемных способов орошения — это нарушение распределения оросительной воды на поверхность почвы.

Наиболее перспективными способом орошения является локально-импульсный способ орошения, который может осуществляться системой "МИЛОС", разработанной в ФГНУ ВНИИ "Радуга".

Основными достоинствами этой системы являются адресная подача воды и возможность регулировать поливную норму в требуемом диапазоне расхода в зависимости от конкретных условий (вид культуры, тип почвы и др.).

Основными недостатками системы "МИЛОС" являются:

- локализованный, в одной точке подвод оросительной воды, распределение влаги в почве не соответствует пространственному расположению и росту корней растений, что не обеспечивает равномерное распределение поливной воды в почве корнеобитаемого слоя;

- неудобство расположения водовупусков на поверхности почвы при проведении работ по уходу за почвой и растениями.

В результате проведенного анализа способов малообъемного орошения составлена классификация способов малообъемного орошения многолетних насаждений и устройств распределения воды на поверхность почвы (рис.1).

Рисунок 1 - Классификация способов орошения многолетних насаждений и устройств распределения оросительной воды

Во второй главе "Теоретическое обоснование распределения воды при капельном характере истечения из отверстий распределителя на поверхность почвы" для обоснования оптимальных параметров распределения воды на поверхность почвы использованы способ анализа размерностей и теорема "пи". Цель проведения исследования - получить аналитическую зависимость расхода воды от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения.

Учитывались следующие допущения:

1) изменение массы жидкости происходит непрерывно;

2) касательные напряжения на свободной поверхности объема жидкости,

граничащей с газовой фазой, отсутствуют;

3) истечение происходит в атмосферу;

4) движение объема жидкости установившееся;

5) жидкость несжимаемая.

Проанализируем движение объема вязкой жидкости, который образуется в результате слияния капель, находящаяся на гладкой поверхности под углом к горизонту а (рис. 2).

Рисунок 2 - Расчетная схема движения объема жидкости

Рассмотрим участок 1-2 - I -2 . Предположим, что в результате слияния капель образовался объем жидкости А, массой т. Допустим, что объем жидкости А приходит в движение под воздействием силы тяжести. Так как поверхность находится под углом к горизонту а, то в процессе движения, этот объем жидкости приобретает ускорение а. Также, происходит изменение массы данного объема, вследствие прилипания некоторого объема, массой Дт к поверхности и слияния Дтхс другой, последующей каплей. Масса объема жидкости А становится равной т^

Предположим, что объем жидкости, за промежуток времени со скоростью движения v переместилась на расстояние Так как, данный объем жидкости движется с ускорением а, то его скорость движения изменяется на ¿V. Движение объема жидкости А по наклонной поверхности продолжается до тех пор, пока, на своем пути, он не встречает препятствие В. Встретив его, допустим, что происходит удар объема жидкости о поверхность препятствия, которая расположена перпендикулярно гладкой наклонной поверхности. Скорость движения объема становится равной нулю. Из-за воздействия силы взаимодействия (сцепления) молекул между твердой поверхностью и жидкостью, объем жидкости А прилипает к поверхности препятствия. Воздействие силы тяжести приводит рассматриваемый объем жидкости в движение. Перемещаясь по пути, равному высоте препятствия, масса всего объема жидкости А уменьшается. Оставшийся объем, пройдя путь, равный высоте препятствия, отрывается и падает на почву.

Изменение массы жидкости А, вследствие прилипания жидкости к поверхности и слияния со следующими каплями:

т1—т — А т + Ат1, (1)

где т - масса движущейся жидкости, кг.

Определим изменение кинетической энергии массы жидкости А, переместившейся из положения 1-2 в положение / -2. Изменение кинетической энергии будет равно разности кинетических энергий объемов в этих положениях. Кинетическая энергия определяется по формуле:

^КИН ~ 2 '

м

где v - скорость жидкои массы,-.

Используя эту зависимость для объемов 1-2 и / -2, получаем:

F -лп

&кин 1-2 — 2 ' ^ -1

(4)

По теореме об изменении кинетической энергии, которая гласит -изменение кинетической энергии на некотором пути равна полной работе всех сил на этом пути:

£кин1-2 _ £кин1'-2' - > (5)

— полная работа всех сил на пути dl.

На перемещающийся объем жидкости, с учетом допущений, действуют следующие силы: сила тяжести, сила вязкого трения, сила поверхностного натяжения, сила взаимодействия молекул. В данном случае

= -^тяж ~ ^тр + ^п.н. ■ (6)

Работа силы тяжести данного объема жидкости равна:

¿тяж = W = mxgsinadl , (7)

где д — ускорение свободного падения,—.

Работа сил вязкого трения с учетом изменения массы равна:

Лтр = (8)

где /и — динамический коэффициент вязкости, Па ■ с;

S - площадь поверхности соприкасания жидкости и твердой поверхностью, м2-,

dv

— — градиент скорости, с \

Работа силы поверхностного натяжения:

Ап.н. = FnMdl, (9)

Сила поверхностного натяжения:

Fn.H. = and, (10)

где а - коэффициент поверхностного натяжения,-; Силу поверхностного натяжения можно определить по зависимости:

dFn_H, = adl. (11)

Рисунок 3 - Представление силы поверхностного натяжения Рпн по составляющим

Горизонтальная составляющая определяется (рис. 3), как:

^ = ЛРсоБа , (12)

так как ¡Исоэа = Лу, (13)

то, подставляя (13) в (12), получим:

<1РХ = ад.у. (14)

Интегрируя выражение (14), получаем:

Р = /; йРх = /; айу = а /; йу = аЧ, (15)

Ри.Н. = О Л. (16)

Подставляя (16) в (9), имеем:

Лп.н. = а6.А1 - стггсИ . (17)

Выражения (7), (8), (17) подставим в зависимость (6):

= Атяж — Атр + = т1дзтасИ — + сг2 гсИ (18)

Зависимости (3), (4), (18) подставим в (5):

^дзШМ-^сИ + оггМ (19)

Делая дальнейшие преобразования выражения (19), учитывая, что — 1,5т, <2 — а также принимая для упрощения расчетов, что рассматриваемый объем жидкости имеет форму половины шара, окончательный вид зависимости (19):

д = + яИ _ !)] (20)

х V 1 у

м2 л м3

где V - кинематическии коэффициент вязкости, —; Ц - расход жидкости, —; а

н - С н

- коэффициент поверхностного натяжения, -; у - удельный вес жидкости, —; г - радиус объема жидкости, м; д - ускорение свободного падения, —.

Полученная зависимость (20) позволяет определить расход истечения воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер.

В третье главе "Экспериментальные исследования процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы и их анализ" представлены результаты экспериментальной проверки теоретических разработок по анализу процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы, приведена установка, а также перечень приборов для их проведения; приведено описание методики проведения, обработка результатов эксперимента и их анализ; дана оценка соответствия расчетно-теоретических данных процесса распределения воды на поверхность почвы.

Для реализации эксперимента и изучения исследуемого процесса был разработан лабораторный образец устройства (рис. 4), который работает следующим образом. Оросительная вода по поливному трубопроводу 1 подводится к конструкции 2. Движение воды происходит от трубопровода до последнего ряда отверстий 4 по тупиковым водопроводящим каналам 5. Дальнейшее движение воды происходит в направлении расположения препятствий 3. Встречая препятствие на своем пути, вода стекает по нему на почву, каплями.

\ 1: Щ

ШнВ

а) б)

Рисунок 4 - Лабораторный образец подкронового распределителя: а) 1 - подводящий трубопровод; 2 - корпус распределителя; 3 -препятствия (стенки); б) 4 - водовыпускные отверстия; 5 - тупиковые водопроводящие каналы.

По плану многофакторного эксперимента (таблица 1), на стенде были проведены испытания и установлены оптимальные значения параметров подкронового распределителя. Получена математическая модель процесса распределения воды при капельном характере истечения из отверстий водораспределителя. Адекватность математической модели оценивалась по Р -критерию Фишера. Оценка воспроизводимости выполнялась по в - критерию Кохрена при 95% уровне доверительной вероятности.

Таблица 1 -Условия планирования эксперимента

Фактор и ед. изм. Натур, обозначение Кодовое обозна-чеие Интервал варьирования Уровни варьирования натуральные

верхний нижний нулевой

Диаметр отверстия, мм 0,5 1,5 0,5 I

Шаг препятствия мм Х1 2 8 4 6

Угол наклона распределителя, ° 2 10 6 8

По результатам обработки экспериментальных исследований получена математическая модель процесса распределения воды при капельном характере истечения:

- с факторами в закодированном виде:

у = 1,368 + 0,2хг - 0,012х2 + 0,257х3 - 0,121x^2 + 0,254*1х3 + 0,096х2х3 + 0,3^ - ОД 19х| + 0,03х| (21)

- с факторами в натуральном виде

(? = 3,043 - 3,306с1 + 0,281, - 0,39а - 0,121сИ + 0,254с1а + 0,0241а + 1,2с12 -0,029Ь2 + 0,0075а2, (22)

где у СО) - расход воды —, хх{с1) - диаметра отверстий, мм; х2(Ь) - расстояния между препятствиями, мм; х3 (а,) - угол наклона распределителя,0.

На основании опытных данных и уравнения регрессии разработаны компьютерные программы для определения оптимальных параметров "Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения" (свидетельство № 2011615010) и "Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю" (свидетельство № 2011614733).

С помощью программы "Ма1с1ш£1 14" были построены поверхности отклика (рис. 5 - 7).

Рисунок 5 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости у в зависимости от диаметра отверстий х1 (ф и изменения расстояния (шага) между стенками х2 (£)

Рисунок 6 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости у в зависимости от изменения расстояния (шага) между стенками х2(1<) и изменения угла наклона водораспределителя к горизонту х3(а)

Рисунок 7 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости у в зависимости от изменения диаметра отверстий хх (ф и изменения угла наклона водораспределителя к горизонту х3 (а)

Анализ опытных данных и поверхностей отклика показал:

- из выбранных факторов на расход истечения воды на поверхность почвы влияют: диаметр выходных отверстий с/, угол наклона водораспределителя к горизонту а, а также расстояние (шаг) Ь между стенками;

- при увеличении угла наклона распределителя к горизонту, равномерность процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы нарушается;

- при углах наклона водораспределителя к горизонту а — 6° — 10°, в зависимости от диаметра водовыпускных отверстий наблюдались капельный, струйный и ливневый характеры истечения;

- при диаметре водовыпускных отверстий <Л = 2 мм, капельный характер истечения отсутсвует.

'1—'

Распределение оросительной воды на поверхность почвы из водовыпускных отверстий имеет на 77 — 83 % капельный характер, как наиболее благоприятный для почвы и растений, наблюдается при угле наклона водораспределителя к горизонту а = 8°, при диаметре отверстий с( = 1 мм, расстоянии между стенками Ь = б мм.

Экспериментальным путем установлена высота препятствий (стенок) к =

10 мм.

Для подтверждения соответствия теоретической и экспериментальной зависимостей между обозначенными параметрами были идентифицированы экспериментальная и теоретическая зависимости от конструктивных параметров, характеризующих капельный характер истечения (рис. 8 -10).

• О оиьп. мл/с ——О ТСОр, МЯ'С

Рисунок 8 — Зависимость расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (с! = 0,5 мм)

1.11 •а 1.06

= 0.96 §0,91 | 0,86 ¡0.81 £ 0,76 0.71

7 8 9 10

Угол циклона распределителя и,0 * О опыт, мл-с -О теор. мл'о

Рисунок 9 - Зависимость расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (<3 = 1 мм)

6 7 Я Ч 10

Угол наклона распределителя «. 0 * О опыт, мл/с —0 тсор. мл/с

Рисунок 10 - Зависимости расхода от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (<1 = 1,5 мм)

Сравнение расчетных и табличных значений критериев Фишера показало, что при доверительной вероятности 95%, теоретическая зависимость для определения расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения, адекватно отражает действительный процесс распределения жидкости при капельном характере истечения.

Опытная проверка проводилась на фрагментах модернизированной системы "МИЛОС" (рис. 11). Вода подается непрерывно (расход 0,4 л/с) в накопительную емкость 1 и при ее накоплении через импульсное распределяющее устройство 2 автоматически подается в один из приемных стояков 3, из него в разводящий трубопровод 4, далее вода поступает в поливной трубопровод 5, уложенный вдоль ряда насаждений. К поливному трубопроводу присоединяется подающий трубопровод, через который вода подводится к подкроновому водораспределителю 6.

Рисунок 11 - Модернизированная система "МИЛОС": 1 - накопительная емкость; 2 - импульсное распределяющее устройство; 3 - приемные стояки; 4 - разводящие трубопроводы; 5 — поливные трубопроводы; б - подкроновые водораспределители

В четвертой главе "Экономическая эффективность использования полкронового распределителя поливной воды" приводится экономический расчет, показывающий, что экономический эффект от использования полкронового распределителя оросительной воды составит более 42 тыс. руб.

Общие выводы

1. Анализ способов малообъемного орошения показал, что экономия оросительной воды составляет 40 - 60 % по сравнению с дождеванием и поверхностным орошением. Энергоемкость систем капельного орошения не превышает 10% энергетических затрат на дождевание. Адресную локальность увлажнения обеспечивает модуль импульсно-капельного орошения.

2. В результате проведения теоретических исследований получены аналитическая и графические зависимости расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя: диаметра водовыпусных отверстий, угла наклона водораспределителя к горизонту, расстояния между препятствиями (стенками), обеспечивающих капельный характер.

3. С целью равномерной подачи воды каплями в зону активной части корневой системы разработана конструкция подкронового водораспределителя. Предложенное устройство отвечает агротехническим требованиям, обеспечивает капельный характер истечения воды, как наиболее благоприятный для почвы и растений. Использование водораспределителя обеспечивает экономию оросительной воды до 32%, снижение себестоимости мероприятий в 1,2 раза.

4. Результаты экспериментов показали, что распределение оросительной воды на поверхность-почвы из водовыпускных отверстий распределителя имеет на 77 - 83 % капельный характер, как наиболее благоприятный для почвы и растений. Он наблюдается при угле наклона водораспределителя к горизонту 8°, при диаметре отверстий 1 мм, расстоянии между стенками 6 мм, высотой препятствий (стенок) 10 мм. Сравнение расчетных и табличных значений критериев Фишера показало, что при доверительной вероятности 95%, теоретическая зависимость для определения расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения, адекватно отражает действительный процесс.

5. Экономический эффект от применения усовершенствованной технологии импульсно-локального орошения составил более 42 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Ракушина, О.В. Исследование процесса равномерного распределения оросительной воды на поверхность почвы и его анализ [Текст] / О.В. Ракушина, Н.Г. Кожевникова// Международный технико-экономический журнал - 2011.- №3,-С. 103-106.

2. Ракушина, О.В. Определение диапазона угла наклона подкронового распределителя воды для его рационального применения [Текст] / О.В. Ракушина//Международный технико-экономический журнал - 2011- № 5,- С. 101-103.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614733. Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю/ С.А. Твердохлебов, A.A. Цымбал, Н.Г. Кожевникова, О.В. Ракушина; регистр. 16.06.2011.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615010. Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения/ С.А. Твердохлебов, A.A. Цымбал, Н.Г. Кожевникова, О.В. Ракушина; регистр. 24.06.2011.

5. Ракушина, О.В. Технология орошения садов [Текст] / О.В. Ракушина// Сельский механизатор - 2012. - № 2. - С. 16 - 17.

Подписано к печати 24.04.2012 Формат 60x84/16. Усл.-печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №781

Отпечатано в издательском центре

ФГБОУ ВПО МГАУ

127550, Москва, Тимирязевская, 58

61 12-5/2610

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.П. ГОРЯЧКИНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНО-

ИМПУЛЬСНОГО ОРОШЕНИЯ ¿ЦЛЯ МНОГОЛЕтиил нд С Я ЖД В А/и и

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Ракушина Олеся Владимирована

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, Кожевникова Н.Г.

Москва-2012 г

Содержание

Введение 4

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 6

1.1. Существующие способы орошения многолетних насаждений 6

1.2. Системы способов малообъемного орошения 8

1.3. Тенденции и перспективы развития капельного орошения 26

1.4. Достоинства и недостатки капельного орошения 30

1.5. Режимы орошения многолетних насаждений 37 при капельном орошении

1.6. Автоматизация систем капельного орошения 44

Глава 2. Теоретическое обоснование процесса распределения 49 воды при капельном характере истечения

2.1. Пространственное расположение активной части 49 корневой системы многолетних (плодовых) насаждений

2.2. Обоснование параметров подкронового водораспределителя 55

2.2.1. Критериальное уравнение для определения расхода 55 жидкости при истечении из водовыпускных отверстий распределителя

2.2.2. Теоретическое обоснование процесса распределения воды из 59 водовыпускных отверстий на поверхность почвы

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса распределения 71 воды при капельном характере истечения и их анализ

3.1. Экспериментальные исследования процесса распределения 71 оросительной воды на поверхность почвы

3.1.1. Методика проведения экспериментальных исследований 71

3.1.2. Анализ уравнения регрессии 8 0

3.1.3. Проверка теоретического закона распределения жидкости на 82

2

поверхность почвы

Глава 4. Экономическая эффективность использования подкронового 89 распределителя поливной воды

Общие выводы 95

Список литературы 97

Приложения 106

Введение

В федеральной целевой программе "Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы и на период до 2013 года" (с изменениями на 12 августа 2011 года) предусмотрено мероприятие по реконструкции, совершенствованию оросительных систем, в том числе и систем для многолетних насаждений.

Ирригация более 50 % этой территории осуществляется дождеванием. При орошении дождеванием происходит несоответствие между интенсивностью водоподачи и впитывающей способности почвы. Для предотвращения этих последствий необходимо отдавать предпочтение малообъемным способам, к которым относятся: внутрипочвенное орошение, микродождевание, аэрозольное орошение и капельное.

Главным преимуществом этих водосберегающих технологий орошения по сравнению с поверхностным орошением и дождеванием является дозирование поливных норм в соответствии с водопотреблением растений за межполивной период.

Поэтому работы по созданию и совершенствованию технологии способов орошения актуальны.

Одним из наиболее перспективных способов орошения является локально - импульсное орошение, которое является разновидностью капельного.

Помимо достоинств, малообъемным способам присущи различные недостатки, но все существующие способы малообъемного орошения объединяет одна проблема - нарушение распределения оросительной воды на поверхность почвы.

Совершенствование этого способа орошения позволяет повысить качество полива за счет экономии воды и как следствие обеспечить экономию денежных средств.

Настоящая работа содержит результаты исследований процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы для многолетних насаждений.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

получена аналитическая зависимость расхода жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения;

На защиту выносятся:

результаты исследований способов орошения многолетних насаждений, а также устройств, осуществляющих распределение воды;

конструктивно-технологическая схема подкронового

водораспределителя;

аналитическая зависимость определения расхода истечения жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер;

оптимальные конструктивные параметры подкронового водораспределителя, обеспечивающие капельный характер истечения воды на поверхность почвы.

Работа выполнена на кафедре " Гидравлика и ГМ " ФГБОУ ВПО " МГАУ им. В.П. Горячкина ".

Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1.Существующие способы орошения многолетних насаждений

В ирригационной практике были известны три способа орошения многолетних насаждений:

1) поверхностное орошение, при котором вода распределяется по поверхности и потом впитывается в почву;

2) дождевание - вода при этом способе распределяется в виде дождя особыми аппаратами, увлажняя при этом не только почву, но и наземные части растений;

3) внутрипочвенное орошение - вода с помощью подпочвенных трубок, позволяющих проводить увлажнение активного слоя почвы малыми нормами, за счет всасывающей силы почвы.

Для первого способа являются характерными:

- возможность увлажнения почвы на различную глубину;

- гравитационное промачивание верхних слоев почвы и аккумуляция в них воды;

- большие колебания влажности почвы по длине борозды при поливных нормах 800- 1000 м3/га.

Способ орошения дождеванием отличается от поверхностного способа:

- возможностью подачи небольших поливных норм (100 - 600 м / га), за счет более частых поливов, что позволяет обеспечить равномерный режим увлажнения;

- влиянием на микроклимат приземного слоя воздуха;

- более слабым гравитационным промачиванием верхних слоев;

- меньшей глубиной увлажнения почвы.

Внутрипочвенное орошение позволяет:

- обеспечить только капиллярное увлажнение верхних слоев почвы;

- поддерживать определенную глубину увлажнения почвы;

6

- создать прочный запас влаги в подпахотном горизонте почвы;

- обеспечить подачу воды в соответствии с водопотреблением растений.

Принцип первых двух способов - периодическая подача воды и аккумуляция влаги в почве. Принцип внутрипочвенного орошения заключается в непрерывной подаче воды в почву [1]. Данная классификация была представлена А. Н. Костяковым [2,3,4].

В последнее время появились способы орошения, позволяющие подавать воду непосредственно в корнеобитаемый слой почвы в виде капель, а также способы, обеспечивающие увлажнение приземного слоя воздуха. На IX Международном конгрессе по ирригации и дренажу была предложена новая классификация способов орошения: поверхностное орошение, дождевание, внутрипочвенное орошение, мелкодисперсное (аэрозольное) увлажнение [4].

Способы орошения, позволяющие экономить оросительную воду и подавать растворенные питательные вещества в зону расположения корневой системы являются наиболее перспективными [5,6].

Для обозначения способов орошения с малой подачей воды (20-100 м3/га) : внутрипочвенное орошение, капельное орошение, микродождевание, и аэрозольное дождевание используется термин " малообъемное орошение ", четко показывающий отличительные признаки этих способов:

- проведение поливов в соответствии с суточным водопотреблением растений;

- подача удобрений, растворенных в воде, непосредственно в зону корневой системы;

- предотвращение глубинного и поверхностного стока воды;

- вынос растворенных в воде элементов питания и средств защиты растений.

К локальным способам орошения относятся капельное орошение и микродождевание, остальные способы рассчитаны на сплошное увлажнение орошаемой площади.

Виды " малообъемного орошения " получили распространение во многих странах мира. И одним из доказательств этому является тот факт, что способами " малообъемного орошения " обслуживается более 1 млн. га сельскохозяйственных угодий.

1.2. Системы способов малообъемного орошения

Способ орошения - это комплекс мер и приемов распределения воды на поливном участке и превращения водного потока в почвенную и атмосферную влагу.

Различают следующие способы малообъемного орошения:

- внутрипочвенное орошение - подача воды непосредственно в корнеобитаемую зону почвы по увлажнителям;

- аэрозольное увлажнение (мелкодисперсное орошение) - распыление мельчайших капель воды для регулирования температуры и влажности приземного слоя воздуха над орошаемым участком;

- микродождевание - создание искусственного дождя;

- капельное орошение - локальное орошение с помощью микроводовыпусков или капельниц.

Системы капельного орошения подразделяются: по развиваемому напору:

- высоконапорные (до 40 м. вод. ст.);

- низконапорные (до 3 м. вод. ст.); по размеру отверстий водовыпусков:

- более 1 мм (микротрубки);

- более 0,5 мм (микротрубки);

- менее 0,5 мм (капельницы); по расходам водоподачи:

- малые (1-5 л/ч);

- средние (5-10 л/ч);

- большие (больше 10 л/ч).

Одним из основных элементов системы капельного орошения являются капельницы. Капельницы изготавливаются на расходы воды от 1 до 15 л/ч из различных материалов: пропилен, поливинилхлорид и др. Расположение их различно: на поверхности почвы, закопанных в нее или подвешенных на шпалерах. Расход воды в капельницах составляет от 0,5 до 15 л/ч.

По своим конструкциям капельницы весьма многообразны: пористые трубки, одно- и двухкамерные трубки, самопромывающиеся, перфорированные, короткосопловые, вихревые, с компенсатором давления, короткоходовые, длинноходовые и др. Многообразие конструкций объединяются в два вида: линейные и точечные. Также существуют капельницы смешанного типа. Линейные трубопроводы распределяют воды равномерно по всей длине. Точечные устанавливаются на трубопроводе в зависимости от посадки растений. Точечные капельницы используются для орошения кустарников, виноградников, древесных культур; линейные - для овощных культур и небольших фруктовых деревьев [7, 8].

Самые простые капельницы выполнены из капилляров, диаметром от 0,6 — 1,0 мм.

В Австралии изобретена капельница " Триклон " в виде спирали. Количество витков зависит от требуемого напора. Спираль обвивает трубопровод и крепится в отверстие в его стенке. Спираль производят из полипропиленовой трубки с внутренним диаметром 0,9 мм.

Также изготавливают в Австралии капельницы с автоматическим регулированием расхода. Капельница "Ки - эмиттер" способна сохранять расчетный расход при колебаниях давления [9].

В Южной Африке изобретены пластмассовые микронасадки, которые устанавливаются на полиэтиленовом трубопроводе с поливом по сектору.

В Италии разработаны капельницы непрерывного действия " Сталах".

Для этих капельниц необходима тонкая очистка воды. Режим истечения -

9

капельный и мелкоструйчатый. Капельницы рассчитаны на давление 0,115 -0,205 МПа, расход 7 - 8,5 л/ч.

Автоматический, самоочищающийся микроводовыпуск "Ирризор" (Италия), имеющий струйный режим истечения предназначен для полива многолетних насаждений на площадях прямоугольной формы. Вода подается толчками - пульсациями. Двойные трубы, капельные шланги, которые так распространены в США, в Италии менее предпочтительны. Выбор падает на капельницы [10, 11].

Пористые капельные шланги достаточно распространены в Испании, других странах Европы, не территории Азии и Африки. Эти шланги имеют поры размером 4-5 микрон, изготавливаются из специального полиэтилена и экономят оросительную воду на 25 % по сравнению с другими капельницами и микроводовыпусками.

Заводом "Ортеко" выпускается капельная лента "Лабиринт", предназначенная для полива растений. Рекомендуется для наземной укладки, с толщиной стенки 0,15 мм и для подземной укладки, с толщиной свыше 0,2 мм. Выпускается с расстоянием между капельницами 20, 30, 100 см, внутренним диаметром 16 мм. Номинальная производительность - 1,0 и 2,2 л/час при давлении 1 атм. Капельная лента с шагом 100 см рекомендуется для бахчевых культур, с шагом 30 см - для большинства овощных культур, с шагом 20 см для лука, моркови, салата (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Капельная лента "Лабиринт": 1 - капельная трубка; 2 - выпускные каналы; 3 - лабиринт; 4 - водовыпуски.

Система капельного орошения с трубками типа РАМ фирмы

"Нетафим" (Израиль) имеет водовыпуски с компенсаторами давления. Данные водовыпуски обеспечивают равномерный расход воды по длине трубопровода протяженностью до 800 м. Капельницы в этой системе самоочищающиеся, могут использоваться при применении очищенных сточных вод. Трубки с водовыпусками достаточно гибкие, что не препятствует проведению агротехнических работ. Трубы выпускаются разного диаметра с различным шагом размещения капельниц. В капельницах расход постоянный, независимо от давления.

Поливная трубка для капельного орошения (рис. 1.2), разработанная ВНИИОЗ в г. Волгограде, имеет две капельницы: основную и вторичную. Вторичная капельница выполнена лабиринтного типа зигзагообразного сечения, что исключает осаждения взвешенных частиц в поливной воде и соответственно засорения капельниц. Данная трубка может иметь двусторонний водовыпуск, что расширяет область использования поливной трубки [12].

Рисунок 1.2 - Поливная трубка для капельного орошения: 1 - канал для подачи воды; 2 - впускные каналы; 3 - основная капельница; 4 - вторичная капельница зигзагообразной формы; 5 - соединительные элементы; 6 -водовыпуски.

Сложность орошения склоновых земель традиционными способами полива требует поиска новых технических решений для обеспечения равномерной подачи воды каждому растению в условиях значительных уклонов местности при недопустимости ирригационной эрозии. В частности, эту задачу можно решить способом локальной подачи воды к посадкам садовых культур на склонах. В настоящее время можно выделить несколько

11

направлений поиска рациональных устройств систем локальной подачи воды: системы мелкоструйчатого и капельного орошения с низким и высоким напором воды.

Низконапорные системы устраивают таким образом, что все водовыпуски работают под практически одинаковым низким напором 0,03 -0,5 м, обеспечивая постоянство расхода по длине поливного трубопровода. Системы с высоким напором 10 - 40 м обеспечивают равномерность раздачи воды при помощи саморегулирующихся водовыпусков, где автоматическое поддержание рабочего расхода осуществляется дроссельным или поплавковым регулятором расхода.

Известно несколько типов низконапорных систем. К ним относится оросительная система из уложенных в земле с положительным уклоном поливных трубопроводов, имеющих в местах водовыпусков местное повышение, на восходящей ветви которого устраивается водовыпускное отверстие относительно большого диаметра - 1,0 - 1,5 мм, т.к. напор над ним при переливе воды незначительный (около 0,05 - 0,07 м).

Другая конструкция низконапорной системы заключается в размещении поливного трубопровода горизонтально или с незначительным уклоном и подключении к нему вертикальных трубок-водовыпусков диаметром 4 - 6 мм. Концы этих трубок устанавливают по очертанию пьезометрической линии напора, но ниже ее на одну и ту же величину. Это обеспечивает при создании в начале трубопровода небольшого напора одинаковый расход из всех водовыпусков.

Сотрудниками ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова разработана

оросительная сеть для полива многолетних склоновых плантаций садовых

культур и виноградников (ри. 1.3). Оросительная сеть для полива включает в

себя распределительный трубопровод, гибкие поливные трубопроводы,

подключенные к распределительному трубопроводу через регулятор расхода

и заканчивающиеся перепускными устройствами. В поливные трубопроводы

через заданный интервал по их длине выполнены воздуховыпускные и

12

калиброванные водовыпускные отверстия. Поливные трубопроводы подвешены между двумя линейными элементами в виде синусоиды, нижние точки которой располагают над зоной распределения корневой системы орошаемых растений. Установка позволяет осуществлять полив склоновых земель в низконапорном режиме, без дополнительных энергозатрат. Не требуется тонкая очистка воды. Простота и надежность конструкции позволяет создавать оптимальный режим орошения склоновых земель с учетом конкретных условий орошаемого участка [13].

Рисунок 1.3- Оросительная сеть для полива склоновых земель: 1 - распределительный трубопровод; 2 - гибкие поливные трубопроводы; 3 - регулятор расхода; 4 - перепускное устройство; 5 - воздуховыпускные отверстия; 6 - калиброванные (для капельного орошения) отверстия; 7, 8 -фиксаторы; 9, 10 - линейные элементы; 11 - вертикальные опоры.

Основными достоинствами низконапорных систем являются уменьшение требований к степени оч