Регулирующие сооружения рисовых систем и методы их расчетного обоснования

Актуальность темы

исследований. Гидротехнические сооружения на рисовой сети предназначены для регулирования объемов подачи и отводе воды, обеспечения требуемых режимов водораспределения и водоотведения.

По данным региональных управлений мелиорации земель и водного хозяйства на 1 тыс. га рисовых систем в Астраханской области эксплуатируется 527 регулирующих сооружений, в Ростовской области — 501, в Краснодарском крае — 512, на Дальнем Востоке — 553.

Анализ технических средств обеспечивающих различные типы водного режима рисовых чеков показывает, что они отличаются высокой стоимостью, материало и металлоемкостью, трудоемкостью изменения уровня регулирования. Чековые регуляторы рисовых систем из мелиоративной ткани отличаются легкой повреждаемостью рабочего органа, большим количеством швов, способствующих разрушению в местах контактов. Это обуславливает разработку регуляторов рисовых оросительных систем из высокопрочных композитных материалов и методов их расчета.

Рисосеющие хозяйства юга России ощущают острую потребность в сооружениях для орошение сопутствующих культур рисового севооборота. Орошение сопутствующих культур в рисовых севооборотах производится с помощью затопления чеков, напуском по широким полосам, дождеванием, увлажнением по бороздам. Перспективен полив сопутствующих культур с помощью тканевых трубопроводов. Существующие методы обоснования параметров тканевых трубопроводов достаточно приближенны и не отвечают требованиям автоматизации полива.

Под посевы риса отведены в основном, нижние участки пойм и дельт рек, характеризуемые удовлетворительной обеспеченностью водой, сравнительно выровненным рельефом, тяжелыми маловодонепроницаемыми почвами. Картовый дренаж на таких землях не обеспечивает заданных агротехнических требований. На рисовой карте дренируется только узкая полоса, прилегающая к дренажно-сбросному каналу, составляющая не более 10. 15% от площади рисового поля, понижение грунтовых вод происходит крайне медленно. Все это приводит к нарушению оптимальных сроков посева и уборки урожая и значительным потерям урожая. Внедрение кротового дренажа на почвах рисовых полей сдерживается недостаточным сроком его службы (2.3 месяца), отсутствие научного обоснования устойчивости кротового дренажа и оптимальных конструкций кротователей.

Объектом исследований работы являются регулирующие сооружения рисовых систем. Тема диссертации входит в состав отраслевых программ «Вода России», «Гидротехника и мелиорация» (задание «Разработать прочностную надежность, жесткость и устойчивость сооружений и конструкций мелиоративных систем»), региональной программе «Дон» (задание «Научное формирование водных экосистем и ландшафтов в степной зоне России») и плану НИР НГМА (задание «Водосберегающие и ресурсосбфегающие технологии при проектировании, строительстве и эксплуатации мелиоративных систем и сооружений»).

Цель работы совершенствование регулирующих сооружений низового звена рисовых систем, а также методов их научного обоснования, которые обеспечивают автоматизацию полива во внутрихозяйственном звене (полив как риса, так и сопутствующих культур) и повышают эффективность использования водных и земельных ресурсов, а также способствуют рациональному регулированию водно-воздушного, теплового и солевого режимов почв на посевах риса.

В задачу исследований входило:

— провести анализ технического состояния рисовых оросительных систем, выявить пути повышения урожайности риса с максимальным сохранением конструкции рисовых систем, ведущих к снижению себестоимости и экономии оросительной воды, способствующих улучшению мелиоративного состояния рисовых систем, обеспечивающих рациональное поддержание водно-воздушного, солевого и теплового режимов почв;

— провести гидравлические и статические исследования регулирующих чековых сооружений из тканевых и композитных материалов. Разработать методику обосновывающую их расчетные параметры;

— разработать методы научного обоснования тканевых трубопроводов обеспечивающих полив сопутствующих культур рисового севооборота;

— разработать научные основы расчета устойчивости кротового дренажа на тяжелых слабоводонепроницаемых почвах, который способствует условиям скорейшего отвода воды для просушки чеков в предпосевной и в предуборочный периоды, регулированию водно-воздушного, солевого и теплового режимов почвы;

— разработать практические рекомендации производству для использования регулирующих сооружений рисовых систем.

Методы исследований. Работа выполнена путем проведения комплексных теоретических, лабораторных и натурных исследований в течении 1994;1998 гг. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на экспериментальных установках КГАУ и Ку-баньгипроводхоза, на аттестованном региональной метрологической службой оборудовании. Имитационное математическое моделирование осуществлялось на персональных ЭВМ.

Производственные испытания проводились в рисосовхозе «Славянский» Краснодарского края. Результаты численных математических экспериментов сопоставлялись с данными лабораторных и натурных исследований.

Оценка достоверности научных результатов. Лабораторные и научные исследования выполнены на аттестованной метрологической службой измерительной аппаратуре, с использованием отраслевых методик с проверкой результатов с помощью статических критериев на основе теории ошибок, дисперсионного и регрессионного анализа. Достоверность анализов имитационного моделирования на ЭВМ подтверждается известными статистическими оценками. Достоверность научных выводов подтверждается также большим объемом лабораторных, численных и натурных исследований, а также их апробацией и использованием в рисосеющих хозяйствах Краснодарского края.

Научная новизна исследований заключается в:

— разработке прикладной методики расчета канальных и чековых трубчатых регуляторов (диаметр трубы от 200 до 600 мм) с рабочим органом из композитных материалов;

— полученных имитационных математических моделях для ПЭВМ и зависимостях по научному обоснованию параметров тканевых трубопроводов, используемых для полива сопутствующих культур рисовых севооборотов;

— впервые полученных зависимостях по обоснованию устойчивости кротового дренажа на тяжелых слабоводонепроницаемых грунтах рисовых полейпредложенных и апробированных методиках научно-обосновывающие параметров регулирующих сооружений рисовых систем из полимерных материалов.

Практическая значимость работы заключается в разработке усовершенствованных конструкций канальных и чековых регуляторов рисовых систем, тканевых трубопроводов для полива сопутствующих культур, в разработке усовершенствованной конструкции дренера для рисовых систем, в разработке алгоритмов и программ для ПЭВМ по автоматизации расчета и выбора параметров регулирующих сооружений рисовых систем, в разработке методик и рекомендаций для проектных и эксплуатационных организаций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, были обсуждены и одобрены на региональных научно-технических конференциях НГМА, ЮжНИИГиМ, Южтпроводхоза, ВНИИРиса, КГАУ, Кубаньгипроводхоза в 1994;1998 гг. («Повышение технического уровня оросительных систем на Северном Кавказе» (1994 г.), «Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель» (1995 г.), «Проблемы ирригации в Ростовской области» (1995 г.), «Экология и природопользование в Ростовской области» (1995 г.), научно-техническая конференция аспирантов и студентов НГМА (1996 г.), «Кадры и научно-технический прогресс в мелиорации» (1997 г.)," Актуальные вопросы мелиорации и использования природных и техногенных ландшафтов" (1998 г.), НТК аспирантов и студентов НГМА, посвященная памяти Б. Б. Шумакова (1998 г.) и др.).

Изданы и внедрены в производство «Рекомендации по расчету, проектированию и’эксплуатации регулятора рисовых оросительных систем с гибким рабочим органом», «Руководство по применению кротового дренажа на рисовых чеках» .

Публикации. Основные положения работы изложены в девяти опубликованных научных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, заключения, списка литературы, включающего 232 наименований и трех приложений. Общий объем диссертационной работы 176 машинописных страниц.

4.5 Выводы по главе.

1 Запроектированный и построенный согласно проектным данным систематический дренаж, через 400 м на рисовой системе «Кубанская», не обеспечивает благоприятных условий для возделывания риса по всей ширине междренья. На 70.80% площади карт не происходит рассоления почвы и регулирования в нем тепла и влаги.

4.23).

2 Для повышения эффективности регулирования водно-воздушного, теплового и солевого режимов с помощью кротового дренажа разработаны методики, характеризующие его напряженно деформированное состояние и повышающие его прочность, жесткость и устойчивость.

3 Разработана методика, обосновывающая параметры дренера, уширителя и кротовой дрены, способствующая повышению ее прочностной надежности.

4 На основании обобщения опыта исследований кротового дренажа на рисовых севооборотах, результатов опыта эксплуатации кротователей и кротодрен, а также собственных исследований, нами рекомендуется устройство кротового дренажа, только в слабофильтрующих грунтах при коэффициенте фильтрации менее 1 м/сут. Кротовый дренаж следует нарезать поперек чека в сочетании с закрытым дренажем через фильтрационную обсыпку.

Рекомендуемые параметры кротового дренажа на рисовых севооборотах: — рациональная глубина нарезки -0,40.0,60 ммеждренное расстояние — 2Д.4,0 муклон дрен — 0,001.0,002- диаметр кротовых дрен — 60.80 мм. Кротовый дренаж следует устраивать осенью, после удаления соломы с рисового поля, перед зяблевой всдышкой.

Для обеспечения срока эксплуатации кротового дренажа на рисовых севооборотах >2,0 лет, необходимо его устройство предложенной конструкции кротователя, дренера и уширителя с закреплением дрены полимерами.

Расчет параметров кротового дренажа на рисовых севооборотах рекомендуется производи по зависимостям (4.13, 4.15. 4.19 — 4.22), таблицам 1.1 — 4.6, графикам 4.2 — 4.7.

5 ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ РИСОВЫХ СИСТЕМ.

5.1 Объекты внедрения и состав натурных исследований.

Внедрение разработок осуществлялось в АО «Славянский» Славянского района Краснодарского края. Объект внедрения выбран по той причине, что данное хозяйство накопило более 10-летний опыт эксплуатации тканевых регулирующих сооружений. Первые тканевые регуляторы в АО «Славянский» установлены в 1986 году, изготавливались из мелиоративной ткани и относились к типу РУР — 200 (регулятор уровня рукавный для диаметра водовыпуска из оросителя в чек 200 мм). В рисо-совхозе «Славянский» регулирующие сооружения эксплуатировались на площади от 1,1 тыс. га до 1,5 тыс. га. более 5 лет.

В условиях Краснодарского края опытные образцы средств автоматизации водораспределения на рисовых системах внедряются 39 лет. Первую производственную проверку прошел дроссельный затвор А. Д. Разоренова. Несмотря на обилие предложенных конструкций Э. Э Маковским, Ш. С. Бобохидзе, В. А. Рожновым, Я. В. Бочкаревым, В. В. Шаровым, А. Н. Янченковой и др., они не нашли широкого применения на рисовых системах. С начала 70-х годов внедряются чековые регуляторы, разработанные Кубаньгипроводхозом и ВНИИРиса типа АЧ, РУД и др.

В рисосовхозе «Славянский» в 1995;1998 г. использовалось ежегодно от 90 до 97 регуляторов цилиндрического типа. Их отличает высокая металлоемкость рабочего органа, появление перекосов в период эксплуатации, заклинивание рабочего органа, значительная нерегулируемая протечка.

Первые типы регулятора РУР — 200 из мелиоративной ткани имели низкий коэффициент надежности, составляющий всего 0,21. К конструктивным недостаткам регулятора РУР — 200 относится быстрая протерае-мость рабочего органа, нарушение герметичности, расслаивание ткани.

В усовершенствованных В. А. Волосухиным, ЮА. Свистуновым и С. В. Кибальниковым [106, 179] тканевых регуляторов РУР — 200/300 коэффициент надежности доведет до 0,80. В разработанных и внедренных Ю. А. Свистуновым [179] и В. А. Волосухиным [53] коэффициент надежности для тканевых регуляторов с коническим рабочим органом (РК -200/300)составлял 0,83 до 0.90. Поэтому в нормативных документах для РК — 200/300 значение вероятности безотказной работы рекомендуется принимать Р = 0,85, а образцы с Р < 0,80 не рекомендуются для установки.

Методика натурных испытаний регулирующих сооружений была принята в соответствии с отраслевыми стандартами ОСТ 33−26−80 «Система приборов и средств автоматизации мелиоративного назначения. Общие технические требования.» и проектов ВСН (Союзводпроект, Кубаньгипроводхоз, 1985), «Рисовые оросительные системы. Нормы проектирования» и проекта ОСТ (Союзводсистемавтоматика, 1992), «Регуляторы для рисовых оросительных систем. Общие технические условия» .

В задачу исследований включены вопросы:

— исследование работы регулирующих сооружений из тканевых и гибких элементов, выявление конструктивных и технологических недостатков;

— исследование точности поддержания уровня воды в чеках и каналах внутрихозяйственной сети.

Было изготовлено восемь образцов, которые установлены с площадью обслуживания 36,2 га.

На рисунке 5.1 показан экспериментальный участок рисового севооборота с регулирующими сооружениями из тканевых и гибких (высокопрочных композитных) материалов.

На рисунке 5.2 приведен картовый распределительный канал и сооруженные на нем трубчатые водовыпуски.

Экспериментальный участок АО «Славянский» Славянского района Краснодарского края с регулирующими сооружениями из тканевых и гибких материалов.

На рисунке 5.3 приведен элемент регулирующего сооружения с импульсной трубкой.

На рисунке 5.4 приведен гибкий элемент регулирующего сооружения (в руках автора работы) и экспериментальная установка для определения гидравлических характеристик регулирующих сооружений рисовых систем с гибким рабочим органом.

Нерегулируемая протечка определялась мерным способом. Использовалась мерная емкость в 10 л с нанесенной шкалой и секундомером. При заполнении мерной емкости за 25 с, нерегулируемая протечка составляет 0,004 м3/с. Во всех восьми испытываемых регулирующих сооружений она была меньше 4−103 м3/с. Повторность опытов принималась при натурных испытаниях трехкратной.

Для определения пропускной способности сооружений с тканевыми и гибкими рабочими органами использовался гидропост КГАУ, выполненный в соответствии с нормативными документами ММ 1759 — 87 и ВТР — М — 1 -80.

Расход определялся по формуле:

3=А-У, где, А — площадь живого сечения, м2;

V — средняя скорость потока вычисляемая опытным путем, м/с.

Регулирующие сооружения были установлены 18 мая и демонтированы 6 октября 1997 года и установлены 11 мая и демонтированы 25 сентября 1998.года.

Вероятность безотказной работы определялась по данным за два года и вычислялась по формуле:

Рф = Р^) р2(1) .рз (1) = 1,0 <0,938−1,0= 0,938, где — вероятность безотказной работы гибкого рабочего ор

Картовый распределительный канал рисовой системы и сооруженные на нем трубчатые.

Элемент регулирующего сооружения с импульсной трубкой.

Гибкий элемент регулирующего сооружения и экспериментальная установка для определения гидравлических характеристик регулирующих сооружений рисовых систем с тканевыми и гибкими рабочими органами 1—= 0,938 — вероятность безотказной работы им.

16 пульсной трубки;

— вероятность безотказной работы датчика.

Урожайность риса в среднем за два года составила на участке оборудованном регуляторами РУРО — 600 и РУР — 200/300 — 4,94+0,24 т/га, а на участке, оборудованном регулирующими сооружениями с тканевыми и гибкими рабочими органами, она составила 5,88±0,31 т/га.

Экспериментальные исследования регулирующих сооружений проводились по проблеме «Разработать научные основы и практические методы создания ресурсосберегающих технологий и экологически безопасных мелиоративных систем, объектов сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения в условиях Северного Кавказа» — заданию «Водосберегающие и ресурсосберегающие технологии при проектировании, строительстве, эксплуатации мелиоративных систем и сооружений» .

Урожайность на опытном рисовом поле за два года в среднем возросла на 0,8. 1,1 т/га, затраты оросительной воды снизились, в целом за оросительный период, на 17.24%, производительность труда поливальщика возросла в 2,1 .2,5 раза.

Социальный эффект от внедрения регулирующих сооружений из композитных материалов заключается в рациональном использовании водных ресурсов, улучшении условий труда поливальщиков при возделывании риса.

Результаты внедрения одного комплекса поливных тканевых трубопроводов подтвердило результаты исследований, представленные в главе 3 (зависимости 3.21 — 3.25, 3.30−3.32, таблица 3.3, рисунки 3,18, 3.19).

Характер внедрения — комплект тканевых трубопроводов для полива сопутствующих культур в рисовом севообороте.

Форма внедрения — комплект транспортирующих и поливных трубопроводов, технология их укладки и использования, рекомендации по эксплуатации при поливе сопутствующих культур рисового севооборота.

Урожайность люцерны — как основной сопутствующей культуры, на опытном поле возросла на 23%, затраты оросительной воды снизились на 27%, производительность труда поливальщиков возросла в 2,8 раза.

Внедрение усовершенствованной конструкции кротователя дренера и уширителя позволило увеличить срок службы кротовых дрен в рисовом севообороте с 2.3 месяцев до 2-х лет. Кротовый дренаж повышенной устойчивости способствовал условиям скорейшего отвода воды для просушки чеков в предпосевной и предуборочный периоды, улучшил регулирование водно-воздушного, солевого и теплового режимов почвы.

5.2 Перспективы применения регулирующих сооружений на рисовых системах.

Важным элементом в получении высоких урожаев при интенсивных технологиях возделывания является строгое соблюдение режима орошения на фоне правильного и своевременного внесения минеральных удобрений и гербицидов. В исследованиях ВНИИРиса отмечается: затянувшееся поверхностное осушение чеков при получении всходов значительно затрудняет рост риса и может вызвать сильное развитие сорняков. Повышенный слой воды в начальной фазе развития риса, наоборот, приводит к изреживанию посевов, появлению болезней и вредителей. Слой воды на рисовых чеках играет многостороннюю роль. Помимо непосредственного снабжения растений водой он оказывает большое влияние на микроклимат в посевах риса. Правильный режим орошения риса может быть осуществлен только на хорошо спланированных полях.

Работа всех элементов рисовой оросительной системы подчинена решению одной задачи — созданию на рисовом чеке оптимальных — водного, воздушного, теплового, солевого режимов.

Главным объектом автоматизации рисовых оросительных систем является чек, поскольку в нем совершается основной производственный процесс — получение урожая. Регулируемым процессом является водный режим, а регулирующим параметром — слой воды в чеке. Основным регулятором слоя является водовыпуск из картового оросителя в чек, их число достигает 350. 1000 штук на 1000 га площади, занятой посевами риса в зависимости от типа карт.

Поданным КубаньгипровЪдхоза количество чековых сооружений, в зависимости от конструктивного модуля оросительных систем, составляет от 550 до 720 штук на 1000 га.

Существующие типы регулирующих сооружений рисовых систем и способы автоматизации водораспределения не обеспечивают в полной мере выполнение технологических функций при возделывании риса.

Регулирующие сооружения рисовых систем с тканевыми и гибкими рабочими органами позволяют расширить объем технологических операций, выполняемых средствами локальной автоматики и обеспечивают эффективную эксплуатацию рисовых систем.

Разработанные нами усовершенствованные трубопроводы и методики, науно обосновывающие их рациональные параметры, в условиях полива сопутствующих культур рисового севооборота позволяют автоматизировать водораспределение, использовать дискретное орошение, уменьшить потери воды на фильтрацию из временных оросителей и выводных борозд на 30.40%, повысить производительность труда при поливе и коэффициент земельного использования на 5. 10% (за счет сокращения площади под временные и постоянные оросители), облегчить эксплуатацию оросительной сети. Использование бесшовного каркаса для изготовления тканевых трубопроводов позволяет экономить до 12. 15% полимерных материалов. Разработанные усовершенствованные тканевые трубопроводы повышенной надежности позволяют производить дистанционное управление подачей воды в междурядье.

У разработанных конструкций существенно увеличена прочность связи покрытия, обеспечивающего водопроницаемость с основой, что позволяет повысить долговечность трубопровода в несколько раз.

Кротовый дренаж, как признано многими авторами, весьма перспективен для обеспечения и регулирования водно-воздушного и солевого режимов почв рисовых систем. Он рекомендуется при коэффициенте фильтрации менее 1 м/сут. В настоящее время срок его службы, как правило, менее 1,0 года.

Важное практическое значение имеют мероприятия научно обосновывающие прочность, устойчивость и долговечность кротового дренажа на рисовых полях.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

1 Одним из направлений повышения продуктивности рисовых полей, оптимального использования водных и трудовых ресурсов, является совершенствование регулирующих сооружений на инженерных рисовых системах.

2 Регулирующие сооружения на чеках, оросительных и сбросных каналах рисовых систем должны обеспечивать оптимальный водный и тепловой режим. Несоблюдение водного режима агротребованиям ведет к снижению урожайности на 20.70%.

Чековые регулирующие сооружения (63.71% ITC на модуле рисовой системы) с трубчатыми водовыпусками (d = 200.300 мм) целесообразно оснащать тканевыми регуляторами гидравлического действия (A.c. 1 363 149). Чековые регулирующие сооружения с тканевым рабочим органом отвечает агротребованиям, имеет достаточный коэффиент надежности и высокие технико-экономические показатели.

Канальные регулирующие сооружения (30.35% ГТС на модуле рисовой системы) с трубчатыми водовыпусками (d = 300. 1000 мм) целесообразно оснащать регуляторами гидравлического действия с гибким рабочим органом из композитных материалов. Они отвечают техническим требованиям и имеют высокие технико-экономические показатели.

3 Тканевые трубопроводы обеспечивают условия рационального ч ' орошения сопутствующих культур рисового севооборота на имеющихся конструкциях рисовых полей. Профилеформирующие и гидравлические параметры тканевых трубопроводов рекомендуется принимать по разработанным зависимостям 3.9 — 3.33 — рисунок 3.3 — 3.10, 3.11 — 3.20. графикам и номограмме, рисунок 3.10.

4 Для обеспечения срока эксплуатации кротового дренажа на рисовых севооборотах > 2,0 лет, необходимо его устройство предложенной конструкции кротователя, дренера и уширителя с закреплением дрены полимерами. Параметры кротового дренажа, кротователя, дренера и уширителя рекомендуется принимать по разработанным зависимостям 4.13, 4.15. 4.19 -4.22, таблицам 4.3 — 4.6, графикам 4.2 — 4.7.