Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин

В настоящее время в Краснодарском крае широко распространены оросительные системы с применением поливной техники. Орошается, в основном, дождевальными машинами — 34 тыс. га. В то же время, имеющаяся межхозяйственная оросительно-сбросная сеть и другая водохозяйственная инфраструктура позволяют при минимальных затратах на восстановление увеличить доступную для орошения площадь до 217 тыс. га (уровень 1990 г.) и создать предпосылки для быстрого роста в крае валового сбора овощных, кормовых культур. Только для современных фронтальных дождевальных машин типа «Кубань» и «Valley» [92, 119], позволяющих решить эту задачу, в крае с 1981 года построено 24 тыс. га оросительных систем. 6,5 тыс. га эксплуатируется и будет реконструировано на территории Динского района до 2008 года.

Однако, с момента пуска в эксплуатацию первых систем, обнаружились проблемы рассогласования степени автоматизации современной дождевальной машины и процесса водораспределения. Высокий уровень автоматизации поливной техники не использован в полной мере. Ручное управление процессом водоподачи и переходом поливных машин через подпорные сооружения в открытом оросительном канале потребовало содержания дополнительного (сверхнормативного) эксплуатационного персонала. Вызвало повышенные потери водных ресурсов (до 15−20% от потребляемого объема [20, 71]), увеличило затраты на их приобретение. По данным исследователей [46] организационно-технологические простои, дождевальной машины «Кубань», составляли в среднем 41% непроизводительных потерь времени. Сложившееся положение объясняется несогласованностью элементов технологии орошаемого земледелия и недостаточным вниманием к возможностям гидравлической автоматизации процесса водораспределения в каналах для дождевальных машин.

Гидроавтоматизации сооружений для открытых каналов посвящены работы известных ученых: Я. В. Бочкарева [22−24], М. З. Ганкина [29], П. И. Коваленко [44], Э. Э. Маковского [63], A.M. Михайленко [67], Е. В. Овчарова [24], В. И. Сергеева [88] и других авторов. Систематические исследования существующих и разработка новых технических средств водораспределения для открытых каналов-оросителей с использованием автоматизированной поливной техники начались с середины 80-х годов. Некоторые авторы рассматривали возможность применения существующих способов для водораспределения на каналах с использованием дождевальных машин: A.A. Горбунов [33, 34], В. Н. Корнев [46], М. П. Пензин, B.C. Касицын [72], A.A. Переве-зенцев [75], В. П. Руднев [78−80], А. В. Соболев [92], М. X. Унаев [92], Л. А. Федорякова, А. Е. Чернова [102], В. Н. Щедрин [109]. Другие предлагали новые способы: А. М. Буцыкин [25], И. В. Гварамадзе [30], А. М. Жарков-ский, М. Ш. Марголин [38], Ильмер [42], в т. ч. для каналов-оросителей с уклонами более 0,001. Автоматизации перегораживающих сооружений в каналах прямоугольного профиля посвящены работы С. Г. Бойко [20, 21]. Для подачи воды из открытого распределительного канала разработаны автоматизированные водовыпуски А. А. Пахомовым [71].

Однако, указанные работы не содержат комплексного решения для условий Краснодарского края, где каналы-оросители для дождевальных машин выполнены трапецеидального профиля и с уклонами менее 0,0004, а распределительные каналы — закрытыми, в виде напорного трубопровода. Таким образом, проблема совершенствования способов и технических средств водораспределения в каналах для ДМ является актуальной, а её решение имеет научно-прикладное значение.

Изложенный в настоящей работе материал посвящен исследованию указанной проблемы и является итогом научно-исследовательской работы автора, которая выполнялась в 1981;2002 гг. в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских и хоздоговорных работ Кубанского ГАУ.

Актуальность темы

подтверждена проведением исследований в рамках госбюджетной тематики № 1 200 113 465, тема 9 «Геосистемный мониторинг, охрана вод и водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв».

Цель диссертационной работы — совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин как объектов технологии орошаемого земледелия, обеспечивающей рациональное использование водных ресурсов. Для ее достижения поставлены задачи исследований:

— разработать способы распределения воды в малои среднеуклонных (до 0,001) каналах для дождевальных машин;

— разработать перспективные автоматизированные водовыпускное сооружение и подпорно-перегораживающее устройство (ППУ), реализующие способ распределения воды в каналах для дождевальных машин;

— экспериментально определить влияние на пропускную способность водовыпускного сооружения, с затвором клапанным противогидроударным (ЗКП), его геометрических параметров;

— экспериментально определить влияние на пропускную способность ППУ его геометрических параметров, угла открытия щита и параметров поперечного сечения канала для дождевальных машин;

— произвести испытание ППУ в натурных условиях;

— разработать методику расчета параметров ППУ для типовых сечений каналов;

— произвести расчет экономической эффективности применения способа распределения воды поддержанием дискретных уровней.

Объекты исследования — затвор клапанный противогидроударный (ЗКП) в составе водовыпускного сооружения и подпорно-перегораживающее устройство (ППУ), реализующие способ водораспределения в каналах для дождевальных машин.

Предмет исследования — экспериментальные и функциональные связи, определяющие зависимость пропускной способности ППУ и ЗКП от их геометрических параметров и параметров поперечного сечения канала для дождевальных машин.

Результаты исследования, составляющие научную новизну:

— зависимость коэффициента гидравлического сопротивления водовы-пуска от величины относительного открытия запорного клапана и отношения его диаметра к диаметру водовыпускного отверстия;

— зависимость пропускной способности подпорно-перегораживающего устройства от его геометрических параметров и угла открытия;

— способ регулирования водораспределения в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин поддержанием дискретных уровней;

— способ регулирования водораспределения по общему каналу гидравлической связи в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях гидравлики, экспериментальных данных, полученных на специальных лабораторных установках и моделях. Применены: теория планирования эксперимента, методы математической статистики, программное обеспечение Mathcad 2000, MS Office. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается адекватностью масштабных физических моделей и натурного образца, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов и результатами производственных испытаний созданного ППУ, а также результатами исследований других авторов.

На защиту выносятся:

— способ регулирования водораспределения в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин поддержанием дискретных уровней;

— способ регулирования водораспределения по общему каналу гидравлической связи в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин;

— зависимость коэффициента гидравлического сопротивления водовыпуска от величины относительного открытия запорного клапана и отношения его диаметра к диаметру водовыпускного отверстия;

— зависимость пропускной способности подпорно-перегораживающего устройства от его геометрических параметров и угла открытия;

В части разделов диссертации использованы материалы, полученные автором совместно с доктором технических наук, чл. корреспондент РАСХН Я. В. Бочкаревым, доктором технических наук, профессором Ю. А. Свисту-новым, профессором А. С. Луговым, инженерами: Н. 3. Матвеевым, С. В. Роем, С. В. Пановым, Н. Н. Матюшиным, И. П. Мысиным, Б. И. Шишкиным.

Автор выражает благодарность техническим экспертам научно-исследовательских и водохозяйственных организаций Краснодарского края, давшим оценку значимым составляющим характеристик средств водораспределения, которые сведены в генеральные определительные таблицы (подраздел 2.4).

Автор искренне признателен сотрудникам гидромелиоративного факультета Кубанского ГАУ, ОАО «Компрессорный завод», УЭОС «Кубань» принимавшим участие в разработке, изготовлении моделей устройств и проведении экспериментальных исследований, оказавшим консультационную помощь.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Современное состояние гидротехнических сооружений в каналах для ДМ на оросительных системах Краснодарского края и применяемых в настоящее время способов водораспределения показывают, что имеются возможности их совершенствования с целью рационального использования водных ресурсов.

2. С учетом особенностей технологии орошаемого земледелия, каналов и ДМ разработаны новые способы водораспределения (а.с. №№ 1 143 800 и 1 500 204), водовыпускные и подпорно-перегораживающие устройства для их реализации (а.с.№№ 1 027 329, 1 165 734, 1 198 469, 1 261 585, 1 332 273, 1 445 638, 1 665 345, 1 827 665), позволяющие обеспечить экономию 10−15% воды в каналах ДМ.

3. Экспертным методом прогнозирования установлено, что наиболее перспективными конструкциями для условий Краснодарского края являются: ЗКП (а.с. № 1 665 345) и ППУ (а.с. № 1 445 638), обеспечивающие поддержание эксплуатационных уровней в оросителях с точностью соответственно +5 см и +7 см.

4. Установлено исследованиями на физической модели и натурным экспериментом, что расход ППУ необходимо определять по формуле (18), обеспечивающей точность расчета +5% в диапазоне расходов 0,15−0,22 м3/с (разработаны расчетные номограммы). Коэффициент сопротивления ЗКП следует вычислять по формуле (20) при точности 5 =±5,2%, или для приближенных расчетов (5 = +9%) определять £вых по известным таблицам для выхода потока на бесконечный экран.

5. Способ водораспределения с общим каналом гидравлической связи (а.с.1 143 800), по сравнению с регулированием по нижнему бьефу, позволяет в 1,2 — 1,7 раза увеличить уклон дна оросителя в зависимости от числа перемычек и сократить объем земляных работ до 10 000 м3, за счет более экономичной врезки профиля канала в рельеф местности.

6. Наибольший экономический эффект достигается при совместном использования способов полива «от середины» и водораспределения поддержанием дискретных уровней (а.с.№ 1 500 204). ЧДД от применения способа составляет 9,7 тыс. руб/км канала при сроке окупаемости менее одного года.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

1. На существующих оросительных системах имеется возможность без реконструкции канала-оросителя устанавливать в нем автоматизированные средства водораспределения и регулирования.

2. Подпорно-перегораживающее устройство может быть изготовлено в условиях механических мастерских организаций по технической документации, имеющейся у разработчика.