Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние орошения плодовых культур на склоновых землях 8
1.1. Природно-климатические условия района исследования 8
1.2. Основные требования, предъявляемые при орошении склоновых земель 9
1.3. Применимость современных способов орошения плодовых культур на горных склонах 14
1.4. Теоретический анализ дождевания горных склонов 32
1.5. Выводы по главе 39
ГЛАВА 2. Теоретические исследования дождевания горных склонов 42
2.1. Основы теоретического расчета полета осесимметричной струи 42
2.2. Метод расчета площади дождевания аппаратами кругового действия на склонах различной крутизны 50
2.3. Выводы по главе 60
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментального исследования дождевального аппарата кругового действия для полива склоновых земель 61
3.1. Программа экспериментального исследования 61
3.2. Методика проведения экспериментального исследования 61
3.2.1. Описание экспериментальной установки и необходимого лабораторного оборудования для определения интенсивности дождя, равномерности ее распределения и площади искусственного дождевания ... 61
3.2.2. Определение радиуса Действия экспериментального дождевального аппарата кругового действия и построение единичных площадей дождевания на основе экспериментальных данных 66
3.2.3. Определение площади дождевания по кругу на основе данных единичных выстрелов экспериментального аппарата в радиальных направлениях 68
3.2.4. Методика проведения экспериментов 74
3.3. Математическое планирование эксперимента 77
3.3.1. Выбор типа модели и схемы ее планирования 78
3.3.2. Проверка адекватности математической модели 83
3.3.3. Проверка воспроизводимости математической модели 84
3.4. Выводы по главе 85
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 86
4.1. Опытные данные при испытании дождевального аппарата кругового действия на различных склонах 86
4.2. Математические методы установления рациональных схем размещения дождевальных аппаратов при дождевании по кругу на склоновых землях... 96
4.3. Оптимизация параметров дождевального аппарата по критерию максимальной эффективности дождевания 98
4.4. Оптимизация параметров дождевального аппарата по критерию максимальной площади дождевания 116
4.5. Выводы по главе 124
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность использования синхронного импульсного дождевания в интенсивном горном и предгорном садоводстве общие выводы 131
Рекомендации производству 134
Список использованной литературы 135
Приложения '. 151
- Природно-климатические условия района исследования
- Основы теоретического расчета полета осесимметричной струи
- Описание экспериментальной установки и необходимого лабораторного оборудования для определения интенсивности дождя, равномерности ее распределения и площади искусственного дождевания
- Опытные данные при испытании дождевального аппарата кругового действия на различных склонах
Введение к работе
Кабардино-Балкария входит в основной регион промышленного садоводства России.
Резкий переход в 90-х годах прошлого столетия нашего государства на рыночную экономику отрицательно сказалось на всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в садоводстве.
Состояние садоводства в начале 2000 года специалистами оценивается как критическое.
Основные принципы Снижения валового производства и качества плодов в нашей республике были обусловлены резким ухудшением материально-технического обеспечения садоводческих хозяйств, 10-12-ти кратным уменьшением количества применяемых минеральных удобрений, гербицидов, средств защиты растений, разрушением оросительных систем и установок, ликвидацией государственного заказа на производство плодов хозяйствами, а также значительным сокращением площадей плодовых насаждений. За период с 1990 года по 2000 год сокращение площадей произошло на 5,5 тыс.га или на 37%. В настоящее время эти площади сократились до 2 тыс.га.
В связи с этим жизненно важным стал вопрос преодоления кризисного состояния отрасли садоводства. В Северо-Кавказском НИИ горного и предгорного садоводства при участии специалистов Минсельхозпрода КБР разработана «Концепция и Программа сохранения и развития садоводства Кабардино-Балкарской республики до 2010 года».
В Республиканской целевой программе выделены 3 этапа развития садоводства: первый (2000-2001гг.) - предотвращение спада садоводства; второй (2002-2005гг.) - стабилизация и обеспечение условий для воспроизводства; третий (2006-2010гг.) - обеспечение значительного прироста продукции и создание условий для расширенного воспроизводства.
Задачи, стоящие перед интенсивным горным садоводством КБР, могут решаться только комплексным подходом с использованием новых техноло-
гий и техники, начиная с закладки насаждений и заканчивая реализацией продукции потребителю.
При интенсивном освоении склоновых земель, требующих больших капитальных вложений, обязывает экономически к получению проектных и стабильно высоких урожаев плодовых культур. Поэтому наряду с использованием высокой агротехники в рассматриваемых природно-климатических условиях необходимо применять орошение.
Однако, вопрос орошения садов на склонах до настоящего времени плохо изучен и значительно отстает от требований сельскохозяйственного производства. Это объясняется тем, что механизированный полив требует больших капитальных вложений. Кроме этого, доставка воды на склоны затрудняется из-за технического несовершенства существующей дождевальной техники. В связи с этим, особенности природных условий склоновых земель обуславливают необходимость широкого изучения способов и техники орошения плодовых культур на склонах, а также перспективы развития промышленного садоводства в сложных почвенно-рельефных условиях Кабардино-Балкарии обуславливает актуальность выполнения данной научно-исследовательской работы.
Целью исследований является совершенствование технологии орошения садов импульсными дождевальными аппаратами на склонах в условиях Кабардино-Балкарской республики.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
провести теоретический анализ современного состояния орошения плодовых культур на склонах;
провести краткий анализ основных достоинств и недостатков некоторых существующих дождевальных аппаратов для полива склоновых земель;
обоснование основных параметров и разработка конструкции дождевального аппарата кругового действия для полива склоновых земель;
экспериментально исследовать процесс работы опытных образцов при синхронном импульсном дождевании с целью оптимизации технологических параметров рабочих органов;
изучение равномерности распределения поливной воды и площади дождевания экспериментальными дождевальными аппаратами, как в круговых, так и в радиальных направлениях (от стояка аппарата) для различных склонов;
разработка компьютерной модели для имитации полевых условий распределения воды, как для единичных дождевальных аппаратов, так и их групповой работы с целью прогнозирования величин возможного стока;
определение коэффициента равномерности распределения поливной воды, значение средней и максимальной интенсивности искусственного дождя и площади дождевания, как для одного аппарата, так и с учетом перекрытия при (совместной) групповой работе дождевателей;
применение компьютерных программ для упрощения методов подсчета площади дождевания и оперативного расчета и установления рациональных схем размещения дождевальных аппаратов при проектировании их на склоновых землях;
оценить экономическую эффективность использования разработанного дождевального аппарата в горном и предгорном садоводстве;
- выработать практические рекомендации по проектированию син
хронных и импульсных дождевальных аппаратов кругового действия для
орошения садов интенсивного типа в горном и предгорном садоводстве.
Практическая значимость состоит в том, что:
разработана новая конструкция дождевального аппарата кругового действия для полива склоновых земель на базе патента РФ №2202175 от 20.04.2003г.
создан и испытан в полевых условиях дождевальный аппарат для полива склоновых земель.
Выявлена работоспособность и его эффективность при орошении садов на склонах в условиях горного и предгорного садоводства КБР. Основные положения, выносимые на защиту:
упрощенная методика расчета единичных площадей дождевания дождевальными аппаратами кругового действия для склонов различной крутизны;
компьютерные программы для математических расчетов и определения рациональных схем размещения дождевателей кругового действия при их проектировании на склонах любой крутизны;
компьютерная модель имитации распределения поливной воды на основе данных работы единичного дождевального аппарата в различных рабочих условиях;
оптимальные параметры дождевального аппарата по критерию максимальной площади дождевания и коэффициента равномерности распределения дождя;
допустимые значения интенсивности дождя для склоновых земель в районе проведения экспериментов;
натуральный образец разработанного диссертантом дождевального аппарата кругового действия для полива склоновых земель.
Данная работа посвящена решению вопроса повышения урожайности плодовых культур на склонах, путем внедрения наиболее эффективных способов и техники орошения и преследует своей целью оказать производству помощь в решении поставленных задач.
Природно-климатические условия района исследования
Кабардино-Балкарская республика расположена на северной центральной части Главного Кавказского хребта и на прилегающей Кабардин-ской равнине. Общая ее площадь составляет 12,5 тыс.км , где проживает по предварительным данным последней переписи больше 1000 тыс. человек.
Основные плодовые насаждения в регионе расположены в трех поч-венно-климатических зонах: степной (равнинной), предгорной и горной; горную зону, в свою очередь, принято делить на лесогорную и горно-степную [56].
Наиболее перспективной для развития промышленного садоводства является предгорная зона, включающая холмистое предгорье и покатые склоны острогов черных гор на высоте 450-650м над уровнем моря. В настоящее время в этой зоне размещено под садоводство около 2,0 тыс. га горных склонов [66, 68, 69, 70, 144, 147].
Климат предгорной зоны Кабардино-Балкарии, где в основном размещены плодово-ягодные массивы, характеризуются умеренно-континентальным. Средняя годовая температура изменяется в пределах от +6 до +10С. Наиболее теплыми месяцами являются июль со средней температурой воздуха +21,5С, август с температурой +20,7С. Абсолютно максимальная температура достигает +40С, минимальная -10С. Продолжительность безморозного периода равна 195 дням. Средняя сумма положительных температур составляет 3150С. В первую половину лета выпадает около 50% годового количества осадков. Выпадающие в летний период осадки распределяются по месяцам следующим образом: май 107мм; июнь 108 мм; июль 86мм. Относительная влажность воздуха в течении всего года составляет в среднем 70-83%, с небольшими колебаниями по месяцам. Летом наиболее часто повторяются умеренные ветры (1-2 м/с). Средняя многолетняя сумма осадков за год составляет 660 мм. Климатические условия, как видно из приведенных выше данных, благоприятны для выращивания плодовых культур на горных склонах.
Необходимо отметить, что количество выпадающих осадков недостаточно, и в летний период наблюдается атмосферная засуха, на что указывает низкий показатель атмосферного увлажнения (0,19-0,58).
Почвы под плодовыми насаждениями в предгорной зоне представлены в основном серыми и темно-серыми лесными, оподзоленными и типичными черноземами, по механическому составу в основном тяжелосуглинистые с легким подстилающим слоем. Рельеф местности выражен чаще большими уклонами, мелкоконтурными участками (20-50 га).
При дождевании склоновых земель вода подается на орашаемые участки в виде искусственного дождя, переходя из состояния водяного тока в состояние воздушной и почвенной влажности. Основное требование при этом заключается в том, чтобы процесс дождевания проходил без образования на поверхности луж и стока. Определяющим фактором при дождевании склоновых земель, является интенсивность и структура искусственного дождя.
Оптимальным пределом продолжительности дождевания считается время до образования луж или стока. Величина допустимой интенсивности определяется экспериментальным путем для различных технологий дождевания.
Впитывающая способность почвы (водопроницаемость) и величина уклона местности играют основную роль в технологии дождевания.
В нашей стране вопросами дождевания на склоновых землях занимались многие ученные [22, 54, 55, 59, 78, 85,109, 139, 150,156, 159].
Своеобразие почвенных и мелиоративных условий склоновых земель - сложный рельеф и большие уклоны местности (0,10-0,30), раздробленность и мелкоконтурность участков (20-40 га), маломощные почвы (до 50 см) с сильно фильтрующими подстилающими породами - не позволяют использовать серийно выпускаемую дождевальную технику из-за большой интенсивности дождя (0,2-0,3 мм/мин). Это вызывает водную эрозию почв, что недопустимо.
Поэтому для предотвращения эрозии почв при дождевании склоновых земель большое значение имеет правильный подбор характеристик искусственного дождя. Для оценки качества дождя А.А. Исаев (1974) предложил три основные характеристики [48]: 1. Слой осадков и интенсивность дождя, соответствующей впитывающей способности почвы; 2. Силовые воздействия капель на поверхность почвы; 3. Равномерность распределения слоя дождя, подаваемого за один полив.
Основы теоретического расчета полета осесимметричной струи
При дождевании склоновых земель аппаратами кругового действия возникает вопрос о возможном неравномерном распределении поливной воды. Одним из сдерживающих факторов эффективности полива может стать разность площадей в верхней и нижней (от аппарата) зонах дождевания. Интенсивность дождя в верхней зоне полива значительно может быть выше, чем в нижней. Это получается в связи с тем, что при полете дождевой струи вверх, дальность полета значительно меньше, чем при полете вниз по склону. В последнем случае дальность полета струи увеличивается за счет инерционных сил, вектор которых направлен в сторону падения дождевых капель. Площадь дождевания аппаратами кругового действия напрямую связана с параметрами дождевой струи [42].
Обратимся к вопросу движения осесимметричной струи, которая совершает полет вверх и вниз по склону. Рассмотрим траекторию дождевальной струи изображенной на рисунке 2.1.
При проектировании стационарных дождевальных систем схема расстановок аппарата зависит от дальности их действия и равномерности распределения дождя по площади. В отечественной практике дождеватели размещают исходя из геометрического перекрытия контуров увлажнения: по углам квадрата, сторона которого / принимается равной l,41Rg (Rg -дальность действия аппарата), или по углам равнобедренного треугольника с основанием /;=l,73Rg и высотой (расстояние между трубопроводами) /2 l,5Rg [1, 58, 88, 93, 96, 108, 111, 119, 120, 153, 154, 157]. Такие схемы расстановки дождевателей приемлемы при скоростях ветра до 0,5 м/с и отсутствии уклонов местности.
В случае дождевания склоновых земель с различными углами крутизны / 0 вышеизложенные схемы размещения дождевателей не подходят для проектирования стационарных систем. Увеличение угла крутизны склона /? значительно начинает влиять на величину площади дождевания, которая в свою очередь меняет схему расстановки дождевателей по горизонтали и по направлению уклона местности [22, 26, 55, 85, 92, 98,107, 139, 140].
Известно, что для каждого значения крутизны склона /? существует только одна площадь дождевания, которая при заданных Я и d насадки достигает максимального значения: Н - напор перед соплом ствола дождевального аппарата в м; d- диаметр ствола на выходе из сопла в м.
Зная величину площади или контура дождевания одним аппаратом можно выполнить схему размещения дождевателей на любом требуемом массиве.
В связи с вышеизложенным, возникает вопрос об облегчении метода расчёта площади дождевания аппаратами при проектировании стационарных систем.
Понимая, что дальность и высота полёта дождевальной струи (источник искусственного дождя), ограниченная в своём движении сопротивле ниєм воздуха, достигается заданными гидравлическими параметрами, создаваемыми дождевальным аппаратом, опишем следующее.
Предположим, что нам требуется создать дождь дождевальным аппаратом, стоящим в точке О. Максимальная дальность полёта дождевой струи будет при этом ограничена в некоторой точке А, где происходит резкий поворот направления струи на огибающей кривой.
Расстояние от насадки до точки А назовём дальностью полета раздробленной части струи Rc. Из опытов известно, что Д. угол наклона Rc к горизонтальной линии меньше, чем угол наклона ствола во Если перемещать точку А по огибающей кривой, то с уменьшением угла наклона fic величина Rc будет увеличиваться до размеров Rg, где Rg -максимальная дальность действия дождевой струи на горизонтальной поверхности.
Наибольшая дальность полёта, как установлено опытным путём, получается при угле наклона ствола примерно 30-32 (большинство дождевальных насадок выпускаемых промышленностью имеют наклоны стволов 30-32 к горизонту) [48-52,145, 148,152].
Наибольшая высота струи достигается при вертикальном или очень близком к нему положению ствола.
Существует зависимость между высотой вертикальной струи Нв и дальностью полета раздробленной струи Rc. Эта зависимость имеет вид Rc=fHe (2.32) где / - коэффициент, зависящий от угла fic, образующего дальность полета раздробленной струи Rc с горизонтальной плоскостью. Значения коэффициента/приведены в таблице 2.1.
Описание экспериментальной установки и необходимого лабораторного оборудования для определения интенсивности дождя, равномерности ее распределения и площади искусственного дождевания
Для достижения указанной цели создана экспериментально-полевая установка дождевального аппарата кругового действия для импульсного дождевания садов на склонах горного и предгорного садоводства.
Для удобства проведения экспериментов были выбраны семь участков на склоновых землях Долинского опытного полигона СКНИИГПС с различными уклонами.
Первый участок - горизонтальная асфальтированная площадка /?=0. Со второго до седьмого - соответственно /?=5, 10, 15, 20, 25, 30 (луговые участки с мягким и низким травянистым покровом высотой до 10 см).
Все участки перед началом испытаний были размечены меловым порошком в форме лучей, исходящих с центра участка под определёнными и симметричными друг с другом углами. В центре участков по компоновке находились точки установки дождевального аппарата, с которого велись экспериментальные выстрелы дождевых струй.
Радиальные линии, отмеченные меловым порошком являются главным ориентиром при радиальных выстрелах аппарата. Угол между этими линиями составлял 15. На меловых линиях расставляли, строго через 1 метр, приемные литровые банки стандартного образца. По кругу от этих линий (справа и слева) расставлялись литровые банки через 0,2 метра.
Стеклянные банки в экспериментах выполняли роль единичных приемных площадок, а их количество в начале эксперимента составляло 840 штук с пластмассовыми крышками для них.
Для проведения опытов был использован опрыскиватель ОПВ-1200 на базе трактора МТЗ-82. К импульсному дождевателю вода подкачивалась поршневым насосом от ОПВ-1200 через металлопластиковую трубу о 15мм и длиной 50 метров. Для измерения количества воды, выпадаемой в приемные банки при искусственном Дождевании, применялись стандартные (лабораторные) мерные колбы.
Определение давления подкачиваемой воды к аппарату, а также давление воздуха в пневмогидроаккумуляторе производились высокоточными приборами (датчик для определения давления в жидкостях и манометр воздушный).
Все работы на опытных площадках проводились с одинаковыми метеоусловиями и в соответствии с требованиями, применяемыми в системе гидрометеослужбы РФ.
В связи с этим велись наблюдения за элементами микроклимата. Измерялись следующие параметры: - температура и влажность воздуха - аспирационным психрометром; - скорость ветра - ручным анемометром на уровне 2 метров от поверхности площадок.
Для точного определения нулевой границы увлажнения по экспериментальным выстрелам дождевой струи применялись бумажные ленты, которые прокладывались поперек и вдоль линии выставленных банок, но в районе возможных границ контура увлажнения с запасом ±2м.
Для исключения возможности испарения воды из приемных банок после контрольных выстрелов банки незамедлительно закрывают пластмассовыми крышками, которые создают необходимую герметичность.
Опытные данные по выстрелам дождевального аппарата усреднялись по десяти повторностям с целью измерения интенсивности малой величины.
Для изучения водопроницаемости почвы и установления полной и по-левой влагоемкости почвы использовали кольца разного диаметра, которые вставляли одно в другое и закапывали в землю. Над кольцами устанавливали два мерных бочка, устроенных по принципу сообщающихся сосудов. Затем кольца заполняли водой и по мере впитывания воды в почву, во внешнее кольцо добавляли воду из резервуара, а внутреннее кольцо добавляли из мерного бочка. Опыт проводился с поверхности почвы и с глубины 0,5м с целью сравнения результатов опыта. Ввиду того, что верхний слой был нарушен, определялись средние скорости впитывания см/мин при заливе площадок с постоянным напором 10 см.
Материалы наблюдений и измерений обрабатывались методом математической статистики и дисперсного анализа [38, 84, 102] с целью установления точности и достоверности результатов опытов.
Схематическое изображение экспериментально-полевой установки дождевального аппарата кругового действия для импульсного дождевания склоновых земель показано на рис. 3.1, общий вид дождевальной установки -нарис. 3.2.
Опытные данные при испытании дождевального аппарата кругового действия на различных склонах
Известно, что характеристики дождя определяются параметрами струи на выходе из сопла. В свою очередь, параметры струи полностью определяются гидравлическими параметрами рабочих органов дождевальных машин. С учетом вышеизложенного, диаметр насадки ствола дождевального аппарата выбираем из стандартного ряда диаметров, выпускаемой промышленностью , 14,16 мм. Гидравлический напор Н у выхода из сопла ствола подбирается по за данным уровням критерия Фруда —=2000, 2500 и 3000. При этом известно, d что каждому значению — отвечает одно значение угла наклона 6 ствола d дождевального аппарата к горизонту, или угла вылета струи, при котором струя имеет максимальную дальность полета. Для нашего аппарата базовое значение во = 32. На рис. 4.1. показана работа дождевального аппарата на горизонтальном участке (0=0), а на рис. 4.2. - на склоновом участке.
Дождевальный аппарат имеет два жестко закрепленных друг с другом ствола с разными струеобразующими возможностями. Один ствол создает осесимметричную струю средней дальности действия капли, которой в основном увлажняют сектор дальше 8-12 метров от аппарата.
Другой ствол с щелевой прорезью создает веерную пленку, которая распадается на капли в незначительном удалении от ствола и охватывает дождем всю прилегающую зону дождевального аппарата.
Для упрощения расчетов данных искусственного дождевания мы совместили выстрелы обеими стволами в одном направлении, то есть по десять выстрелов, но в одном направлении от стояка.
На рис. 4.3. показаны данные по работе аппарата на ровной опытной площадке (/? =0). Здесь показана интенсивность дождя, получаемая в объемном виде (а) и проекция линий интенсивности на контур увлажнения (б).
На рис. 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 показаны данные, полученные при работе аппарата на склоновом участке /?=15 и при угле поворота ствола на 45, 90, 270 и 315 вокруг оси стояка.
Чтобы получить полную картину искусственного дождевания по кругу, воспользуемся методом интерполяции экспериментальных данных, полученных по секторам через 15.
В результате математической обработки экспериментальных данных и создании компьютерной программы, которая синхронно повторяет ход работы дождевального аппарата при круговом поливе, мы получаем наглядную картину по интенсивности дождя.
На рис. 4.8. в объемном виде и виде проекции интенсивности искусственного дождя при работе дождевального аппарата по кругу и шаге выстрела равной 5. Такая картина интенсивности дождя возникла бы, если все 72 выстрела, при котором аппарат делает полный оборот в 360, произошли бы одновременно.
Но следует принимать то условие, что пока аппарат делает выстрелы по секторам дождевателя, вода непрерывно впитывается, как только достигает почвы, а линии интенсивности дождя несут дискретный характер.
Анализируя данные из рисунка 4.9. мы видим, что максимальная интенсивность в верхней части достигает 0,006 мм/мин., а в нижней части 0,003 мм/мин.
Следует отметить, что более выраженное сгущение количества осадков происходит в верхней части участка дождевания площадью 7-Ю м на расстоянии 9-13 метров от стояка дождевального аппарата.
