Содержание к диссертации
Введение
1. Научные предпосылки формирования устойчивых агроландшафтов аридной зоны в условиях орошения 16
1.1. Состояние проблемы эксплуатации орошаемых агроландшафтов аридной зоны 16
1.2. Научные подходы к обоснованию экологической безопасности способов орошения 24
1.2.1. Существующие подходы к оценке эксплуатационной надежности и экологической безопасности оросительных систем 24
1.2.2. Анализ существующих подходов к созданию адаптивных способов орошения (отечественный и зарубежный опыт) 32
1.3. Теоретические подходы к формированию устойчивых агроландшафтов при выращивании сельскохозяйственных культур в севооборотах -*о
1.4. Требования сельскохозяйственных культур к почвенно-климатическим условиям аридной зоны 41
Выводы 46
2. Разработка комплексной ситемы оценки экологической безопасности способов орошения 47
2.1. Научно-методические основы экологической безопасности орошения 47
2.2. Комплексная система оценки экологической безопасности воздействия ООС и способов орошения на почвы агроландшафта.. 50
2.2.1. Оценка технического состояния открытой оросительной сети 58
2.2.1.1. Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической безопасности открытой оросительной сети 62
2.2.1.2. Методика расчета и оценки экологической безопасности открытой оросительной сети в бетонной облицовке 73
2.2.2. Оценка экологической безопасности способов орошения по условиям развития эрозионных процессов 77
2.2.3. Оценка экологической безопасности способов орошения по допустимому выносу гумуса 90
2.2.4. Оценка экологической безопасности способов орошения по условиям подъема уровня грунтовых вод 92
2.2.5. Оценка экологической безопасности способов орошения по засолению почв ; 94
2.3. Экологическая оценка преобразования ландшафта орошаемых земель 97
Выводы 105
3. Разработка способов повышения экологической безопасности открытой оросительной сети 107
3.1. Оценка эксплуатационной надежности и долговечности бетонных противофилырационных облицовок оросительных каналов 107
3.2. Статистическая оценка показателей интенсивности отказов облицованных каналов открытой оросительной сети 116
3.3. Статистическая оценка показателей надежности облицовок оросительных каналов 125
3.4. Оценка проницаемости тонкостенных бетонных конструкций 130 на открытой оросительной сети
3.5. Оптимизация интервала проведения ремонтных работ по восстановлению бетонной облицовки 133
3.6. Ресурсосберегающая технология приготовления бетонных смесей для мелиоративного строительства 138
Выводы 152
4. Повышение экологической безопасности способов орошения 154
4.1. Разработка и оптимизация циклического орошения сельскохозяйственных культур 154
4.2. Обоснование вывода сельскохозяйственных площадей из зоны регулярного орошения 155
4.2.1. Изменение почвенно-мелиоративных условий староорошаемого ландшафта при вынужденном прекращении орошения 156
4.2.2. Показатели вывода сельскохозяйственных площадей из регулярного орошения 167
4.3. Способы циклического и периодического орошения сельскохозяйственных культур в севооборотах 175
4.3.1. Условия применения способов орошения 175
4.3.2. Способ циклического орошения 183
4.3.3. Способ периодического орошения 189
4.4. Оценка экологической безопасности полива при циклическом и периодическом орошении 197
4.4.1 .Оценка экологической безопасности полива дождеванием 199
4.4.2. Оценка экологической безопасности полива по бороздам 209
Выводы 215
5. Оценка динамики загрязнения вод на агроландшафтах 216
5.1. Особенности загрязнения дренажно-сбросных вод 216
5.1.1. Обоснование условий влияющих на минерализацию дренажно-сбросных вод 222
5.1.2. Прогноз загрязнения грунтовых вод 225
5.2. Разработка уточненного размещения сети постов наблюдений за оросительными и дренажно-сбросными водами 234
5.2.1. Разработка уточненной методики установления зон забора вод на орошение 234
5.2.2. Оценка качества поливной воды 249
5.2.3. Разработка алгоритма управления ситуационной обстановкой на территории, обследуемой сетью постов наблюдений 252
Выводы 255
6. Обоснование влияния грунтовых вод на урожайность и устойчивость сельскохозяйственных культур 257
6.1. Оценка водно-солевого режима почв 264
6.2. Прогнозирование влияния грунтовых вод на урожайность 273
6.3. Прогнозирование влияния относительной доли площадей с различными глубинами залегания грунтовых вод на урожайность культур 277
Выводы 279
7. Экономическое обоснование эффективности использования орошаемых агроландшафтов аридной зоны 281
7.1. Экономическая эффективность реконструкции открытой оросительной сети 281
7.2. Оценка экономической эффективности предлагаемых вариантов сети постов наблюдений за дренажно-сбросными водами...283
7.3. Анализ сравнительной экономической эффективности проведения мелиоративных мероприятий по улучшению почв при использовании новых технологий орошения 291
Выводы , 294
Общие выводы 295
Литература 298
Приложения 322
- Научные подходы к обоснованию экологической безопасности способов орошения
- Комплексная система оценки экологической безопасности воздействия ООС и способов орошения на почвы агроландшафта..
- Статистическая оценка показателей интенсивности отказов облицованных каналов открытой оросительной сети
- Обоснование вывода сельскохозяйственных площадей из зоны регулярного орошения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Орошаемые агроландшафты аридной зоны являются основным источником сельскохозяйственной продукции. В докладе вице-президента РАСХН А.Л. Иванова на научно-практической конференции «Эколого-мелиоративные аспекты научно-производственного обеспечения АПК» отмечается, что состояние земельного фонда аридных регионов является критическим. Высокая концентрация сельскохозяйственного производства привела к резкому ухудшению экологической обстановки.
Интенсивная эксплуатация орошаемых агроландшафтов, применение грузных оросительных норм без оценки экологической безопасности орошения, преобладание экономических целей над экологическими способствовали развитию деструктивных процессов на орошаемых землях аридной зоны. На орошаемых землях происходит подъем уровня грунтовых вод, развиваются процессы эрозии, наблюдается засоление и дегумификация почв, что в результате приводит к потере почвенного плодородия, резкому снижению урожайности и исключению земель из состава орошаемого фонда.
Сохранение природно-ресурсного потенциала, экологической устойчивости орошаемых земель и прилегающих к ним агроландшафтов невозможно осуществить при разноплановом и несистемном решении возникающих задач. Отсутствие комплексного подхода к проведению оценки деградации орошаемых агроландшафтов и недостаточно полное использование возможностей математического моделирования затрудняют решение этой серьезной проблемы. Существующий экологический инструментарий в условиях разбалансирован-ной экономической, финансовой и политической жизни страны ориентирован в основном на констатацию факта деградации орошаемого массива и в меньшей степени — на выполнение всего комплекса работ по исправлению сложившейся ситуации.
Такая ситуация серьезно подрывает продовольственную безопасность страны, особенно в условиях возможного вступления в союз ВТО, и требует скорейшего принятия превентивных мер. Реализация природоохранных мероприятий на орошаемых землях должна быть связана непосредственно с совершенствованием ведения орошения и повышением эксплуатационной надежности каналов государственной и хозяйственной открытой оросительной сети.
В этой связи повышение экологической безопасности способов орошения для формирования устойчивых агроландшафтов в аридной зоне является весьма важной и актуальной проблемой, решению которой посвящена данная работа.
Исследования по теме выполнены в рамках программы «Освоение адаптивных систем и природоохранных технологий восстановления природно-ресурсного потенциала и повышение продуктивности аридных территорий РФ (2001-2010 гг.)».
Цель работы: повышение экологической безопасности способов орошения для формирования в антропогенно-нарушенных экосистемах аридной зоны устойчивых агроландшафтов.
Основные задачи исследований.
-
Разработать комплексную систему оценки экологической безопасности способов орошения на агроландшафтах Нижнего Дона с учетом показателей технического состояния каналов открытой оросительной сети (ООС), подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, ирригационной эрозии, выноса гумуса и общей деградации агроландшафта.
-
Провести оценку технического состояния облицованных и лотковых каналов ООС и разработать способы повышения их эксплуатационной надежности за счет применения рациональных составов композитных материалов и оптимизации интервалов проведения текущих ремонтов.
-
Разработать мероприятия по повышению экологической безопасности способов орошения для формирования устойчивых агроландшафтов.
-
Оценить загрязнение вод на агроландшафтах.
-
Установить закономерности и зависимости влияния уровня грунтовых вод на урожайность культур.
-
Провести расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий на землях циклического орошения в условиях аридной зоны.
Объект исследований — орошаемые агроландшафты аридной зоны. Предмет исследований — методы и способы мелиорации, их влияние на развитие, функционирование и устойчивость агроландшафтов.
Методология исследований. В качестве методологической основы использованы комплексные теоретические, полевые, лабораторные и натурные исследования на территории оросительных систем аридной зоны, анализ и
обобщение полученных результатов, а также публикации отечественных и зарубежных ученых.
Все исследования проводились в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов, общепринятых методик разработанных РАСХН, ВНИИГиМ, ВНИИОЗ, РосНИИПМ и ВНИИ кормов.
При проведении исследований, основная часть задач решалась аналитическими методами, моделированием изучаемых процессов на ЭВМ при помощи теории планирования эксперимента, теории вероятности и теории надежности. Верификация математических моделей проводилась при помощи лабораторных и натурных экспериментов. Обработка результатов натурных исследований производилась с помощью методов математической статистики по специально разработанным прикладным программам. В ходе исследований использовались метрологически аттестованные стенды и установки, стандартные методики, позволяющие обеспечить достоверность полученных результатов и обоснованность сделанных выводов.
Научная новизна работы:
получены математические модели для оценки экологической безопасности способов орошения на агроландшафтах аридной зоны;
выявлены и обоснованы факторы, влияющие на развитие, функционирование и устойчивость агроландшафтов аридной зоны;
предложены новые составы композитных материалов, оптимизированные решения рецептурно-технологических задач проведения текущих ремонтов на каналах ООС для снижения стоимости проведения ремонтных работ и повышения экологической безопасности способов орошения;
- разработан способ циклического орошения сельскохозяйственных
культур в севооборотах для предупреждения деградации мелиорируемых зе
мель;
получены зависимости, позволяющие осуществлять прогноз динамики загрязнения оросительных и грунтовых вод на агроландшафтах аридной зоны, установлены связи между минерализацией дренажно-сбросных вод и их ионным составом;
получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур от глубины залегания грунтовых вод.
Основные положения, выносимые на защиту:
- факторы, влияющие на развитие, функционирование, устойчивость аг-
роландшафтов и экологическую безопасность способов орошения;
- комплексная система оценки экологической безопасности способов
орошения;
результаты оценки экологической безопасности способов орошения в условиях засоления почв, развития эрозионных процессов и выноса гумуса;
новые составы композитных материалов, оптимизированные решения рецептурно-технологических задач проведения ремонтных работ на каналах ООС для повышения экологической безопасности и эксплуатационной надежности противофильтрационных облицовок;
способ циклического орошения сельскохозяйственных культур в севооборотах на агроландшафтах аридной зоны;
зависимости, позволяющие осуществлять прогноз динамики загрязнения оросительных и грунтовых вод;
аналитические зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от глубины залегания грунтовых вод на участках богарного цикла использования.
Практическая значимость характеризуется тем, что полученные в диссертации результаты открывают новые перспективы для рациональной эксплуатации агроландшафтов в условиях орошения, а именно:
-
Обоснована комплексная система оценки экологической безопасности способов орошения, позволяющая оперативно определять степень и интенсивность протекания деградационных процессов на агроландшафтах Нижнего Дона.
-
Разработан способ повышения экологической безопасности и эксплуатационной надежности противофильтрационных облицовок оросительных каналов за счет применения ресурсосберегающей технологии приготовления бетонных смесей и рациональных методов профилактических работ, обеспечивающих снижение затрат на текущий ремонт.
-
Повышен ресурсосберегающий эффект при орошении дождеванием и по бороздам за счет рационального использования воды, позволяющий снизить интенсивность негативной антропогенной нагрузки при обеспечении проектируемой урожайности;
4. Предложенные решения позволяют увеличить устойчивость агро-ландшафтов, расширить орошаемые площади, снизить непроизводительные потери оросительной воды, повысить экологическую безопасность орошения и сохранить плодородие почв. Полученные расчётные зависимости и методики дают возможность достаточно быстро и точно проводить оценку экологической безопасности по условиям развития деградационных процессов и корректировать техногенную нагрузку.
Реализация результатов работы
По материалам исследований разработан ряд практических рекомендаций для сельскохозяйственного производства. Результаты исследований внедрены в проектную документацию ГУ «Южводпроект» (г. Ростов-на-Дону) в составе проектов реконструкции открытых оросительных сетей, в проекте паводкового водосброса гидроузла Тилездит в Алжире, разработанного Пятигорским отделением ОАО «Зарубежводстрой». Использованы ФГУ Управление «Ростовмелиоводхоз» (г. Ростов-на-Дону) в практике эксплуатации межхозяйственных и внутрихозяйственных оросительных систем орошаемых хозяйств Багаевского, Веселовского, Семикаракорского районов Ростовской области на общей площади 15,46 тыс. га. Результаты работы внедрены в учебный процесс Донского госагроуниверситета (ДонГАУ), Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), Новочеркасской государственной мелиоративной академии и включены в курсы лекций: «Мелиорация», «Экологические проблемы АПК», «Ландшафтная экология», «Сельскохозяйственная экология», «Земледелие», «Комплексное использование водных ресурсов», «Эксплуатация комплексных гидроузлов», «Местные строительные материалы».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции «Проблемы ирригации в Ростовской области» (Новочеркасск, 1995 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Кадры и научно-технический прогресс в мелиорации» (Новочеркасск. 1997 г.), на научно-практических конференциях «Проблемы мелиорации антропогенных ландшафтов» (Новочеркасск, 1999-2003 гг.), научно-практических семинарах «Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения» (Новочеркасск 2003-2005 гг.), международной конферен-
ции (Костяковские чтения) «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Москва, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Техническое обеспечение орошаемого земледелия в АПК» (Москва, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Эколого-мелиоративные аспекты научно-производственного обеспечения АПК» (Астрахань, 2005 г.).
Публикации. Научные результаты исследований по рассматриваемой проблеме опубликованы в 91 работе автора, включая 21 работу в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретение, 2 монографии объемом 42,16 печатных листа, 4 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 388 стр. машинописного текста, включает 118 рисунков, 107 таблиц. Содержит приложения и акты внедрения. Список литературы состоит из 344 наименований в т.ч. 38 публикаций зарубежных авторов. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и предложений производству.
Научные подходы к обоснованию экологической безопасности способов орошения
Разработка основных задач и положений теории надёжности водохозяйственных сооружений, их методическая систематизация впервые была представлена акад. Ц.Е. Мирцхулава и продолжена им в ряде работ [184-187], в которых изложены приёмы расчётов объектов гидромелиорации, гидротехнического и водохозяйственного строительства с использованием критериев теории надежности, рассмотрены виды их аварий, повреждений и неисправностей, предложены методы оценки надёжности оснований, устойчивости склонов и откосов, противофильтрационных облицовок с учетом износа их вследствие истирания.
Оценка надежности работы открытых оросительных систем получила свое отражение и дальнейшее развитие в трудах: Т.А.Алиева, И.А. Долгуше-ва, А.В. Колганова, А.А. Коршикова, Ю.М. Косиченко, В.Н. Щедрина, А.Г. Алимова и др.
Согласно ГОСТ 27.002-83 под общим понятием надёжности объекта понимается его свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Для различных конструкций и сооружений оросительных сетей существующая проблема обеспечения надёжности часто решается без непосредственного использования методов теории надёжности. Они проектируются с учётом эксплуатационных нагрузок и изменений во времени свойств конструкционных материалов. Установленные для объектов гидромелиорации нормы прочности и другие строительные и проектные нормы, реализуемые совместно с правилами приемки готовых сооружений, правилами эксплуатации, включающими необходимый надзор, обслуживание и восстановление, теоретически обеспечивают минимальное число отказов в течение всего срока службы. Методы математической статистики и теории вероятности используются при определении реальных диапазонов эксплуатационных нагрузок, характеристик прочности материалов, обосновании коэффициентов запаса прочности и коэффициентов безопасности, характеристик эрозионных процессов. В стадии разработки конкретного проекта используются преимущественно детерминированные (нормативные) показатели и коэффициенты, согласованные методики выбора и расчета, периодичности осмотра или замены, ремонтов или контрольных испытаний. При таком подходе к выбору проектных решений все возможные разбросы воздействующих факторов, характеристик материалов и конструкций, технологии их выполнения перекрываются вводимыми запасами. При этом отсутствие отказов гарантируется для всех объектов, выполненных по данному проекту и эксплуатируемых в оговоренных условиях.
Повышение требований экономического характера, ухудшение экологической ситуации на орошаемых полях, изменение технологических процессов, и другие аналогичные факторы затрудняют распространение детерминистского подхода и заставляют прибегать к помощи комплексной оценки надежности с учетом требований экологической безопасности. При выборе показателей теории надежности исследователями рекомендуется различать восстанавливаемые и не восстанавливаемые элементы оросительных сетей [17]. Восстанавливаемыми являются элементы оросительных сетей, которые при выполнении возложенных на них функций допускают ремонт, например временный ороситель, распределительный и внутрихозяйственный каналы и т.д. Существуют единичные и комплексные показатели надежности оросительных систем. Единичные показатели призваны количественно характеризовать только одно свойство, определяющее надежность изучаемого объекта. Здесь следует учитывать, что показатели надежности количественно характеризуют, в какой степени конкретной оросительной системы присущи определенные свойства, обеспечивающие ее надежность. Они бывают размерные и безразмерные: например, к размерным можно отнести такой показатель как наработка на отказ, а к безразмерным - вероятность безотказной работы. Высокий уровень проектной надёжности является важным фактором. Если на этапе проектирования неправильно выбран хотя бы один параметр конструкции, то в процессе эксплуатации произойдет серия отказов, а затем полный отказ объекта [302].
В работах В.Н. Щедрина [292], А.В. Колганова [138], Ю.М. Косиченко [148] и др. приводятся примеры нарушения надежности эксплуатации на открытых оросительных сетях, которые произошли из-за отклонений от проекта, допущенных при строительстве сооружений, недоучета в проектах эффективности работы, несовершенства конструкций некоторых сооружений и другим причинам. В результате произошло разрушение крепления железобетонных плит, имели случаи разрушения гидротехнических сооружений. Отмечается сложность эксплуатации лотковых сооружений на открытой оросительной сети вследствие засорения их мусором и осадочными деформациями грунтов основания стоек опор, что приводит к утечке воды через стыки, размыву грунтов и, в результате, к разрушению самого сооружения или его элемента.
Проведенные исследования [1, 12, 13, 14, 18, 29, 90, 105,119, 138-140, 145, 146-149, 151, 163, 191, 193, 198, 199, 236, 269, 278, 282, 283, 290-293, 302, 310, 321, 331] по существующей оценке оросительных систем позволили, установить показатели технического состояния ОС при определении уровней экологической безопасности (табл. ГИЛ).
Помимо рассмотренных причин, из-за конструктивных недостатков сооружений в их нижних бьефах создаются условия неудовлетворительного сопряжения, такие как: сбойность течения, донный режим сопряжения, повышенная кинетичность, концентрация удельных расходов, пульсация скоростей, давлений и др., что также приводит к различным разрушениям.
Обеспечение надёжности конструкции на стадиях проектирования и строительства создает благоприятные условия для безотказности в процессе эксплуатации. Поддержание высокого уровня надёжности является задачей этапа эксплуатации. Это осуществляется при соблюдении правил эксплуатации, своевременном техническом обслуживании и ремонте повреждений.
Одним из важных свойств, входящих в составное понятие надёжности, является прочность. Нарушение прочности материалов гидротехнических конструкций и оснований влечёт за собой снижение эффективности дальнейшей эксплуатации. Оно может быть вызвано карстово-суффозионными процессами, нарушением технологических операций, низким качеством строительных работ, отсутствием научных исследований по отдельным вопросам, связанным с внедрением новых конструкций, материалов или технологий и др. [149].
Несмотря на проведенные достаточно обширные исследования, такие вопросы как влияние ОС на степень деградации ландшафта, зависимость экологической безопасности ОС от надежности материалов и конструкций при значительных деформациях и др., связанные с необходимой комплексной оценкой воздействия ОС, в научных работах не рассматриваются.
Одним из главенствующих факторов, влияющих на надёжность, являются физико-механические свойства строительных материалов. На продолжительность периода эффективной эксплуатации оросительных систем они оказывают различную роль. В облицовочных, сопрягающих и берегоукрепительных конструкциях они, как правило, представлены железобетоном, бетоном, камнем и другими строительными материалами с высокой прочностью. В противофильтрационных конструкциях, ввиду экранирования значительных площадей, применяют более дешевые материалы, которые обладают меньшей прочностью, и, соответственно, меньшей надёжностью в части их повреждаемости.
Комплексная система оценки экологической безопасности воздействия ООС и способов орошения на почвы агроландшафта..
В процессе функционирования ООС наблюдается их естественное старение, составляющие элементы изнашиваются, получают повреждения, происходит частичная или полная утрата отдельных возможностей. Под влиянием различных факторов возникают искажения параметров оросительной сети, ухудшается эффективность эксплуатации, падает надежность, снижается эффективность сельскохозяйственного производства, увеличивается негативное экологическое воздействие на ландшафты.
Исследование причин возникновения негативных процессов позволило сделать вывод о том, что основным стимулирующим фактором снижения экологической безопасности ООС является перерасход воды, как при транспортировке, так и при осуществлении орошения. Это приводит не только к постепенному разрушению сети вследствие повышенных нагрузок на элементы, но и, как следствие, к образованию достаточно сильных воздейст 51
вий на компоненты окружающей среды, что необходимо учитывать при экологически концептуальном подходе к решению данной проблемы.
В настоящее время создана нормативная база в виде норм водопо-требления для орошения сельскохозяйственных культур по основным регионам России, а также в виде различных рекомендаций и методических указаний [170, 194]. Она может быть использована при разработке новых методов оценки экологической безопасности оросительной сети с учетом экологических факторов для конкретных условий Ростовской области. Экологическая безопасность воздействия ООС и способов орошения на устойчивость агроландшафтов зависит и от соблюдения технологий работ при проведении орошения, почвозащитных и природоохранных мероприятий.
Проведенный анализ воздействия ООС и способов орошения позволил разработать структурную схему недостаточной экологической безопасности, представленную на рисунке 2.2, и определить причины ее снижения [213] (рис. 2.3). Целесообразно для проведения дальнейших исследований учесть критерий, определяющий продолжительность нормальной эксплуатации ООС, оценочные показатели которого, в результате детального анализа исследований многих авторов [140, 194, 221, 282, 296, 302], были сведены в схему, представленную на рисунке 2.4. Таким критерием является долговечность ООС. Основными показателями этого критерия являются: технический ресурс; срок службы; гарантийный срок службы; коэффициент готовности оборудования; коэффициент оперативной готовности оборудования. Коэффициент готовности оборудования при длительной эксплуатации стремится к постоянной величине. Структурная схема долговечности ООС где N — общее количество участков одного элемента; Tpi — наработка і-того элемента до капитального или среднего ремонта; Трсі — наработка і-того элемента до списания; tp — время работы системы за период эксплуатации; "Тт — суммарное время простоев за период эксплуатации по причине отказов, ремонтных и профилактических работ; tcp(t) — среднее время между отказами оборудования; Тв — среднее время восстановления; P(to) — вероятность безотказной работы В формулах (2.1), (2.2): Т- среднее время безотказной работы элемента системы; Тв - среднее время восстановления элементов системы; t - период нормальной работы системы; цср) - наработка на отказ.
Коэффициент оперативной готовности оборудования - это вероятность того, что оно будет находиться в рабочем состоянии в произвольный момент времени t и, начиная с этого момента, проработает безотказно в течение to.
Приведенные критерии свидетельствуют о том, что надежная и стабильная работа оросительной сети зависит от многих показателей, некоторые из которых, а именно экологические, в данных критериях не учтены. Они требуют особого внимания при проведении научных исследований и при проектировании, строительстве и эксплуатации. Схема проведения оценки экологической безопасности ООС приведена на рисунке 2.5.
Экологическая безопасность оросительной сети, согласно представленной схемы, может быть определена как способность сети обеспечивать при ее эксплуатации (в течение прогнозного срока службы) выполнение возложенных функций в пределах нормативных уровней безотказной работы всех ее элементов и сохранение экологического благополучия на подко-мандной территории.
По анализируемой схеме экологическая безопасность основных элементов ООС на первом уровне включает безопасность проводящей, регулирующей и коллекторно - сбросной сети. Второй уровень представлен экологической безопасностью видов перечисленных основных элементов, нормальная работа которых зависит и от функционирования сооружений третьего уровня. Безопасность на четвертом уровне определяется отдельными дефектами и отказами элементов, в том числе и в плане эксплуатационной надежности.
Статистическая оценка показателей интенсивности отказов облицованных каналов открытой оросительной сети
Проницаемость бетонных конструкций характеризует интенсивность переноса жидкостей или газов через его толщину. Интенсивность переноса зависит от структуры самого материала. Количественно проницаемость оценивается коэффициентом фильтрации флюида (водонепроницаемости или газонепроницаемости) [162]. Для железобетонных плит облицовки каналов оросительной сети особое значение имеет влагоперенос не только с точки зрения предотвращения фильтрационных потерь воды, но и с позиций долговечности рассматриваемых объектов, с учетом коррозионных процессов, протекающих в материале сооружения при наличии водной среды.
Проникновение в бетон жидкостей напрямую зависит от размера пор и капилляров и обусловлено природой движущих сил переноса. Поскольку плотные бетоны, использующиеся в мелиоративном строительстве, обычно практически не фильтруют воду, наиболее распространенной характеристикой их проницаемости является показатель водонепроницаемости, так как эта характеристика предопределяет другие эксплуатационные свойства - морозостойкость, коррозионную стойкость.
Следует отметить, что свойства бетона в конструкциях могут сильно отличаться от свойств образцов, изготовленных из той же самой смеси. В нашем случае требовалось в процессе натурных исследований оценить фактическую проницаемость в уже возведенных и эксплуатируемых сооружениях, для которых отсутствуют контрольные образцы из того же бетона, находившиеся в то же время в тех же условиях.
Определить водонепроницаемость бетона в тонкостенных конструкциях оросительных систем можно с помощью различных переносных приборов: компрессионный прибор ВНИИГиМ, крепление которого на поверхности облицовки канала осуществляется с помощью анкеров, заделываемых в шурупы; прибор ЦНИИС предусматривает использование вакуум-коллектора и проведение испытаний сразу несколькими камерами; фильтратомер ФМ-2 ДонпромстройНИИпроекта; прибор ВНИИ ВОДГЕО [64,66,68,69].
Для оценки водонепроницаемости железобетонных плит облицовки использовали модернизированный метод водонепроницаемости бетона разработанный ДонНИИ. Оценку производили следующим образом: перед началом испытаний рабочий орган установки располагали на листе стекла толщиной 5-6 мм с предварительно нанесенным слоем герметика; металлический колокол прижимался рукой к контрольной поверхности на несколько минут до отвердения герметика и далее с помощью вакуум-насоса доводили разрежение в полости рабочего органа до 0,96 атм.; если достигнутое показание вакуумметра в течение пяти минут не изменялось, то система признавалась работоспособной и производились испытания.
При использовании этого метода оценки водонепроницаемости следили за тем, чтобы на исследуемой поверхности не было трещин, выбоин, каверн. Результаты натурных исследований показателей водонепроницаемости проводимых на облицованных плитами НІЖ каналах, представлены на рисунке 3.6.
Определение прочности бетона в железобетонных конструкциях производили неразрушающим методом с использованием молотка Н.П. Кашкарова [126]. Он состоит из головки и рукоятки. Рабочая часть головки снабжена стальным шариком диаметром 15,87 мм. Между конусом головки и шариком имеется отверстие, в которое вставляли эталонный стержень диаметром 12 мм и длиной 100 мм из круглой прутковой стали.
Прочность определяли следующим образом. Молотком ударяли по исследуемой поверхности, при этом шарик при ударе образовывал сферические отпечатки на эталонном стержне и поверхности плит. В процессе исследований следили за тем, чтобы расстояния между центрами соседних отпечатков было не менее 10 мм, а на поверхности плит - не менее 30 мм. Прочность определяли по градуировочной зависимости для используемого молотка (Исж -d6/ds; по усредненной величине соотношения d6/da в 8... 10 точках). Результаты натурных исследований представлены на рисунке 3.7.
Обоснование вывода сельскохозяйственных площадей из зоны регулярного орошения
Разработанная технология изготовления золошлакобетонных и бетонных изделий для нужд мелиоративного строительства апробирована на Новочеркасском КСМ-4 применительно к производству сборных железобетонных лотков и колодцев по серии 3.006. 1-2/82 и 2/87 в соответствии с требованиями ТУ 65 - 05 - 111 - 90. Для улучшения качества смеси и повышения долговечности бетона ТУ 65.05 -111 - 90 рекомендуется вводить в бетонную смесь поверхностно-активные добавки, количество и вид которых определяется опытным путем в зависимости от вида и качества исходных материалов, применяемых для приготовления бетонной смеси и режимов твердения. При применении лотков в условиях транспортировки оросительной воды должны быть выполнены дополнительные мероприятия в соответствии с требованиями СНиП 2.03.11 - 85 «Защита строительных конструкций от коррозии».
Армирование лотков производится сварными сетками и каркасами. Арматура должна применяться классов А1 и A3 по ГОСТ 5781-82 и класса Bpl по ГОСТ 6727 - 80. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арма туры при толщине конструкций до 100 мм - 15 мм, при толщине более 100 мм - 20 мм. Допустимое отклонение толщины защитного слоя бетона от проектной не должно превышать 5мм.
В дальнейшем из приготовленной смеси изготавливали опытные изделия по существующей технологии без каких-либо изменений по сравнению с базовым вариантом. Параллельно с опытными лотками формовали контрольные образцы-кубы ребром 100 мм для прочностных испытаний. Результаты испытаний представлены в табл. П-3.10. В результате проведенных производственных испытаний было установлено, что предложенная технология приготовления бетонной смеси с использованием промышленных отходов позволяет получать лотки и смотровые колодцы превосходящие по прочностным показателям аналогичные изделия из традиционных материалов, себестоимость которых на 26 % ниже базовых вариантов.
Лотки, изготовленные по предложенной двухстадийной технологии, позволят существенно снизить стоимость проведения ремонтно-восстановительных работ на ОС, приблизить сроки необходимого повышения экологической безопасности и эксплуатационной надежности ОС.
Эффективность работы и состояние отдельных консольных водосбросных сооружений на ООС неудовлетворительно характеризуется из-за несовершенства конструкций консольной части. По этой причине в нижних бьефах образуются местные размывы, угрожающие устойчивости самого сооружения и снижающие экологическую безопасность ООС. Для устранения этих явлений предложена новая конструкция трамплина-расщепителя (Патент РФ № 2266364) из бетона получаемого по предложенной двухстадийной технологии. Изобретение может быть использовано для гашения кинетической энергии сбрасываемого потока и повышения эксплуатационной надежности ООС. Данная конструкция имеет высокую степень сборности, что отвечает современным требованиям строительного производства на объектах мелиоративного строительства. Выводы 1. Установлено, что надежность железобетонных плит облицовки на оросительных каналах в значительной степени обеспечивается защитными свойствами бетона по отношению к стальной арматуре. Предложенные теоретические зависимости позволяют делать прогноз долговечности службы облицовки каналов. На основании оценки статистических показателей следует, что в любой произвольно выбранный момент времени водопроводящая сеть в виде облицованных каналов Азовской, Багаевско-Садковской ОС имеет большую вероятность безотказной работы (коэффициенты технического использования соответственно: 0,92; 0,933 против 0,91 для облицованных каналов Нижнє - Донской ОС). 2. Практически и теоретически доказано, что в случае равной производительности и одинаковых показателей надежности элементов каждого яруса, значение коэффициента сохранения экологической безопасности сети и коэффициента готовности исполнительного элемента совпадают Кэфф = Кг. 3. Определены и научно обоснованы вероятностные значения интен-сивностей отказов элементов Багаевско-Садковской и Нижнє - Донской оросительных систем, которые позволили заключить, что наиболее вероятный интервал интенсивности отказов, для практического его использования составит 0.25 0.9 і а среднее значение интенсивности отказов 4. Проведенные эксперименты по изменению проницаемости тонкостенных бетонных конструкций на исследуемых системах показали, что прочность плит облицовки на 67,9 % соответствует классу В 22 по прочности и 54,2 % плит - водонепроницаемости W6. Это свидетельствует о происходящем значительном снижении обследуемых характеристик и позволяет предполагать в дальнейшем снижение надежности. 5. С учетом теории надежности разработан новый подход к обоснованию оптимального времени проведения предупредительных ремонтов. Установлено, что на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км, при расходе воды 0,5 - 0,7 м /с и времени эксплуатации 6-8 лет, по предла 153 гаемой технологии проведения обследований, научно обосновывается оптимальное время проведения предупредительных ремонтов. 6. Доказана высокая эффективность предложенного двухстадийного способа приготовления бетонных смесей на основе золошлаковых заполнителей, обеспечивающего получение золошлакобетона классов по прочности В15...В22,5 при умеренных расходах цемента в пределах 250...400 кг/м . Методами теории планирования эксперимента получены полиномиальные модели второго порядка, адекватно на 5%-ном уровне значимости описывающие прочность бетона на золошлаковых заполнителях от технологических параметров приготовления смесей: на первой стадии перемешивание заполнителей должно осуществляться с добавлением 65...80% воды затворения, на второй стадии смесь окончательно перемешивается с вяжущим и остальным количеством воды затворения. 7.Методами планирования эксперимента получены математические модели и диаграммы «состав-свойство», которые дают возможность определять оптимальные составы бетонов с заданными свойствами при изготовлении лотков и плит облицовки. 8. Доказано, что бетон рационального состава, изготовленный по предложенной технологии двухстадийным способом с использованием добавки ННЩВ, являющейся отходом катализаторного производства, по своим защитным свойствам по отношению к стальной арматуре не только не уступает, но и существенно превосходит обычный тяжелый бетон на традиционных заполнителях, что позволяет расширить область применения золошлаковых заполнителей в производстве сборных, монолитных железобетонных конструкций и изделий, в том числе, для мелиоративных сооружений.
