«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД ДЛЯ ОРОШЕНИЯ НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ СИСТЕМ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО КубГАУ)

На правах рукописи

КИЗЮН ЖОРЖ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД ДЛЯ ОРОШЕНИЯ

НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ СИСТЕМ

Специальность: 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Н.В. Островский Краснодар

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НЕОБХОДИМОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД НА

ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные направления развития агропромышленного комплекса Краснодарского края

1.2 Водохозяйственная обстановка в Краснодарском крае, современное состояние и перспективы

1.3 Существующие схемы, способы и особенности возделывания риса при орошении дренажно-сбросными водами

1.4 Технологические требования при повторном использовании дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем

1.5 Цель и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРИЕМОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД

НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ

ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

2.1 Теоретическое обоснование способа выращивания риса с повторным использованием дренажно-сбросных вод для орошения....... 2.2 Аэрогидравлический водоподъемник, водоподъемный узел и теоретические исследования их работы

2.3 Теоретическое обоснование основных параметров и рабочих характеристик аэрогидравлического водоподъемника для условий рисовых оросительных систем

2.4 Выводы по второй главе

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика и результаты экспериментальных исследований совместной работы водной и воздушной среды в конструкции аэрогидравлического водоподъемника

3.2 Методика и экспериментальные исследования коэффициента полезного действия аэрогидравлического водоподъемника

3.3 Методика и экспериментальные исследования влияния напора и высоты водоподачи на производительность аэрогидравлического водоподъемника

3.4 Методика проведения многофакторного эксперимента и обработка экспериментальных данных

3.5 Сопоставление результатов расчета и эксперимента

3.6 Методика инженерного расчета параметров аэрогидравлических водоподъемников

3.7 Выводы по третьей главе

4 ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ

4.1 Полевые исследования технологических приемов использования дренажно-сбросных вод на рисовой оросительной системе

4.2 Оценка влияния разработанных технологических приемов повторного использования на оросительную норму применительно к условиям рисовой оросительной системы

4.3 Оценка качества дренажно-сбросной воды и эффективности разработанных технологических приемов использования дренажносбросных вод.

4.4 Рекомендации по эксплуатации аэрогидравлических водоподъемников и сопутствующих технических средств

4.5 Экономическая эффективность разработанных технологических приемов использования дренажно-сбросных вод

4.6 Выводы по четвертой главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В связи с новым этапом планируемого развития агропромышленного комплекса, развития и модернизации водохозяйственного комплекса Министерством сельского хозяйства РФ разработана «Водная стратегия агропромышленного комплекса» [1]. Одно из направлений данной стратегии – это восстановление и развитие рисоводства в рамках обеспечения продовольственной безопасности страны и удовлетворения потребности населения России рисом отечественного производства.

Если учесть, что в нашей стране более 65% действующих рисовых оросительных систем (РОС) и более 75% посевных площадей риса находятся в Краснодарском крае, основные мероприятия по достижению целевых показателей в рисоводстве будут направлены на Краснодарский край [2].

В рамках обеспечения продовольственной безопасности России требуется восстановление и реконструкция существующих и строительство новых оросительных систем, что повлечет неизбежное увеличение объемов водопотребления. Однако в бассейне реки Кубани, существует проблема дефицита водных ресурсов, требующая стабилизации величины их изъятия на достигнутом уровне.

В сложившейся ситуации в водохозяйственном комплексе и непосредственно в рисоводстве особое внимание, на наш взгляд, следует уделить переходу на внутрихозяйственное звено рационального водопользования на рисовых оросительных системах и внедрение малозатратных водо- и энергосберегающих технологий [3], а за счет полученной экономии водных ресурсов проводить расширение орошаемых площадей.

В результате совместной деятельности рисоводов земле- и водопользователей на рисовых оросительных системах) и научно-исследовательских организаций следует решить ряд задач, среди которых основными с точки зрения водосбережения являются: совершенствование режимов орошения риса и сопутствующих культур; создание и применение современных технологических средств и способов качественного управления подачей и сбросом воды; создание и применение технических средств для повторного использования дренажно-сбросных вод [4].

В большинстве федеральных округов РФ, где основным водопотребителем является промышленность, величина оборотного и повторнопоследовательного водопользования превышает величину прямоточного использования воды. Так, в Новгородской и Вологодской областях, где имеются такие водоемкие отрасли, как металлургия, химия и целлюлозно-бумажная промышленность, оборотное и повторно-последовательное водопользование более чем в 5 раз превышает прямой забор воды из водных объектов [5]. Естественно, достичь превышения величины оборотного и повторнопоследовательного водопользования над величиной прямоточного из водного объекта в области орошения не представляется возможным, однако увеличить процент повторно используемой воды вполне реально, как показывает практика, в том числе зарубежная [6, 7].

В настоящее время повторное использование представляет собой отвод дренажно-сбросных вод с пониженных участков рисовых оросительных систем и одновременно подачу в оросительную сеть каналов насосными станциями, при этом повторное использование дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене отсутствует. Однако отставание по этому показателю можно рассматривать как резервную позицию по экономии водных ресурсов и возможности увеличения площади орошаемых земель.

Для управления водным режимом рисового поля предпочтительно применять регулирующие технические средства и средства повторного использования дренажно-сбросных вод, использующие для обеспечения своей работы внутренние энергетические ресурсы оросительной и сбросной сети каналов низового звена рисовой системы.

Цель работы: повышение водообеспеченности на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем за счет применения технологических приемов многократного использования дренажно-сбросной воды для орошения.

Задачи исследования:

1. Разработать и теоретически обосновать способ выращивания риса для повторного использования дренажно-сбросных вод, адаптированный к существующим конструкциям рисовых оросительных систем, с учетом технологии повторного использования дренажно-сбросных вод.

2. Разработать конструкцию аэрогидравлического водоподъемника (АГВП) для повторного использования дренажно-сбросных вод с учетом технологических требований.

3. Теоретически обосновать разработанную конструкцию аэрогидравлического водоподъемника и получить математическую модель работы АГВП учитывающую основные технологические процессы.

4. Провести многофакторный эксперимент разработанной конструкции аэрогидравлического водоподъемника и получить регрессионную модель производительности АГВП.

5. Разработать методику инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров аэрогидравлического водоподъемника.

6. Определить экономическую эффективность внедрения разработанных технологических приемов повторного использования дренажно-сбросных вод.

Объект исследования: технологические приемы и технические средства при повторном использовании дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем.

Предмет исследования: закономерности формирования рабочих характеристик и эксплуатационных показателей аэрогидравлических водоподъемников на основе связи с конструктивными параметрами и эксплуатационно-технологическим режимом рисовых оросительных систем.

Методы исследования: теоретические исследования базировались на положениях теоретической гидромеханики. Экспериментальные исследования с использованием стандартных методик проведения экспериментов. Обработка и анализ экспериментальных данных проводилась методами математической статистики.

Научная новизна работы:

1. Разработан способ выращивания риса (пат. № 2457672 РФ МПК A01G16/00 A01G25/00 С2) включающий технологические приемы для повторного использования дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем.

2. Получена математическая модель работы аэрогидравлического водоподъемника описывающая основные технологические процессы его работы.

3. Получена регрессионная модель производительности АГВП позволяющая определять расход подаваемой воды в зависимости от действующих параметров.

Практическая ценность результатов исследований:

1. Разработана конструкция аэрогидравлического водоподъемника (пат.

№ 2450104 РФ МПК E02B13/02 С1) и водоподъемного узла (пат. № МПК E02B 13/02) для реализации способа выращивания риса с повторным использованием дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем.

2. Разработана методика инженерного расчета аэрогидравлического водоподъемника, позволяющая определить основные конструктивные и технологические параметры АГВП.

3. Разработаны рекомендации по эксплуатации АГВП и сопутствующих технических средств на внутрихозяйственном звене РОС.

Реализация результатов исследований. Разработанный способ выращивания риса для повторного использования дренажно-сбросных вод и конструкция аэрогидравлического водоподъемника были внедрены в ООО «Зерновая Компания «Новопетровская» Славянского района Краснодарского края на модуле рисовой оросительной системы «Кубанская». Лабораторная установка аэрогидравлического водоподъемника установлена в лабораторном классе кафедры строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов Кубанского ГАУ. Техническая новизна защищена патентом РФ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 4-й, 5-й и 6-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (г. Краснодар, 2010, 2011, 2012 гг.), на международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства – стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО» (г. Волгоград, 2013 г.), заочной конференция «Инновационные пути развития мелиоративного и водохозяйственного комплексов: задачи и перспективы» (г. Новочеркасск, 2013 г.), на заседаниях кафедры строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов Кубанского ГАУ.

Публикация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе получены 4 патента РФ на изобретение.

На защиту выносятся:

- способ выращивания риса с повторным использованием дренажносбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем;

- конструкция аэрогидравлического водоподъемника для реализации способа выращивания риса на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем;

- математическая модель работы аэрогидравлического водоподъемника;

- регрессионная модель производительности АГВП;

- методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров аэрогидравлического водоподъемника.

Благодарности. Автор благодарит заведующего кафедрой СЭВО КубГАУ профессора В.Т. Островского в содействии при проведении лабораторных и производственных исследований, а также за оказанную помощь и консультации при проведении химического анализа дренажно-сбросных вод доцента кафедры неорганической и аналитической химии И.В. Шабанову.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НЕОБХОДИМОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД НА

ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные направления развития агропромышленного комплекса Краснодарского края Агропромышленный комплекс (АПК) России занимает особое место в экономике страны и относится к числу основных народнохозяйственных отраслей, определяющих условия поддержания жизнедеятельности общества.

Значение АПК — не только в обеспечении потребностей людей в продуктах питания, но и в том, что он существенно влияет на занятость населения и эффективность всего национального производства. Восстановление и развитие потенциала агропромышленного сектора является одним из ключевых направлений экономической политики [8].

В связи с новым этапом планируемого развития агропромышленного комплекса [9], и модернизации водохозяйственного комплекса [10] возникла необходимость в формировании стратегических направлений развития мелиоративно-водохозяйственного сектора АПК. Поэтому в 2009 году академиком РАСХН Б.М. Кизяевым и доктором технических наук С.Я. Бездниной (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии) была разработана «Водная стратегия агропромышленного комплекса России на период до 2020 года». Одно из направлений данной стратегии – это восстановление и развитие рисоводства в рамках обеспечения продовольственной безопасности и удовлетворения потребности населения России рисом отечественного производства [1].

К 2020 году намечено довести площади орошения риса до 300 тыс. га и валовой сбор риса-сырца до 1 млн т, что позволит обеспечить потребность населения России по рису [1].

Рис является стратегической культурой. Его производство во многом определяет продовольственную безопасность государства. В Советском Союзе рисоводству уделялось должное внимание. Показатели производства риса в период 1980–1985 годы по Краснодарскому краю показаны в таблице 1.1 [11].

Таблица 1.1 – Показатели производства риса по Краснодарскому краю за 1980-1985 гг.

1981- (в среднем) Если учесть, что более 65% от используемых РОС и более 75% посевных площадей риса расположены в Краснодарском крае (рисунок 1.1), естественно основные мероприятия по достижению целевых показателей в рисоводстве будут направлены на Краснодарский край [2].

Рисунок 1.1 – Распределение площадей РОС и посевов риса по России В результате к 2020 году планируется сформировать качественно новый мелиаративно-водохозяйственный комплекс АПК, обеспечивающий реализацию определенных Водной стратегией АПК целей, задач и принципов.

На прошедшем в апреле 2011 г. предпосевном совещании рисоводов Краснодарского края, руководитель Департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности С.В. Гарькуша подтвердил задачу, которую ранее поставил Глава администрации края А.Н. Ткачв: довести производство риса на Кубани до 1 млн т в зачетном весе. Расчет несложный – необходимо увеличить площадь посева риса до 145 тыс. га и повысить урожайность до 7,0 т/га. Заявленная площадь – это всего лишь 61,8% от 234,5 тыс. га рисовой оросительной системы края. Как известно, научно обоснованная норма размещения риса в 8-польном севообороте составляет 62,5% (в 2010 г.

было занято 57%) [12].

Это направление подтверждается таблицей 1.2 из долгосрочной краевой целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель в Краснодарском крае на 2013–2020 годы», в которой отражены эти цифры [13].

Таблица 1.2 – Социальная и экономическая эффективность реализации долгосрочной краевой целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель в Краснодарском крае на 2013–2020 годы»

Создано новых рабочих мест Общая площадь орошения тыс.

овощных куль- га тур Посевная пло- тыс.

Урожайность риса Валовое произ- тыс.

водство риса т Себестоимость 1 тонны риса Продолжение таблицы 1. Полная себестоимость промлн.

изведенной 5184,3 6282,5 6967,5 7895,0 8938,4 10112,5 11509,6 13084,9 14860, продукции риса Цена реализации 1 тонны руб 9648,0 10613,0 11674,1 12841,5 14125,6 15538,2 17092,0 18801,2 20681, риса Выручка от реализации 7991,4 9684,4 10740,2 12169,9 13778,1 15587,9 17741,5 20169,9 22906, риса Прибыль от риса Для определения путей и способов повышения конкурентоспособности сельского хозяйства, рентабельности и устойчивости сельскохозяйственного производства, обеспечения продовольственной безопасности и сохранения природных ресурсов для будущих поколений была разработана концепция федеральной целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель России на 2013–2020 годы». Основным направлением является развитие мелиоративной отрасли и средств комплексной мелиорации земель, наряду с приемами адаптивно-ландшафтного земледелия. Так по направлению восстановление и развитие мелиоративного комплекса России до года в этой программе, предусматривается использование мелиорируемых площадей для покрытия потребности в продуктах питания таблица 1.3 [5].

Таблица 1.3 - Потребность и потребление основных продуктов питания в России Основные продукты Производство, Потребление, 1.2 Водохозяйственная обстановка в Краснодарском крае, современное состояние и перспективы Несмотря на высокий уровень водообеспеченности России в целом, изза неравномерности распределения ресурсов поверхностных и подземных вод в территориальном аспекте многие регионы страдают от их дефицита.

Около 90% речного стока приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов [14].

Если в целом по России суммарный водозабор свежей воды из водоисточников составляет около 3% общих водных ресурсов, то по ряду речных бассейнов он достигает 50% и более.

К ряду бассейнов, где водозабор достигает 50% и более от годового стока, относится река Кубань, с водоемкой отраслью экономики - сельским хозяйством, которое потребляет большое количество воды на орошение (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Использование воды по нуждам отраслей Краснодарского края Река Кубань является главным источником воды для орошения рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 – Структура объемов забора воды для всех нужд орошения Как следствие, на современном уровне использования водных ресурсов и существующей технической схемой регулирования стока в зоне Нижней Кубани в периоды маловодья отмечается напряженная водохозяйственная ситуация. Это подтверждается водохозяйственными расчетами балансов [15], проведенными ОАО «Кубаньводпроект» по восстановленному стоку реки Кубани за расчетный период 1926–2000 год. Объем суммарного водопотребления и обязательных попусков Нижней Кубани на современном уровне составляет 8912 млн м3. Из ряда 74 лет - в течение 34 лет производилась урезка водопотребления, причем в 5 годах она превышала 20%, которые можно назвать «дефицитными», наносящими существенный ущерб всем водопользователям.

О многом говорит и невозможность обеспечения экологических попусков в бассейне реки Кубани. Согласно «Методическим указаниям по составлению «Схем комплексного использования и охраны водных ресурсов Российской Федерации» (МПР РФ, Москва 1997 г.) экологический попуск определяется расчетом ежемесячных расходов 95% и 50% обеспеченности для каждого водного объекта по конкретным створам, исходя из естественного, (восстановленного) многолетнего ряда водности. Так для каждого календарного месяца, определены среднемесячные расходы Qср.мес 95% обеспеченности и соответствующие объемы воды по месяцам W (таблица 1.4), что является нижним пределом экологического попуска [15].

Таблица 1.4 – Расчетный экологический попуск р. Кубань (в створе Краснодарского водохранилища)

I II III IV V VI VII VII IX X XI XII

1254,24 1253,56 1050,56 659,28 427,35 308,20 336,70 278,72 297,48 319,44 482,40 745,92 7413, Так с учетом экологического попуска Объем расчетных водозаборов и обязательных попусков из Краснодарского водохранилища по данным ОАО «Кубаньводпроект» составляет 12 767 млн. м3. При обеспечении расчетного экологического попуска с учетом величины изъятия на достигнутом уровне, обеспеченность водопотребителей и водопользователей Нижней Кубани в этом случае снижается до 3%. Из ряда 74 лет - в течение 72 лет производится урезка водопотребления, процент урезки колеблется от 1 до 57%. Количество лет с урезкой до 20% – 35 лет, с урезкой до 30% – 59 лет. Эти результаты говорят о невозможности соблюдения и удовлетворения экологических попусков в бассейне реки Кубани на современном этапе и в ближайшей перспективе [15].

Выполненные ОАО «Кубаньводпроект» водохозяйственные расчеты с учетом сложившейся технической схемы регулирования и перераспределения стока в бассейне реки Кубани [16], в целом определяют фактически сложившиеся лимиты и квоты безвозвратного водопотребления (изъятия) по субъектам и межотраслевое внутри субъектов Федерации сложилось следующим образом таблица 1.5.

Таблица 1.5 – Использование водных ресурсов на расчетный 2010 год по субъектам и межотраслевое внутри субъектов Федерации (бассейн р. Кубань) Сельское хозяйство Продолжение таблицы 1. зяйство Рыбное хозяйство передача водных ресурсов за пределы бассейна Примечание: числитель – объем безвозвратного водопотребления;

знаменатель – объем водозабора Анализируя данные таблицы 1.5, получаем, что из 12,8 км 3 в год 75%-ной обеспеченности потребителями бассейна в необходимом режиме используются 12,56 км3. При таком раскладе коэффициент использования стока на современном и расчетном уровне при среднегодовом стоке 14, км3 составляет 0,86 [16].

В сложившихся условиях возникла необходимость в формировании нового документа, регламентирующего стратегию водохозяйственного развития, использования и охраны водных ресурсов бассейна Кубани, с принятием расчетов норматива допустимого безвозвратного изъятия, как основного показателя оценки состояния и степени истощения водных объектов. Данный норматив был определен при разработке «Проекта нормативов допустимого воздействия по бассейну реки Кубань» (ЗАО ПО Совинтервод, г. Москва, 2009 год) [17]. В результате их расчета получено, что предельно допустимый объем (лимит) безвозвратного изъятия водных ресурсов в бассейне р. Кубани составляет 1,6 км3.

Сравнение объемов безвозвратного водопотребления полученных по каждому водохозяйственному участку с величиной нормативно допустимого изъятия для бассейна реки Кубань приводится в таблице 1.6, для подбассейнов реки Кубань в таблице 1.7 [17].

с безвозвратным водопотреблением в бассейне р. Кубань Обеспеченность стоком Допустимое изъятие Безвозвратное водопотребление Возможное изъятие с безвозвратным водопотреблением основных подбассейнов р.Кубань Обеспеченность стоком Допустимое изъятие Безвозвратное водопотребление Возможное изъятие Полученный результат указывает на высокий дефицит водных ресурсов в бассейне р. Кубани, который усугубляется большим объемом безвозвратного водопотребления, как из русла собственно реки Кубани, так и из ее притоков.

Сравнивая величину достигнутого безвозвратного водопотребления в бассейне Кубани таблица 1.5 с предельно допустимым лимитом изъятия, получаем, что современный отбор водных ресурсов значительно превышает нормативно допустимый, а именно в 4,3 раза [17].

Также в заключении хочется отметить о неблагоприятном гидрологическом факторе – низкая водность отмечается в Концепции федеральной целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель России на 2013–2020 годы» (рисунок 1.4) [5].

Рисунок 1.4 – Прогнозная оценка изменений водообеспечености и нагрузки на водные ресурсы на 2015-2020 годы Как следует из рисунка 1.4, прогнозируется уменьшение водообеспечености на 10% и увеличение нагрузки на водные объекты на 7,2%.

1.3 Существующие схемы, способы и особенности возделывания риса при орошении дренажно-сбросными водами В связи с сложившейся ситуацией в бассейне реки Кубани дальнейшая водохозяйственная деятельность должна осуществляться с позиции: улучшения экологического состояния, предотвращения деградации и дефицита водных ресурсов, поэтапного возвращения воды в водные экосистемы с применением современных ресурсосберегающих технологий.

Одним из направлений в решение вопросов увеличения водообеспеченности на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем и экономии оросительной воды является применение средств повторного использования дренажно-сбросных вод, использующих для обеспечения своей работы внутренние энергетические ресурсы оросительной и сбросной сети каналов внутрихозяйственного звена рисовой системы [20, 21, 22].

В практике рисосеяния Краснодарского края издавна применяется использование сбросных вод для орошения. Первый опыт полива риса сбросной водой был поставлен в 1952 году на 28 га колхоза «Советская Россия»

[23]. На современном уровне повторное использование в основном представляет собой отвод дренажно-сбросных вод с пониженных участков и подачу в оросительную сеть насосными станциями.

Известна водооборотная рисовая оросительная система, предложенная авторами А.Н. Семененко, А.В. Сербиновым, В.В. Лысенко. Она предполагает частичный водооборот на рисовых оросительных, который заключается в том, что сбросную воду поступающую с поверхности чека не смешивают с дренажной, а подают в распределительный канал, где она разбавляется первичной оросительной водой и направляется далее на орошение [24, 25, 26].

Реализацию предложенного способа использования сбросных вод для орошения обеспечивает технологическая схема подачи и сброса воды (рисунок 1.6) (за основу принят модуль рисовой оросительной системы «Кубанская»).

Насосная станция 9 устраивается совмещенного типа, обеспечивающая как подачу, так и сброс воды. Сооружения 5 являются одновременно водовыпусками и водосбросными.

Схема монтажного трубопровода насосной станции 9 представлена на рисунке 1.7.

1 – участковый распределитель-сброс; 2 – картовые оросители-сбросы;

3 – междучековые валики; 4 – рисовый чек; 5 – гидросооружения; 6 – картовые дрены;

7 – участковый дренажный канал 8 – дорога; 9 – насосная станция Рисунок 1.6 – Водооборотная рисовая оросительная система Рисунок 1.7 – Схема монтажного положения трубопровода насосной станции Подача воды на систему осуществляется следующим образом. При открытых задвижках 10 и 11 и закрытых 12 и 13 вода из старшего распределительного канала насосной станции 9 подается в участковый распределительсброс 1, а из него в картовой ороситель сброс 2, откуда через сооружения 5 – на чеки 4. Сброс воды с системы производится при закрытых задвижках 10 и 11 и открытых 12 и 13. При этом вода с чеков поступает через сооружение в картовый ороситель-сброс 1, а из него насосной станцией 9 перекачивается в распределительный канал старшего порядка или регулирующий резервуар, где она аккумулируется для последующего использования в целях орошения.

При этом сбросная вода, имеющая низкую минерализацию, но содержащая остатки ядохимикатов, повторно используется для целей орошения в полном объеме. Дренажная сеть при этом работает в обычном режиме.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- применимее насосных станций приводит к значительным капитальным затратам;

- принятая за основу карта типа «Кубанская», требует реконструкции в создании каналов с возможностью подачи и сброса (ороситель-сброс и распределитель-сброс);

- использование незначительного объема воды, так как большую часть представляет собой дренажный отток профильтровавшейся воды.

Известен также способ повторного использования дренажно-сбросных вод с применением автономных водоподъемных установок – гидротаранов, предложенный А.К. Семерджяном (рисунок 1.8) [27,28].

1- гидравлический таран; 2 – узел подпора; 3 - участковый коллектор; 4 – трубопровод; 5 – распределитель; 6 – ороситель; 7 – рисовые чеки; 8 – картовый дренажно-сбросной канал;

9 – участковый дренажно-сбросной канал.

Рисунок 1.8 - Способ повторного использования дренажно-сбросных вод с Гидравлический таран 1 (или группа параллельно работающих таранов) устанавливается в месте концевого подпорно-регулирующего сооружения участкового коллектора 3. В рабочем режиме гидротаран подает часть дренажно-сбросного стока на командную отметку, откуда самотеком по трубопроводу 4, уложенному по караю полевой дороги, поступает в распределитель последнего порядка 5, затем в ороситель 6, где смешивается с оросительной водой и направляется на рисовые чеки 7.

Данный способ также не лишен недостатков:

– требуется прокладка и обслуживание трубопровода длиной 700– м, диаметром не мене 300 мм.

– большой транзитный расход, что обусловлено низкой величиной КПД подачи, максимальное значение которого составляет 22%;

– малая разбавляющая способность канала в месте подачи дренажносбросного стока.

Также известен способ повторного использования дренажно-сбросных вод с применением автономных водоподъемников предложенный Н.В. Островским [29, 30, 31]. Повторное использование дренажно-сбросных вод осуществляется при размещении автономных водоподъемников по схеме показанной на рисунке 1.9.

1- хозяйственный распределитель; 2 – распределитель; 3- ороситель; 4 – дренажносбросной канал; 5 – участковый дренажно-сбросной канал; 6 – хозяйственный коллектор;

Рисунок 1.9 – Схема модуля рисовой оросительной системы «Кубанская» с применением автономных водоподъемников Водоподъемники не требуют наличия дополнительных источников энергии и функционируют за счет энергии гидравлических перепадов, создаваемых в местах их размещения. Установка водоподъемников 7 в дренажносбросных каналах 4 не требует переустройства системы. На одном модуле можно разместить до 12 автономных водоподъемников. Монтаж производится на существующие оголовки трубчатых переездов, при этом обеспечивается забор воды из дренажно-сбросных каналов и подача воды по коротким трубопроводам обратно в чеки.

За недостатки данного способа можно считать:

- применение до 16-ти автономных гидромеханических устройств, для покрытия модуля рисовой оросительной системы;

- факт пропуска всего объема воды, задействованного в водоподъеме, через магнитный переключатель, что сказывается на надежности данного устройства;

- неблагоприятные условия смешивания в чеке чистой и дренажносбросной воды (дренажно-сбросные воды концентрируются в области их поступления в чек, возле водоподъемников, и могут вызвать местное повышение минерализации в чеке).

В заключении по рассматриваемым схемам и способам повторного использования дренажно-сбросных вод можно сделать вывод, что требуются их дальнейшее совершенствование.

Широкое использование дренажно-сбросных вод ограничивается особенностью режима формирования и главным образом их качеством.

На формирование дренажно-сбросного стока рисовых оросительных систем влияют следующие факторы: насыщение рисом севооборотов, режим орошения, механический состав почвогрунтов, степень и характер засоления почв, глубина залегания и минерализация грунтовых вод, количество осадков.

Формирование дренажно-сбросного стока, оказывает влияние на способ повторного использования вод, в зависимости от времени и объемов его формирования.

Основное влияние оказывает качество дренажно-сбросных вод. К качеству оросительной воды предъявляют следующие требования: обеспечивать нормальный рост и развитие сельскохозяйственных культур и поливаемых зеленых насаждений; получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур и продукции требуемого качества; сохранение и улучшение плодородия почвы; исключить разрушающее воздействия на конструкции оросительных систем [33].

К показателям качества оросительной воды относятся: температура воды; содержание механических примесей (взвешенных твердых элементов);

водородный показатель pH, минерализация воды и химический состав растворенных веществ [34].

Применительно к дренажно-сбросным водам основным показателем пригодности воды для орошения является минерализация и химический состав [35]. Использование минерализованных вод без оценки их качества приводит к вторичному засолению и снижению урожайности сельскохозяйственных культур вплоть до полной потери урожая, а при определенных условиях – к осолонцеванию почв.

В соответствии с рекомендациями ряда авторов, допустимая минерализация повторной воды для орошения риса варьируется в широких пределах [33, 34]. Увеличение количества растворенных солей (минерализация) оросительной воды ведет к засолению почв, повышению осмотического давления почвенного раствора, что не благоприятно для развития сельскохозяйственных культур.

Как в мировой, так и в российской практике до настоящего времени отсутствуют официально действующие нормативные документы по оценке качества вод, регламентирующие применение их для орошения. Основным нормативным документом является ГОСТ 17.1.2.03–90 «Охрана природы критерии и показатели качества воды для орошения» [36, 37], который не регламентирует качество оросительной воды. Он устанавливает перечень элементов, подлежащих нормированию и основные требования к разработке стандарта нормативов качества оросительной воды.

Поэтому необходимо рассмотреть наиболее известные и применяемые методы и принципы оценки качества воды для полива.

Так, А.Н. Костяков проводил оценку качества дренажно-сбросной воды по общему количеству растворенных солей, выделив четыре группы [38]:

– при общем числе солей менее 400 мг/л – вода хорошего качества;

– при общем числе солей от 400 до 1000 мг/л – вода среднего качества (требует осторожного подхода с учетом всего комплекса условий ее использования);

– при общем числе солей от 1000 до 3000 мг/л – опасна для растений;

– при общем числе солей более 3000 мг/л – засоляет почву.

Учеными ФГНУ «РосНИИПМ» при анализе потенциала урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от минерализации воды обнаружены зависимости, которые непосредственно для культуры риса представлены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 – Снижение урожайности риса в зависимости от степени минерализации по данным ФГНУ «РосНИИПМ»

Однако необходимо учитывать, что влияние минерализации оросительной воды на растения изменяется в зависимости от фазы развития растения.

Также большинство авторов оценивают качество воды для полива исходя не только из общей минерализации воды, но и из качественного состава (содержания солей), так как соли, растворенные в оросительной воде, обладают разной токсичностью.

Так в практике оценка качества производиться по ирригационному коэффициенту Стеблера, уравнения (1.1-1.3), представляющий собой столб воды в дюймах, при испарении которого остается количество солей, делающее слой почвы мощностью 1,2 м не пригодным для возделывания большинства сельскохозяйственных культур [39].

По полученному ирригационному коэффициенту оценивается пригодность дренажно-сбросной воды для орошения:

- при Kи 1,2 – вода для орошения не пригодна;

- при Kи 1,2…6 – малоудовлетворительна, такой водой можно орошать, если предусмотрены меры против накопления в почве солей;

- при Kи > 6 – пригодна для орошения.

И.Н. Антипов-Каратаев и Г.М. Крадер [40] для оценки опасности осолонцевания орошаемых почв предложили использовать уравнения (1.4, 1.5), в основу которого заложено критическое отношение, при котором количество поглощенного натрия достигает 10% от емкости катионного обмена почвы. В условиях превышения этого критического значения происходит осолнцевание почвы:

где Са2+, Mg2+, Na+ - содержание соответствующих катионов в воде, ммоль/л;

С – минерализация воды, г/л.

Если выполняется условие (1.4) – вода благоприятная для полива. Если же выполняется условие (1.5) – вода опасна для почв и возможно их осолонцевание.

В ирригационной практике США и ряда других стран оценка качества производится по натрий-адсорбционному отношению SAR (sodium adsorption ratio) [41]:

где Na+ Са2+, Mg2+ – содержание соответствующих катионов в воде, мг экв/л;

В зависимости от значения SAR выделяют четыре группы дренажносбросных вод по опасности осолонцевания почв:

- при SAR < 10 – вода хорошего качества;

- при SAR = 10…18 – вода среднего качества;

- при SAR = 18…25 – вода неудовлетворительного качества;

- при SAR > 25 – вода весьма неудовлетворительного качества.

В Украине оценка пригодности воды для полива основывается на соотношении активности катионов Na+ и Ca2+. В стандарте выделены следующие уровни: kNa:kCa < 1 – вода пригодна для полива и не вызывает осолонцевания почв; kNa:kCa = 1…3 – вода вызывает слабое осолонцевание при поливе в течение 7–10 лет; kNa:kCa = 3…5 – вода вызывает слабое осолонцевание в течение первых трех лет полива, и среднюю степень – в последующие 3–10 лет;

kNa:kCa = 5…10 – вода вызывает среднюю степень осолонцевания в течение первых трех лет и сильную – в последующие 3–10 лет; kNa:kCa > 10 – вода непригодна для полива [42].

По САНИИРИ (СССР) [43] определение пригодности дренажносбросных вод для полива, осуществляли по унифицированной классификации, в зависимости от опасности засоления и осолонцевания почв. Так, оценка по опасности засоления почв определяется соотношением Сl:SO4. Опасность осолонцевания почв оценивается в зависимости от соотношения Са:Na и Ca:Mg.

Водородный показатель pH оросительной воды непосредственно влияет на кислотно-щелочную реакцию почвенного раствора, что ведет к изменению содержания веществ. При низкой активности кальция и высокой активности натрия может приводить к образованию соды, степень токсичности которой приведена в таблице 2.2. Также согласно рекомендациям авторов [32] рис лучше развивается на кислых и слабокислых почвах (pH 4–5,7).

Как говорилось выше, нет нормирующего документа и единого мнения о том, какой способ оценки качества дренажно-сбросной воды наиболее приемлем, но использование дренажно-сбросных вод без оценки их пригодности на орошение приводит к снижению урожайности выращиваемых культур и вторичному засолению, вплоть до осолонцевания почв. Поэтому для оценки возможности применения дренажно-сбросной воды для полива необходимо использовать несколько методик.

Все химические элементы, которые использованы в методиках оценки качества дренажно-сбросной воды, сведены в таблицу 1.9.

Таблица 1.9 – Элементы химического анализа дренажно-сбросных вод На основе всех выписанных элементов (таблица 1.9) необходимо подобрать методику химического анализа дренажно-сбросных вод для последующей оценки их пригодности для полива. (Составленная методика химического анализа и проведенный химический анализ дренажно-сбросной воды представлены в разделе 4.3).

1.4 Технологические требования при повторном использовании дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем Для реализации способа повторного использования дренажносбросных вод с применением технических средств, необходимо уточнить предъявляемые технологические требования.

Технология применения предлагаемых конструкций и схем должна обеспечить выполнение следующих условий:

а) сохранение режима работы и назначение дренажно-сбросной сети, обеспечивающие оптимальные условия фильтрации, водо-воздушного режима, рассолительного дренажа, предотвращать болотный режим почвообразования, регулировать окислительно-восстановительные процессы [45];

б) использование дренажно-сбросной воды повышенной минерализации;

в) применение средств и способов, не вносящих существенного изменения в конструкцию рисовой оросительной системы;

г) уменьшение числа используемых устройств для повторного использования дренажно-сбросных вод на модуле РОС;

д) повышение надежности используемых схем и устройств для повторного использования дренажно-сбросных вод.

Выполнение условия (а), при использовании автономных водоподъемников, невозможно, так как для работы требуется наличие свободных гидравлических перепадов, которые достигаются путем подпорного режима картовых или участковых дренажно-сбросных каналов. Однако при такой работе дренажно-сбросной сети возможно сохранение требуемых условий фильтрации, водо-воздушного режима и прочих условий при возделывании риса.

По данному направлению в специальной литературе встречаются различные исследования и рекомендации ряда авторов.

По мнению А.В. Сербинова, А.И. Степового [46] и А.И. Степового, Ю.Н. Полякова [47] в период вегетации риса не следует допускать подпора дренажно-сбросной сети.

Также согласно инструкциям ВСН-П-25–75 по проетированию рисовых оросительных систем [48] рекомендуется, чтобы уровень воды в каналах дренажно-сбросной сети всех порядков при кратковременном (до трех суток) максимальном расходе воды был ниже отметки поверхности самого низкого чека (прилегающего к каналу) не мене 50 см, а при соответствующем обосновании – 30 см.

В.Б. Зайцев [49] рекомендует для уменьшения непроизводительных потерь оросительной воды на незасоленных землях все каналы водоотводящей сети, идущие внутри затопленных рисовых полей, держать в подпоре.

В процессе эксплуатации, по мнению Л.В. Скрипчинской, можно сократить потери воды с рисового чека на горизонтальную фильтрацию, создавая подпор воды на участковых дренажно-сбросных каналах, при этом должен сохраниться необходимый объем пропуска воды через поверхностные горизонты почвы. Это обеспечивается четкой работой сбросной сети при соответствующей разности отметок между поверхностью самого низкого чека и горизонта воды в водоотводящей сети [50].

Также исследователем Якубой С.Н. была обоснована возможность эксплуатации коллектора с повышенным уровнем воды относительно принятых эксплуатационных уровней. При этом наблюдался прирост урожайности на прилегающих к коллектору рисовых чеках [51].

Исследователи Е.Б. Величко и В.Г. Гаранин [52] сделали вывод, что при любом варианте монотонного режима работы картовой дренажносбросной сети возникает несоответствие между биологическими требованиями риса и процессами происходящими в почве. Было подтверждено экспериментально, что наиболее благоприятные условия для роста риса на первом этапе вегетации складываются при режиме свободного оттока, а на втором этапе – при режиме подпора.

На наш взгляд, вариант работы дренажно-сбросной сети отток– подпор является наиболее удачным, так как сочетает в себе рекомендации авторов первых двух способов работы дренажно-сбросной сети и отвечает биологическим требованиям риса. При режиме непрерывного свободного оттока фильтрационных вод от посева до кущения создаются благоприятные условия для первой фазы развития риса, обеспечивается вымыв токсичных солей и предотвращается развитие болотных процессов. Режим непрерывного подпора с наступлением фазы кущения создает благоприятные условия для минерального питания риса. При этом угнетения растений не происходит, так как в этот период формируется вторичная корневая система с хорошо развитой аэренхимой.

Условие (б) зависит от химического состава и минерализации дренажно-сбросного стока (см. п. 2.1). При этом конструкция автономного водоподъемника должна обеспечивать подачу воды в количестве, достаточном для разбавления с поступающей оросительной водой.

Соблюдение условий (в–д) требует разработки новых конструкций автономных водоподъемников и схем повторного использования дренажносбросных вод, но при этом должны быть соблюдены первые два условия [53].

Для этого необходимо увязать требуемый свободный напор для работы автономных водоподъемников, с принятым режимом работы дренажно-сбросной сети, учитывая плановое расположение валов, чеков, каналов.

Так, на рисунке 1.10 показано возможное создание перепада в месте сопряжения картового дренажно-сбросного канала и участкового дренажносбросного канала при работе дренажно-сбросной сети в режиме подпора.

Рисунок 1.10 – Гидравлический перепад в месте сопряжения картового и участкового дренажно-сбросного канала За основу были приняты типовые проекты и проектные нормы [54, 55], что говорит о универсальности предлагаемых схем и конструкций и возможности распространения по рисовым системам края, в тех хозяйствах, где состояние рисовых оросительных систем приближено к проектному.

Положение уровней воды в начале картового дренажно-сбросного канала и соответствующая высота водоподачи для применяемых устройств, при работе дренажно-сбросной сети в режиме подпора, отображены на рисунке 1.11.

Рисунок 1.12 – Положение уровней вначале картового дренажно-сбросного Также при соответствующей работе дренажно-сбросной сети возможно создание гидравлического перепада, но с большей величиной напора в месте сопряжения участкового дренажно-сбросного канала и внутрихозяйственного коллектора (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Гидравлический перепад в месте сопряжения участкового дренажно-сбросного канала и внутрихозяйственного коллектора Рисунки 1.11 и 1.13 подтверждают, что при соответствующей работе дренажно-сбросной сети есть возможность получения достаточных свободных напоров для применения автономных водоподъемников.

При этом для четкого поддержания уровня воды в чеке и исключения переполнения рекомендуется использовать автоматизированные чековые водовыпуски [56].

1.5 Цель и задачи исследования Таким образом, ситуация, сложившаяся сегодня с использованием воды в водохозяйственном комплексе Краснодарского края, характеризуется как напряженная. Для предотвращения деградации экосистемы р. Кубани и реализации намеченных концепций и программ дальнейшее увеличение безвозвратных отборов необходимо остановить в объемах и режимах достигнутого уровня [13].

Сохранение нынешней ситуации в Краснодарском крае не позволит в полной мере и эффективно решать задачи обеспечения продовольственной, экологической безопасности и мероприятий по сокращению водопотребления, в том числе и безвозвратного, которое к 2020 году должно уменьшиться на 10% [3]. Также хочется заметить, что данные задачи актуальны и решаются не только у нас в стране [14].

Особое внимание, на наш взгляд, следует уделить переходу на внутрихозяйственный уровень рационального водопользования на рисовых оросительных системах и внедрения малозатратных водо- и энергосберегающих технологий [18,19].

На основании изложенного сформулирована научная гипотеза: новые конструкции водоподъемников и схемы водоподачи для повторного использования дренажно-сбросных вод на орошение сэкономят водные ресурсы, а полученная экономия, позволит произвести расширение орошаемых площадей.

Цель работы: повышение водообеспеченности на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем за счет применения технологических приемов многократного использования дренажно-сбросной воды для орошения.

Задачи исследования:

– разработать и теоретически обосновать способ выращивания риса для повторного использования дренажно-сбросных вод, адаптированный к существующим конструкциям рисовых оросительных систем, с учетом технологии повторного использования дренажно-сбросных вод;

– разработать конструкцию аэрогидравлического водоподъемника (АГВП) для повторного использования дренажно-сбросных вод с учетом технологических требований;

– теоретически обосновать разработанную конструкцию аэрогидравлического водоподъемника и получить математическую модель работы АГВП учитывающую основные технологические процессы;

– провести многофакторный эксперимент разработанной конструкции аэрогидравлического водоподъемника и получить регрессионную модель производительности АГВП;

– разработать методику инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров аэрогидравлического водоподъемника;

– определить экономическую эффективность внедрения разработанных технологических приемов повторного использования дренажно-сбросных вод.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕНАЖНО-СБРОСНЫХ ВОД

НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ЗВЕНЕ РИСОВЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ

с повторным использованием дренажно-сбросных вод для орошения Максимально допустимый расход дренажно-сбросной воды, который можно использовать на орошение, определяется исходя из необходимой кратности разбавления дренажно-сбросной воды оросительной и вычисляется по общепринятой зависимости [28, 32]:

– расход оросительной воды в расчетном створе, м3/с;

n – кратность разбавления дренажно-сбросной воды оросительной, которая определяется исходя из оценки качества или минерализации оросительной и дренажно-сбросной воды по следующей зависимости [28, 32]:

где – допустимая минерализация поливной воды, г/л;

– минерализация поступающей оросительной воды, г/л;

– минерализация дренажно-сбросной воды, г/л.

Анализ уравнения (2.1) показывает, что параметром увеличения подачи дренажно-сбросной воды на орошение является расход оросительной воды в расчетном створе. Увеличение данного параметра ведет к повышению величины подачи дренажно-сбросной воды, что в свою очередь ведет к росту эффективности использования дренажно-сбросной воды для орошения:

где – расход дренажного стока участкового дренажно-сбросного канала м3/с/.

Так согласно предложенному способу А.К. Семерджяном, дренажносбросной сток подается в конец распределительного канала, где происходит его смешивание с оросительной водой и подача на две поливные карты. Расход оросительной воды в этом створе, применительно к модулю рисовой оросительной системы «Зерновой компании «Новопетровская» Славянского района в среднем составляет = 62,88 л/с.

Увеличение параметра, зависит от расположения створа смешивания по длине распределительного канала. Нами разработан способ выращивания риса для повторного использования дренажно-сбросных, включающий схемы его применения (пат. № 2457672) [57]. Способ включает схемы для системы «Кубанская» (рисунок 2.1 а) и для системы «Краснодарская» (рисунок 2.1 б), и предполагает подачу дренажно-сбросного стока во внутрихозяйственный распределитель.

Технологические сбросы и дренажный отток воды происходит из чеков 1 в картовые дренажно-сбросные каналы 2 (у системы «Кубанская» рисунок 2.1 а) и участковые дренажно-сбросные каналы 3 (у обеих систем рисунки 2. а, б), которые в период от кущения риса до конца вегетации находятся в наполненном состоянии – работают в режиме подпора (уровень воды в них поддерживают на 0,5–0,6 м ниже поверхности самого низкого чека).

а – для системы «Кубанская»; б – для системы «Краснодарская»

Рисунок 2.1 – Схема использования дренажно-сбросной воды При этом в узле 4 (место сопряжения участкового дренажно-сбросного канала и внутрихозяйственного коллектора) образуется гидравлический перепад уровней между наполненным участковым дренажно-сбросным каналом 3 и внутрихозяйственным коллектором 5, уровень воды в котором поддерживают на минимальных отметках. Гидравлический перепад уровней воды используется в качестве источника энергии для нижнего напорного резервуара 6, который создает давление воздуха. От нижнего напорного резервуара 6 идет подача воздуха под давлением, по воздуховоду 7 (выполняется из пластиковой трубы диаметром 100–160 мм.), на верхнем напорном резервуаре 8, который размещается в начале участкового дренажно-сбросного канала 3 и работает за счет энергии сжатого воздуха. Верхний напорный резервуар подает воду по трубопроводу 9 из участкового дренажно-сбросного канала во внутрихозяйственный распределитель 10.

Таким образом, в период от кущения до конца вегетации риса, дренажно-сбросной сток доставляется во внутрихозяйственные распределители 10, где происходит качественное разбавление с чистой оросительной водой, перед повторной подачей на орошение, а также аккумуляция поданной воды.

От посева до кущения риса (период свободного оттока дренажно-сбросной воды) нижний напорный резервуар 6 и верхний напорный резервуар 8 не работают.

При данной схеме использования дренажно-сбросной воды, расход оросительной воды в расчетном створе, есть средний расход оросительной воды поступающий на модуль, который для рассматриваемой системы ООО «Зерновой компании «Новопетровская» Славянского района равен = 188,64 л/с. За счет чего разбавляющая способность в данном створе в сравнении с известными способами-аналогами увеличивается:

Как мы видим, данный способ по условиям разбавления в 3 раза превышает разбавляющую способность известных способов-аналогов. Однако эффективность данного способа, должна оцениваться по качеству получаемой воды в ходе полевых исследований.

Данная схема позволяет уменьшить число гидромеханических устройств (для покрытия рисового оросительного модуля требуется одна система: нижний напорный резервуар – воздуховод – верхний напорный резервуар) и обеспечивает благоприятные условия для смешивания с большим объемом поступающей оросительной воды в распределителе и более длительный процесс выдерживания при прохождении воды по каналам [58].

Расположение створа смешивания оказывает влияние на длину коммуникаций и соответственно на потери напора в системе. В нашем способе увеличение длины коммуникаций происходит в разы и ведет к значительным увеличениям потерь напора воды в системе.

Одним из способов сокращения потерь энергии является переход с использования воды в качестве рабочей среды для передачи усилий на воздух, который будет иметь меньшие потери напора в системе. Согласно чему нами разработана конструкция аэрогидравлического водоподъемника.

2.2 Аэрогидравлический водоподъемник, водоподъемный узел и теоретические исследования их работы Применительно к разработанному способу и схемам повторного использования дренажно-сбросной воды с учетом технологических требований была разработана конструкция аэрогидравлического водоподъемника (пат. № 2450104 РФ) [59]. Водоподъемник обеспечивает создание напора для подъема жидкости с применением аэрогидравлической (воздушно-гидравлической) напорной системы [60].

Аэрогидравлический водоподъемник работает следующим образом.

При наполнении нижнего напорного резервуара 1 водой (рисунок 2.2), затвор верхнего бьефа 2 открыт, затвор нижнего бьефа 3 закрыт. Наполнение происходит за счет энергии гидравлического перепада между уровнем воды в верхнем бьефе и нижнем напорном резервуаре 1.

Рисунок 2.2 – Аэрогидравлический водоподъемник в режиме наполнения водой нижнего резервуара и подачи воды в верхний бьеф При этом верхний напорный резервуар 4 в период сброса воды из нижнего резервуара 1 максимально наполнен водой. Воздух из нижнего резервуара 1 при его наполнении водой вытесняется по воздуховоду 5 в верхний напорный резервуар 4.

Таким образом, в верхнем напорном резервуаре 4 создается напор, за счет которого закрывается водонаполняющий клапан 6, и вода из верхнего напорного резервуара 4 поднимает обратный клапан водовода 7 и по водоводу 8 вытесняется в напорный резервуар 9. Происходит процесс водоподъема, в ходе которого верхний напорный резервуар 4 по мере вытеснения из него воды наполняется воздухом и постепенно всплывает под действием выталкивающей силы (рисунок 2.3). Наполнение нижнего напорного резервуара водой приводит к подъему поплавка 11 вдоль штока 12 до верхнего фиксатора поплавка 13. Достигнув фиксатора 13 поплавок 11, следуя за уровнем воды в нижнем напорном резервуаре 10, поднимает шток 12 и упорную площадку 14. Упорная площадка 14, поднимаясь, поворачивает переключатель затворов 15 из положения I в положение неустойчивого равновесия III.

Рисунок 2.3 – Аэрогидравлический водоподъемник при смене режима При этом происходит смена положения фиксатора затворов 17, затвор нижнего бьефа 3 фиксируется в открытом положении, затвор верхнего бьефа 2 – в закрытом положении, и начинается слив воды из нижнего напорного резервуара 10. При сливе воды из нижнего напорного резервуара 10 в него поступает воздух по воздуховоду 4 из верхнего резервуара 5, который под действием собственного веса опускается, при открытом водонаполняющем клапане 6. Последующий слив воды из нижнего резервуара приводит систему конструктивных элементов водоподъемника в состояние, показанное на рисунке 2.2, из которого система переключается на наполнение нижнего напорного резервуара 10, т.е. начинается следующий цикл водоподъема.

Также был разработан водоподъемный узел (пат. № 2503775 РФ), который является модифицированной конструкцией АГВП, т.е. с аналогичной аэрогидравлической (воздушно-гидравлической) напорной системой, но имеет другие конструктивные элементы.

Водоподъемный узел работает следующим образом.

При открытом положении входного патрубка 1 (рисунок 2.4), выходной патрубок 2 закрыт клапаном-затвором 3, при этом происходит наполнение нижнего напорного резервуара 4 водой из верхнего бьефа.

Рисунок 2.4 – Водоподъемный узел при наполнении нижнего напорного резервуара и подача воздуха по воздуховоду в верхний напорный резервуар Оно происходит за счет наличия гидравлического перепада Z между уровнем верхнего и уровнем нижнего бьефа. Гидравлический перепад уровней создается на трубчатых переездах оросительных систем в месте сопряжения дренажно-сбросных каналов различных порядков, при работе канала младшего порядка в подпорном режиме.

При наполнении нижнего напорного резервуара 4 водой, в нем возникает избыточное давление воздуха и происходит вытеснение воздуха по воздуховоду 5 в верхний напорный резервуар 6.

Наполнение нижнего напорного резервуара 4 водой происходит до определенного уровня УВmax (максимальный уровень воды в нижнем напорном резервуаре). Гидростатическая подъемная сила (архимедова сила) становится больше силы гидростатического давления, действующего на клапан-затвор 3, и выталкивает полый цилиндрический поплавок 7.

Подъем поплавка 7 (рисунок 2.5) происходит вдоль направляющих 8 до верхнего резинового уплотнителя 9 входного патрубка 1.

Рисунок 2.5 – Водоподъемный узел слив воды из нижнего напорного Когда поплавок 7 достигает резинового уплотнителя 9 входного патрубка 1, его крышка 10 притягивается и фиксируется постоянными магнитами 11, что приводит к герметичному закрытию входного патрубка 1 резиновым уплотнителем 12 и резиновым уплотнителем 9 входного патрубка 1.

Гидравлический удар в момент закрытия входного патрубка 1 смягчается за счет повышения уровня воды в компенсаторе 13. При смене положения поплавка 7 происходит закрытие входного патрубка 1 и открытие выходного патрубка 2 и начинается этап слива воды из нижнего напорного резервуара 4, при этом происходит закрытие обратного клапана 14 и открытие воздушного клапана 15 (за счет незначительного вакуума), через который поступает воздух, занимая весь предоставленный ему объем.

Опорожнение нижнего напорного резервуара 4 происходит до уровня УВmin, при котором гидростатическая подъемная сила и удерживающая сила постоянных магнитов 11 становятся меньше веса поплавка 7 и силы давления воды на крышку 10 со стороны входного патрубка 1, что приводит к смене положения поплавка 7. Поплавок 7 опускается, клапаном-затвором 3 закрывается выходной патрубок 2, открывается входной патрубок 1. Начинается наполнение нижнего напорного резервуара 4 водой (рисунок 2.4) и подача воздуха в нижний напорный резервуар 6, начинается следующий цикл.

Применение в практике предлагаемых устройств и схем подачи дренажно-сбросных вод на орошение, является одним из путей экономии водных ресурсов, которая может быть направлена на увеличение посевных площадей [61].

Адаптированность и работоспособность предлагаемых схем и устройств на примере конкретной рисовой оросительной системе показана в разделе 4.1.

Для теоретического исследования АГВП мы применили уже разработанные и апробированные математические модели гидромеханики.

Полный цикл работы АГВП модифицированной конструкции целесообразно рассматривать состоящим из трех периодов: нагнетания, вытеснения, сброса.

Период нагнетания (нарастания давления воздуха) начинается в момент открытия питательного патрубка, закрытия сбросного патрубка и с началом поступления воды в нижний напорный резервуар. Заканчивается моментом перелива воды из подающего трубопровода. При наполнении нижнего напорного резервуара вода тратит часть своей энергии на преодоление давления воздуха, которое по мере заполнения резервуара водой возрастает.

Из-за возрастания давления скорость наполнения постепенно убывает, т.е.

период «нагнетания» – это период неустановившегося движения, который продолжается пока давление воздуха в нижнем напорном резервуаре и скорость наполнения его водой не стабилизируются.

Воспользуемся уравнением Бернулли для реальной жидкости (2.4) [62], которое выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости и позволит описать истечение воды в нижний напорный резервуар:

– плотность жидкости, кг/м3;

где – скорость потока, м/с;

– высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, м;

– давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, Па;

– ускорение свободного падения, м/с2.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 согласно схеме (рисунок 2.6). На свободной поверхности жидкости (сечение 1-1) давление равно атмосферному. Давление для сечения 2-2 равно давлению в нижней напорной емкости, которое будет превышать атмосферное давление. На свободной поверхности жидкости скорость струи равна нулю. Высота свободной поверхности, центра тяжести сечения 1-1, относительно линии сравнения 0- (линии нулевого уровня), равна Z1, а центр тяжести сечения 2-2 расположен на высоте Z2, где скорость струи будет равняться.

Рисунок 2.6 – Схема к расчету истечения в нижний напорный резервуар Тогда уравнение Бернулли примет вид:

где – потери напора в питательном трубопроводе, м.

тогда Для удобства расчета потери напора в питательном трубопроводе h1w можно принять в качестве коэффициента расхода системы 1,тогда выражение будет иметь следующий вид:

где – коэффициент расхода системы относительно сечения 2-2.

При этом необходимо учитывать, что уравнение (2.4) описывает установившееся движение жидкости. В таком случае полученные уравнения справедливы для бесконечно малого промежутка времени dt, при котором давление в нижней напорной емкости = const.

Чтобы охарактеризовать период нагнетания, его производительность и продолжительность необходимо найти расход воды, поступающей в нижний напорный резервуар в этот период согласно формуле:

где – скорость потока с учетом потерь, м/с;

– площадь сечения питательно трубопровода, м2.

Тогда В уравнении (2.11) остается неизвестным давление в аккумулирующей емкости, величина которого изменяется с наполнением нижней напорной емкости водой (рисунок 2.6) в диапазоне от (атмосферного давления) до некоторой величины Pmax =. Однако период «нагнетания» продолжается до некоторой величины Pвыт, при которой воздух сжимается до Pвыт, при этом напор воды в верхнем напорном резервуаре увеличивается до и уравнение расхода (2.11) будет иметь другой вид:

Необходимо определить порог перехода, т.е. величину давления, при которой начинается установившееся движение жидкости в подающем трубопроводе и движение воздуха по воздушной линии. Эта величина Pвыт (Па) согласно схеме (рисунок 2.6):

где – требуемая высота подачи, м;

– потери напора в подающем трубопроводе, м;

– потери энергии сжатого воздуха, Па.

Движение сжатого воздуха по трубопроводам сопровождается потерями, которые обычно объединяют в три группы [63, 64]: гидравлические потери энергии; тепловые потери энергии; массовые (объемные) потери энергии, утечки.

Тепловые потери энергии имеют место для случая, когда транспортируется нагретый или охлажденный воздух и есть возможность изменения его до температуры окружающей среды. Применительно к рассматриваемой конструкции тепловые потери исключаются.

Массовые потери энергии, утечки применительно к воздушной линии возможны в местах стыковых соединений, но для нашего диапазона давления не составит сложности подобрать герметичные соединения, поэтому этот фактор можно не учитывать.

Таким образом в нашем случае необходимо учитывать только гидравлические потери. Гидравлические потери энергии вызываются двумя видами потерь: линейными pл – проявляющими по всей длине потока, и местными pм – проявляющими на отдельных участках сети в связи с изменением величины и направления скорости потока. Потеря энергии участка равна:

Прежде чем переходить к определению гидравлических потерь, необходимо рассмотреть течение воздуха по воздуховоду. Как уже говорилось, с момента начала вытеснения, поступающая жидкость приобретает установившееся движение, следовательно, воздух в воздуховоде тоже движется равномерно в установившемся режиме. И когда давление в нижнем напорном резервуаре достигнет величины Pmax, то это же давление, за исключением потерь в воздушной линии, действует в верхнем напорном резервуаре, т.е. будет постоянное давление при перетекании воздуха по воздуховоду из одной емкости в другую, поэтому при этих условиях степень сжатия не изменяется, т.е. плотность воздуха постоянна. В этом случае справедливо применить формулу Дарси-Вейсбаха (2.15) для линейных потерь давления при равномерном движении несжимаемой среды в круглоцилиндрическом трубопроводе:

где – коэффициент сопротивления трения по длине;

– длина рассматриваемого участка трубопровода, м;

– внутренний диаметр трубопровода, м;

– средняя плотность среды, кг/м3;

– скорость потока среды, м/с.

Местные потери давления pм вычисляются по формуле Вейсбаха:

где – коэффициент местного сопротивления.

Определившись с величиной давления Pвыт и проанализировав от чего эта величина зависит, мы имеем четкий диапазон изменения давления от до Pвыт, по которому можно найти среднее давление за период нагнетания.

Ему соответствует средний расход этого периода (средний расход наполнения нижнего напорного резервуара за период изменения давления от до Pвыт).

Объем воды поступающий в нижний напорный резервуар за период нагнетания зависит от степени сжатия воздуха при давлении Pвыт. В п. 2.5 представлена теоретическая кривая коэффициента сжатия kсж, характеризующая степень сжатия воздуха, в зависимости от действующего давления.

Для определения объема поступившей воды необходимо знать начальный объем задействованного воздуха и величину давления в конце периода, по которой определяется коэффициент сжатия воздуха. Тогда объем воды, поступивший за период нагнетания водоподачи:

где kсж – коэффициент сжатия воздуха;

– объем задействованного воздуха, м3.

Начальный задействованный объем воздуха включает объем непосредственно нижнего напорного резервуара и воздушной линии, которая в период нагнетания рассматривается как дополнительный объем воздуха Зная объем воды (2.18), который поступает за нагнетательный период, и изменение давления от величины до величины Pвыт, определяем время нагнетательного периода:

Начало периода вытеснения связано с установившимся расходом поступающей воды в нижний напорный резервуар и началом движения воздуха по воздуховоду. При этом уже имеющееся давление в нижнем напорном резервуаре Pвыт увеличиваться до величины Pmax =, за счет этого происходит истечение воды из подающего трубопровода, и устанавливается некоторая величина свободного напора.

Опишем движение жидкости в нижнем напорном резервуаре после завершения периода «нагнетания», когда поступающий расход становится установившимся и происходит истечение воздуха из нижнего напорного резервуара в верхний напорный резервуар. В этот период расход притока в нижний напорный резервуар будет равен расходу истечения из подающего трубопровода верхнего напорного резервуара.

Обратимся к уравнению Бернулли (2.4) для описания истечения жидкости из подающего трубопровода (рисунок 2.7). Для этого запишем уравнение Бернулли для сечений 3-3 и 4-4. Давление для сечения 3-3 после периода нагнетания равно P3 = Pmax –. Давление в сечении 4-4 равно атмосферному, но так как мы рассматриваем избыточное давление, то атмосферное давление можно не учитывать. На свободной поверхности жидкости скорость струи равняется нулю. Высота свободной поверхности центра тяжести сечения 3-3 относительно линии сравнения 0-0 (линии нулевого уровня) равна Z3, а центр тяжести сечения 4-4 расположен на высоте Z4, на Рисунок 2.7 – Схема к расчету истечения из подающего трубопровода Тогда уравнение Бернулли примет вид:

получим:

тогда Величины напоров h и Н1 вычисляются с учетом потерь напора, поэтому для удобства расчета заменим их на величины в которых эти потери не учитываются, т.е. на величины H и Hвыт соответственно, а потери напора будем учитывать в виде коэффициента расхода системы сист, тогда выражение будет иметь следующий вид:

где сист – коэффициент расхода системы относительно сечения 4-4.

Коэффициент расхода системы равен относительно сечения 4-4:

где сист – коэффициент сопротивления системы, относительно сечения 4-4.

где – сумма коэффициентов всех местных сопротивлений;

– коэффициент гидравлического трения;

– длина питательного и подающего трубопровода соответственно, м;

– диаметр питательного и подающего трубопровода, м.

Тогда расход воды поступающей в нижний напорный резервуар и истекающий из подающего трубопровода, согласно (2.23) равен:

– площадь живого сечения подающего трубопровода, м2.

где После завершения периода нагнетания, движение воды в нижний напорный резервуар становится установившимся, воздух сжался до величины давления, а объем поступающей воды в нижний напорный резервуар будет равен объему воды, вытесняющемуся из верхнего напорного резервуара. При этом необходима поправка на дополнительное сжатие воздуха, при возрастании давления в аккумулирующей емкости до величины. Поэтому учитывается поправка на дополнительное сжатие начального объема задействованного воздуха, от величины до, т.е величину, равную, которой будет соответствовать коэффициент сжатия. За счет чего, в нижний напорный резервуар поступит дополнительный объем воды, который повлияет только на степень сжатия воздуха.

Согласно конструктивным особенностям поплавкового механизма рисунок 2.8, рабочий объем жидкости это объем воды, который поступает за весь цикл работы водоподъемного узла. И равняется объему воды заключенному между нулевым уровнем h0акк, (уровень воды который устанавливается после первого цикла) и максимальным hmax.акк.

Рисунок 2.8 – Определение рабочего объема нижнего напорного резервуара С учетом объема воды поступившего за период «нагнетания» и объема воды поступившего для досжатия воздуха до величины, в период «вытеснения», в нижний напорный резервуар за период «вытеснения» поступит объем воды:

Зная объем воды, за период вытеснения и расход периода вытеснения, определяется время периода вытеснения:

Период сброса начинается при достижении уровнем воды в нижнем напорном резервуаре (при наполнении) положения hmax.акк, после подъема поплавка под действием гидравлически выталкивающей силы. В этот момент происходит закрытие питательного патрубка и открытие сбросного и начинается сброс воды из нижнего напорного резервуара. Заканчивается период сброса при достижении уровнем воды положения h0акк и падением поплавка, открытием питательного патрубка и закрытием сбросного патрубка [65].

Задачей расчета в этот период является определение продолжительности опорожнения нижнего напорного резервуара.

Согласно рисунку 2.9 нижний напорный резервуар имеет постоянное сечение и площадь сбросного патрубка сб. Движение не установившееся, так как напор со временем уменьшается, и как следствие уменьшается расход Qсбр. Предположим, что за бесконечно малый промежуток времени dt, уровень в аккумулирующей емкости опустится на малую величину dh, в этот промежуток времени течение можно считать установившемся.

Рисунок 2.9 – Определение периода сброса из нижнего напорного резервуар Тогда количество вытекшей воды можно принять равной:

или тогда откуда Для определения продолжительности периода сброса нижнего напорного резервуара от уровня Нmax до уровня Hmin проинтегрируем уравнение (2.32):

В результате проведенного теоретического исследования, технологический процесс работы аэрогидравлического водоподъемника можно представить в виде системы уравнений, которая представляет собой математическую модель его работы.

Согласно полученным зависимостям основными значимыми факторами работы АГВП являются: величина действующего напора на АГВП, высота водоподачи, диаметр питательного трубопровода и диметр подающего трубопровода (площади живого сечения).

Такие факторы как напор на АГВП и требуемая высота водоподачи, могут быть объединены в один фактор, так как работа АГВП зависит от разности этих величин (от перепада z между напором на АГВП и высотой водоподачи), но это требует подтверждения при проведении лабораторных исследований. Поэтому дополнительной задачей экспериментальных исследований АГВП это изучение влияния действующего напора и высоты водоподачи на производительность.

Согласно проведенному теоретическому исследованию технологического процесса работы аэрогидравлического водоподъемника выяснилось, что технические параметры функциональных частей водоподъемного узла, во многом определяются физическим свойством воздуха – сжимаемостью. В связи, с чем дополнительной задачей исследований является выявление количественных зависимостей между величиной действующего напора на АГВП и степени сжатия воздуха (коэффициента сжатия воздуха) [66].

Была поставлена задача получить теоретическую зависимость изменения коэффициента сжатия воздуха и подтвердить эмпирической зависимостью полученной на лабораторной установке эффектом «гидравлического сжатия».

Сжимаемость – это способность вещества изменять свой объем или плотность под действием всестороннего давления или других внешних сил.

Если остановиться непосредственно на воздухе, то согласно определению сжимаемости нас интересует изменение его плотности или объема.

Согласно уравнению состояния идеального газа, плотность воздуха находится по следующей зависимости:

где – давление Па;

R – газовая постоянная, представляющая собой работу изобарного изменения состояния 1 кг воздуха при изменении температуры на 1 ;

T – абсолютная температура, К.

Из уравнения (2.35) видно, что причиной изменения плотности могут быть следующие факторы:

1) изменение давления:

а) изменение барометрического давления, за счет большой разности высот;

б) искусственно создаваемые разности давлений в резервуарах и трубопроводах.

2) перепады температур;

3) изменение состава воздуха;

Также на изменение давления оказывают очень большие скорости [66].

При работе АГВП в производственных условиях влажность и температура будут меняться в течение суток и в течение вегетации риса в соответствии с климатическими условиями района. Поэтому необходимо также исследовать степень влияния климатических факторов (температура и влажность воздуха) на величину коэффициента сжатия атмосферного воздуха.

Когда речь идет об атмосферном воздухе, подразумевается влажный воздух, который представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара.

Давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, что подтверждается законом Дальтона или законом парциальных давлений [64, 67].

Рассмотрим коэффициент сжатия kсж как отношение плотности влажного воздуха при атмосферном давлении и плотности этого воздуха при некоторой величине давления.

Плотность влажного воздуха, как смеси сухого воздуха и водяного пара при различной влажности и температуре определяется по формуле [67]:

где p – давление воздуха, кПа;

d – влагосодержание влажного воздуха, г/кг;

T – абсолютная температура воздуха, К.

С использованием формулы (2.37) нами рассчитана плотность воздуха для некоторого диапазона температур, характерных для вегетационного периода риса в Краснодарском крае, при различной относительной влажности воздуха таблица А.1 (Приложение А).

На основе таблицы А.1 (Приложение А), была получена теоретическая зависимость изменения коэффициента сжатия воздуха для различных величин давления (напора), которые возможны на рисовых оросительных системах, с учетом климатических условий Краснодарского края (средняя температура воздуха t = 20 и относительная влажность = 60% за вегетационный период).

Рисунок 2.10 – Теоретическая зависимость изменения коэффициента сжатия воздуха от величины действующего давления Анализируя зависимость изменения коэффициента сжатия от относительной влажности воздуха (таблица А.1 Приложение А) видим, что при температуре 20 (характерной средней температуре воздуха за вегетационный период риса) и действующем рабочем давлении Pизб = 2 м вод. ст. (при котором предполагается работа АГВП) и относительной влажности воздуха кг/м3. Разница между плотностью воздуха составляет всего 0,0063 при разнице в значениях относительной влажности 60%. Из этого следует, что разница между сжимаемостью воздуха с большей и меньшей относительной влажностью, будет еще меньше, т.е. влажность воздуха практически не оказывает влияния на величину Используя (таблица А.1 Приложение А), можно также проанализировать влияние температуры на коэффициент сжатия воздуха. Взяв значения плотности для давления Pизб = 2 м вод. ст. (при котором предполагается работа АГВП) и относительной влажности 60% (примерно равная средней по Краснодарскому краю) для температуры t1 = 5 и t2 = 40, = 1, кг/м3 и = 1,32675 кг/м3. Разница между плотностями с разностью температур 35 равна 0,18542, а разница между соответствующими коэффициентами сжатия = 0,8375 и = 0,8344, составляет 0,0031, т.е. температура не оказывает значительного влияния на величину коэффициента сжатия воздуха.

2.3 Теоретическое обоснование основных параметров и рабочих характеристик аэрогидравлического водоподъемника для условий рисовых оросительных систем На основе полученных теоретических зависимостей были построены расходно-напорные характеристики исследуемых конструкций АГВП при различных значениях относительного диаметра и относительного напора H/h (рисунок 2.11 – 2.13). Относительный диметр есть соотношение диаметров подающего трубопровода и питательного. Относительный напор есть отношение величины напора на АГВП к высоте его водоподачи.

Рисунок 2.11 – Зависимость изменения подачи АГВП от относительного диаметра и относительного напора при диаметре подающего трубопровода Рисунок 2.12 – Зависимость изменения подачи АГВП от относительного диаметра и относительного напора, при диаметре подающего трубопровода Рисунок 2.13 – Зависимость изменения подачи АГВП от относительного диаметра и относительного напора при диаметре подающего трубопровода 100 мм Полный коэффициент полезного действия учитывает общие потери, которые имеют место при эксплуатации АГВП. Такими потерями являются гидравлические, объемные и технологические.

Гидравлические потери энергии обусловлены преодолением гидравлических сопротивлений начиная от входа в АГВП и до выхода из него. Основное влияние оказывает гидравлическое сопротивление в воздуховоде, при движении воздуха от нижнего напорного резервуара к верхнему напорному резервуару. Эти потери энергии учитываются гидравлическим КПД [68, 69]:

где h – потери напора в системе АГВП, м;

Н – напор на АГВП, м.

Объемные потери энергии связаны с потерей объема жидкости, затрачиваемой на сжатие воздуха до величины напора на АГВП. Эти потери оцениваются объемным КПД [68, 69]:

где Wпод – объем воды поданный АГВП;

W – полный объем воды, задействованный при работе АГВП (W = Wнаг+ +2·Wпод).

Объемный КПД зависит от коэффициента сжатия воздуха при действующем напоре на АГВП и может быть определен по зависимости на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Зависимость объемного коэффициента полезного действия Технологические потери связаны с особенностью работы АГВП, а именно чередованием циклов подачи и сброса воды. Это приводит к потерям воды в результате перерыва в подаче АГВП и транзитного сброса воды, протекающей по каналу. Эти потери учитываются технологическим КПД:

Согласно проведенным расчетам по формулам (2.19), (2.29) и (2.33), с увеличением объема емкости нижнего напорного резервуара величина времени наполнения превосходит величину времени сброса. Это говорит о том, что величина объема емкости влияет на величину т, т.е. чем больше объем емкости, тем больше превышение времени работы над временем сброса и как следствие меньше величина транзитного сброса, проходящая во время цикла сброса.

Рисунок 2.15 – Зависимость технологического коэффициента полезного действия от объема нижнего напорного резервуара при z = 0,2 м Произведение объемного и технологического КПД АГВП, представляют собой КПД подачи:

Полный КПД аэрогидравлического водоподъемника представляет собой произведение всех трех коэффициентов полезного действия:

Для оценки эффективности использования разработанной конструкции аэрогидравлического водоподъемника рассчитаем возможный КПД подачи для условий рисовой оросительной системы.

Объемный КПД c учетом возможного создания напора на АГВП H = 2м, согласно графику на рисунке 2.14, равен о = 0,42. Технологический КПД определяется по графику рисунок 2.15, согласно объему нижнего напорного резервуара, который вполне реально использовать (2 м3), т = 0,645.

Тогда КПД подачи составит:

При аналогичном питательном напоре H = 2м, конструкция тарана с автоматической коррекцией режима работы, предложенная А.К. Семерджяном будет иметь КПД подачи 0,22. Это говорит о том, что эффективность использования дренажно-сбросного стока от применения аэрогидравлического водоподъемника в сравнении с конструкцией тарана составляет 5%.

Если учесть, что расход дренажного стока участкового дренажносбросного канала согласно [32], может составлять 45 % подаваемой воды на модуль, тогда КПД повторного использования дренажно-сбросной воды, составит:

2.4 Выводы по второй главе 1. Разработан и теоретически обоснован способ выращивания риса для повторного использования дренажно-сбросных вод (пат. № 2457672), включающий схемы повторного использования дренажно-сбросных вод, адаптированные к конструкциям существующих рисовых оросительных систем с учетом технологических требований и позволяющий повысить разбавляющую способность в створе смешивания в 3 раза в сравнении с способамианалогами повторного использования дренажно-сбросных вод на внутрихозяйственном звене рисовых оросительных систем. Подтверждение эффективности его разбавления, требует проведения полевых исследований.

2. С учетом технологических требований при повторном использовании дренажно-сбросных вод, разработаны новые конструкции аэрогидравлического водоподъемника (пат. № 2450104 РФ) и водоподъемного узла (пат.

№ 2503775 РФ), работающие за счет энергии гидравлического перепада, создаваемого между каналами сбросной сети, и подающая дренажно-сбросную воду обратно в оросительную сеть. КПД подачи АГВП применительно к рисовой оросительной системе составляет 0,27, что позволяет подавать до 27% дренажно-сбросного стока на орошение. Подтверждение величины КПД подачи требует проведения экспериментальных исследований.

3. Увеличение использования дренажного стока от применения АГВП по сравнению с гидротараном составляет 5%.

4. Теоретически обоснована работа аэрогидравлического водоподъемника. Получена математическая модель работы аэрогидравлического водоподъемника состоящая из 4 уравнений, позволяющая производить расчет основных технологических процессов его работы.

5. Теоретически установлено, что при совместной работе разработанного способа и конструкции аэрогидравлического водоподъемника может повторно использоваться до 12% подаваемой на модуль оросительной воды.

Подтверждение данной величины требует проведения полевых исследований.

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Методика и результаты экспериментальных исследований совместной работы водной и воздушной среды в конструкции аэрогидравлического водоподъемника Первый этап лабораторных исследований это – выявление количественных зависимостей между создаваемым напором воды на АГВП и степенью сжатия воздуха, эффектом «гидравлического сжатия» [66] и сопоставление их с расчетными велиинами.

При подходе к созданию экспериментальной модели учитывалась возможность создания давления от 0,0 кПа до 160 кПа. Обязательным требованием к экспериментальному диапазону давлений является охват диапазона рабочего давления, имеющего место в условиях рисовой оросительной системы при работе АГВП. С учетом всех вышеперечисленных требований и условий была сконструирована экспериментальная установка, для изучения сжимаемости воздуха в условиях, которые схожи с работой АГВП (рисунок 3.1). Фото экспериментальной установки показано в Приложении Б.

В напорную емкость 1 поступает вода через задвижку 7. Отметка поверхности воды напорной емкости 1 отслеживается по пьезометру 3 и мерной ленте 4. В камеру давления 2 через задвижку 9 вода поступает под давлением из напорной емкости 1. Камера давления 2 имеет сообщение с атмосферой через задвижку 6, через которую в открытом положении проходит воздух и занимает весь предоставленный ему объем, в закрытом положении она представляет собой герметичную камеру. Камера 2 также оснащена задвижкой для спуска воды 8 и мерным стеклом 5. Мерная лента 4 предназначена для снятия показаний уровня воды в напорной емкости 1 и камере давления 2 соответственно по пьезометру 3 и мерному стеклу 5.

1 – напорная емкость; 2 – камера давления; 3 – пьезометр; 4 – мерная лента; 5 – мерное стекло камеры давления; 6 – задвижка подачи воздуха; 7 – задвижка для подачи воды в напорную емкость; 8 – задвижка для спуска воды; 9 – задвижка для подачи воды в камеру давления; 10 – манометр Рисунок 3.1 – Экспериментальный стенд по определению коэффициента Определение степени сжатия воздуха осуществляется при сжатии известного объема воздуха в камере давления. Камера давления 2 наполняется воздухом при атмосферном давлении P0 через задвижку 6, при закрытии которой осуществляется сжатие воздуха. Происходит так называемое «гидравлическое сжатие» за счет давления столба жидкости в емкости 1 высотой h. В этом случае при сжатии воздуха исключаются потери на трение.

Применяется основное уравнение гидростатики:

где p0 – атмосферное давление, Па;

- удельный вес воды, кг/м3;

h – высота столба жидкости, м.

Применительно к лабораторной установке интерес представляет избыточное давление, которое показывает превышение полного давления над атмосферным давлением:

где Pi – пьезометрическое давление, Па;

– удельный вес воды, кг/м3;

hi – фиксируемая разность отметок уровня в напорной емкости и камере давления, м.

Согласно уравнению (3.2) для вычисления создаваемого давления учитываются два параметра: высота столба воды hi и удельный вес воды.

Удельный вес воды = g, зависит от ее плотности, которая изменяется в зависимости от температуры воды. Поэтому выполнялась четкая фиксация температуры воды при подаче ее в напорную емкость, а контролем был замер температуры воды при спуске ее из напорной емкости в конце опыта.

Высота столба жидкости hi (разность отметок уровней воды в напорной емкости и камере давления, которая измеряется по мерной ленте) и определяет величину действующего давления в камере. Рабочий диапазон напорной емкости позволяет задавать значения hi от 0,4 до 4,4 м. В рабочем диапазоне выполнялось 9 статических измерений.

Методика эксперимента:

начальное положение: открытие задвижки 9 между напорной емкостью и камерой давления (имеющая сообщение с атмосферой – открыта задвижка 6), и выставление общего уровня воды (исходное начальное положение уровней) в напорной емкости и камере давления.

а) закрытие задвижки 6 камеры давления 2 – момент нулевого напора и свободное состояние воздуха.

б) подача воды в напорную емкость и создание в напорной емкости столба жидкости высотой 0,5 м от начального уровня. Измерение уровня воды в камере давления 2 и расчет объема воздуха.

в) последовательное увеличение столба жидкости в напорной емкости с шагом 0,5 м от предыдущего значения, фиксация уровней воды в камере давления 2 и вычисление соответствующего объема воздуха Wi, для всего рабочего диапазона напорной емкости.

г) сброс воды из напорной емкости до начального уровня и сравнение объема воздуха в камере давления с первоначальным объемом (для контроля).

Измерения, как указано выше, проводились во всем рабочем диапазоне напорной емкости с произвольным шагом напора в пятикратной повторности. Эксперимент был выполнен при постоянной влажности = 55% и температуре воздуха в помещении t1 = 16, результаты эксперимента представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Экспериментальное определение коэффициента сжатия воздуха при изменении величины напора (контроль пьезометром) Показания пьезометра экспериментальной установки определяют величину напора воды hi и соответственно давление Pi в камере давления 2. Значения hi и соответствующие им объемы воздуха в камере давления Wi есть средние значения пятикратной повторности опыта. При каждом измерении учтен дополнительный объем воздуха Wi.доп.фит, который сосредоточен в мерном стекле и фитинговых соединениях экспериментальной установки. Коэффициент сжатия определенен по зависимости:

По результатам эксперимента получили график сжимаемости воздуха, который представлен на рисунке 4.2.

Рисунок 3.2 – Эмпирическая зависимость изменения коэффициента сжатия воздуха при изменении величины давления (контроль пьезометром) На рисунке 3.3 представлено сопоставление теоретической кривой коэффициента сжатия воздуха с эмпирической полученной входе лабораторных исследований.

Рисунок 3.3 - Изменение коэффициента сжатия воздуха Отмечается сходимость экспериментальной и теоретической кривой, что подтверждает правильность принятых расчетных зависимостей и выполненных расчетов.

Для обеспечения контроля проведенных измерений, а также для изучения значений kсж в более широком диапазоне давлений (0 … 160 кПа), эксперимент выполнен с измерением действующего давления при помощи манометра. В ходе эксперимента также осуществлялось «гидравлическое сжатие»

воздуха. Вода под напором подавалась в камеру давления 2 по трубопроводу через задвижку 8. При этом доступ воздуха в камеру давления исключался.

Величина создаваемого давления фиксировалась по показаниям манометра 10, расположенного в верхней части камеры давления 2. Достоверность показаний манометра подтверждается результатами периодической проверки.

Таблица 3.2 – Экспериментальное определение коэффициента сжатия воздуха при изменении напора (контроль манометром) Эксперимент выполнен в пятикратной повторности. Значения коэффициента сжатия рассчитаны по формуле (3.3).

На рисунке 3.4 также выполнено совмещение графиков kсж по данным таблицы 3.1 и таблицы 3.2.