«Б.П. Фокин, А.К. Носов СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГООПОРНЫХ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН Научное издание Пятигорск 2011 УДК 631.347.3 ББК 40.62 Б.П. Фокин, А.К. Носов Современные проблемы применения многоопорных ...»

Федеральное государственное унитарное предприятие

СТАВРОПОЛЬСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ

(ФГУП «СТАВНИИГиМ»)

Открытое акционерное общество

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО И МЕЛИОРАТИВНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

(ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ») Б.П. Фокин, А.К. Носов

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ

МНОГООПОРНЫХ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН

Научное издание Пятигорск 2011 УДК 631.347.3 ББК 40.62 Б.П. Фокин, А.К. Носов Современные проблемы применения многоопорных дождевальных машин Научное издание. – Ставрополь, 2011. – с. Рецензент: д.т.н. И.Ф. Юрченко В монографии приводятся результаты исследований, связанных с взаимодействием воды и почвы, рассмотрены процессы ирригационной эрозии почв при дождевании и процессы влияния противоэрозионных обработок почвы на сток. Составлена классификация противоэрозионных мероприятий с указаниями по их применению. Сделан анализ технологий полива дождеванием и оценены возможности технических средств по их реализации. Большое внимание уделено качеству искусственного дождя и снижению энергоёмкости полива, в частности, переводу ДМ «Фрегат» на пониженное рабочее давление. Приведены примеры инженерных расчётов некоторых технических и технологических параметров дождевальных машин.

Большое внимание уделено описанию и анализу конструкций и параметров малоизвестных отечественных и разнообразных зарубежных многоопорных дождевальных машин фирм RDK, Valmont, WR, TL. Отмечены основные тенденции в развитии мирового ирригационного машиностроения.

Монография предназначена специалистам проектных, научных и производственных организаций, учебных заведений мелиоративного профиля при выборе, размещении орошаемых участков и эксплуатации дождевальной техники.

ISBN 978-5-91266-025- © ФГУП СТАВНИИГиМ, © ОАО «Севкавгипроводхоз»,

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, несмотря на кризисное состояние, определяется будущее водных мелиораций. В связи с этим разрабатывается концепция возрождения мелиорации России. В её основу положена основная идея о необходимости преодоления тенденции сокращения орошаемых площадей и рационального использования сохранившегося мелиоративного фона с тем, чтобы на этой основе в дальнейшем обеспечить хотя бы небольшой, но стабильный прирост площадей поливных земель. В этой связи появляется проблема, на какой технической и технологической базе возрождать отечественную мелиорацию? Ясно, что, если делать это на уровне семидесятыхвосьмидесятых годов, то мы отстанем от мирового технического прогресса навсегда. В связи с этим особую значимость приобретают разработки, связанные с повышением эффективности полива дождеванием и совершенствованием соответствующих технических средств.

В целом из множества сопутствующих возрождению проблем можно выделить непосредственно относящиеся к способу полива дождеванием:

во-первых, отсутствие региональных научно-обоснованных и дифференцированных по условиям применения технологий, обеспечивающих высокое качество и экологическую безопасность полива;

во-вторых, потребность в снижении энергозатрат при эксплуатации многоопорных дождевальных машин;

в-третьих, отсутствие производства современных дождевальных машин.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области технического совершенствования многоопорных дождевальных машин и технологий полива дождеванием ведутся в нашей стране уже несколько десятилетий. От образца к образцу, от модификации к модификации они становились более надежными и производительными, менее материалоёмкими.

Заметный качественный скачок произошел с освоением гидро -, а затем электропривода. Тем не менее, эксплуатируемые ныне машины разрабатывались исходя из научно-мелиоративных, технических и эколого-экономических воззрений шестидесятых-восьмидесятых годов, которые за последнее время претерпели существенные трансформации. В связи с этим, предполагая дальнейшее развитие дождевальной техники, необходим детальный анализ выполненных в этой области теоретических исследований и практических работ для выявления основных проблем, постановки соответствующих задач и определения путей их решения.

1. Процесс взаимодействия дождя и почвы В соответствии с современными взглядами основной целью сельскохозяйственных мелиораций является получение требуемого объема продукции соответствующего качества, придание земледелию устойчивого характера путем долговременного улучшения природной среды, вовлечения в оборот малопродуктивных земель, создания и поддержания благоприятной мелиоративной обстановки, сохранения и повышения почвенного плодородия. Для этого, как указывалось еще в начале прошлого века [1], в засушливых районах необходимо орошение, причем, «…операция полива должна быть проведена таким образом, чтобы почва на всей площади получила равномерное увлажнение в количестве соответствующем установленной влажности». Увлажнить почву можно разными способами, в частности и таким, как дождевание, которое в большой мере приближено к природным процессам внесения влаги в почвенные структуры. Однако дождь не только увлажняет почвогрунты, но и при определенных условиях вызывает эрозионные явления, которые, в общем-то, известны давно, и к настоящему времени физическая суть процесса исследованиями, проводимыми уже более 100 лет, установлена весьма детально.

Одними из первых в области водной эрозии почв, вызываемой естественными дождями, были работы проведенные немецким ученым Вольни в период с 1877 по 1895 гг. [2]. На небольших делянках он изучал факторы, влияющие на задержание и поглощение почвой атмосферной влаги и разрушение ее верхних горизонтов. В первой половине прошлого века за рубежом наибольший объем работ в области эрозионоведения был выполнен в США, где в 1928-1933 годах было создано 10 опытных противоэрозионных станций, а затем их количество увеличилось вчетверо. В программы работ были включены опыты по борьбе с эрозией инженерными средствами и исследования стока с малых водосборов. В результате их деятельности были изучены, установлены и количественно оценены основные особенности эрозионных процессов. Следует отметить, что это были годы великого кризиса, но мелиоративные исследования в этот период не только ни останавливались, но и расширялись.

Суть процессов эрозии заключается в отделении и переносе почвенных частиц под воздействием дождя и поверхностно стекающих вод. При взаимодействии дождя и почвы одним из самых нежелательных последствий процесса является разрушение последней, формирование стока и наносов и изменение ландшафта. Водная эрозия является главной причиной деградации почв и целых природных комплексов. Природные, хозяйственные и ландшафтные факторы считаются основными, влияющими на характер протекания эрозионных процессов. Одним из главных последствий эрозии является падение продуктивности подвергшихся ее воздействию земель. Уже на слабосмытых почвах по обобщенным данным А.Н. Костякова и М.Н. Заславского [3] урожайность сельскохозяйственных культур снижается на 10-30%, а на среднесмытых до 50%. Аналогичная информация приводится и в зарубежных источниках. Так, в США (штат Джорджия) [4] даже при благоприятных погодных условиях урожай кукурузы составил 33 ц/га на смытых почвах и 54, ц/га на не смытых. При обработке слабо - и средне эродированных площадей топлива расходуется в 1,5 раза больше, чем при обработке неэродированных [5]. Кроме этого необходимы повышенные до трех раз дозы удобрений.

Внедрение в практику сельскохозяйственного производства искусственного орошения вызвало, так называемую, ирригационную эрозию почв, которую можно рассматривать как разновидность водной или как ее дополнение, хотя в научных целях, абстрагируясь, можно рассматривать ее самостоятельно, что в основном и делается. Согласно нормативным документам [6], полив дождеванием следует применять:

на незасоленных и промытых почвах со средней интенсивностью искусственного дождя не превышающей впитывающей способности при УГВ не менее 2,5 м; при поливных нормах не более 600 м3/га;

при повторениях ветра со скоростью, превышающей допустимую Первое из этих ограничений и наиболее строгое как раз и связано с ирригационной эрозией при дождевании, которая в первом приближении возникает вследствие подачи воды с интенсивностью, превышающей скорость впитывания воды в почву. Соблюдение равенства этих параметров является основным условием полива без образования поверхностного стока и смыва почвы. Интенсивность дождя равную скорости впитывания воды в почву называют допустимой. Инфильтрационная же способность почв изменяется от ее свойств, состояния поверхности, качественных и количественных характеристик дождя, времени полива. А.Н. Костяков допустимую интенсивность определял исходя из механического состава почвогрунтов: для тяжелых 0,1мм/мин; средних 0,2-0,3 мм/мин; легких 0,3-0,8 мм/мин. Аналогично данные для стационарных систем и безуклонных участков приводятся и в более поздних публикациях. Согласно рекомендациям М.И. Багрова и И.Г. Кружилина [7], уже с учетом уклонов, на склонах с = 0,01-0,12 допустимая интенсивность для легких почв изменяется от 0,5 до 0,85 мм/мин; средних 0,4-0, мм/мин; тяжелых 0,2-0,1 мм/мин. Разумеется, все эти значения следует рассматривать как приближенные и нуждающиеся в корректировке в зависимости от конкретных условий. Ведь порог перехода от безэрозионного к эрозионно-опасному поливу, равно как и протекание эрозионных процессов определяются и размерами капель дождя, и его структурой, а так же влажностью и характером обработки почвы, видом и стадией развития растений и другими факторами.

Впитывание воды в почву процесс весьма сложный и изучение его имеет свою историю. Впервые А.Н. Костяков (1937 г.) подразделил его на две стадии: инфильтрацию и фильтрацию. Н.А. Качинский выделял 3 фазы:

восприятие воды почвой, проведение воды из слоя в слой, фильтрацию через почву в грунт. Г.Н. Высоцкий предлагал два типа – инфлюкционный (затекание воды в почву по трещинам и землероинам) и инфильтрационный – движение воды по мелким порам и капиллярам. Сейчас это явление рассматривается как состоящее из процессов инфлюкции, инфильтрации и фильтрации.

При поливе дождеванием процесс перехода поливной воды в почвенную влагу может происходить в трех вариантах:

безнапорное впитывание;

безнапорное в комбинации с напорным (при наличии слоя воды);

напорное впитывание.

Первый может реализоваться непосредственно в течение всего времени прохождения облака дождя или как первая фаза процесса впитывания. Характерная черта – отсутствие на поверхности почвы даже небольших лужиц.

Второй – является переходным, а третий реализуется при существенном нарушении баланса между подаваемой и впитывающейся водой в сторону прихода.

В первой фазе впитывания, поскольку скорость водопоглощения уменьшается по времени по гиперболическому закону, она больше или, по крайней мере, равна интенсивности дождя. Протекает процесс до тех пор, пока на поверхности почвы не образуется пленка воды, а далее – лужицы в понижениях микрорельефа. Потом происходят перетекания поверхностных вод, смыкание луж и образование организованного поверхностного стока, что вызывает отрыв и перенос вместе с водой почвенных частиц.

Скорость, а вместе с тем и эрозионное воздействие таких перетеканий и потоков, определяются не только общими и локальными уклонами, но и микроперепадами на поверхности поля. Так приводятся данные [8], что, если на пути водного потока имеются микроперепады почвы высотой до 5 см, то локальные скорости возрастают до 1 м/с, а при 10 см уже до 1,5 м/с. При этом разрушаются даже наиболее плотные грунты. Причем, такой смыв может происходить и на задернованной почве между растениями.

В научной литературе имеется много информации по количественной оценке не только величины стока, но и выносе с полей почвенных частиц.

Так, на орошаемых дождеванием полях Тувы [9,10] твердый сток на уклонах от 0,01-0,012 составлял 5-15 т/га, а на уклонах 0,02 от 16 до 23 т/га. А полив «Фрегатами» участка с овощами ( = 0,04) уже на Украине [11] вызвал сток слоем 10,3-16,5 мм, а коэффициент стока составил 0,38-0,55. Отмечается увеличение средней интенсивности дождя по мере удаления от аппарата ДМ «Днепр» с 0,19 до 0,35 мм/мин, при этом оказывается, что мгновенная интенсивность в 16 раз больше средней. В результате в крупнокапельной зоне сток возникает уже при поливной норме 150-200 м3/га. На светло-каштановых почвах Волгоградской области при поливе «Фрегатом» сток за три полива составил 122-459 м3/га, а смыв почвы достигал 680 кг/га [12]. Причем указывается, что с увеличением инфильтрационной способности почв и уменьшением стока [13] увеличивается и прибыль за счёт повышения количества доступной для растений влаги.

При поливе многоопорными дождевальными машинами, особенно круговыми, эрозионные процессы могут инициироваться и наличием на поле колей, образованных колесами опорных тележек [14], причем потери орошаемой площади и урожая при их образовании могут достигать 6% [15]. Средняя глубина колеи при первом обороте «Фрегата» находится в пределах 14-15 см, ширина 35-40 см. На полях с уклонами в пониженных местах колеи углубляются до 40-50 см [16]. Заболачивание колей, как установлено [17], происходит благодаря попаданию в них стока, а не дождя.

В более широком смысле, чем описано выше, под эрозией в настоящее время понимается не только смыв почвы поверхностными потоками воды, но и разрушение почвенных агрегатов каплями дождя, что называют капельной эрозией. Она предшествует и способствует развитию основного эрозионного процесса. Так, при поливе ДМ «Фрегат» и «Волжанка» под воздействием капель разрушается структура и образуется почвенная корка толщиной 4-6 мм, снижающая водопроницаемость на 25%. Есть данные и о том, что образующиеся при дождевании мелкие почвенные частицы, закупоривают поры на глубину до 3 мм [18], причем, верхняя часть этого слоя толщиной 0,1 мм имеет особо плотное строение.

Следует иметь в виду, что жидкий сток, сформировавшийся в зоне дождевого облака, обладает повышенной эрозионной опасностью вследствие того, что падающие на воду капли дополнительно турбулезируют поток и усиливают его эрозионное воздействие.

Процесс каплеобразования при подаче оросительной воды с помощью дождевальных машин довольно глубоко был изучен А.И. Исаевым. В своей монографии [19] он дал глубокую теоретическую трактовку этого вопроса, что, однако, не делает излишним натурное определение параметров дождя, в частности, при испытаниях дождевальных машин. Размеры капель естественных и искусственных дождей колеблются в широких пределах: первых – от 0,1 до 7 мм, а вторых – от 0,4 до 4,0 мм. Ряд исследователей [20 - 22] отмечали отрицательное воздействие увеличения диаметра капель на верхний слой почвы, причем, до глубины 3-5 см, а сила воздействия капель диаметром 3-5 мм в 4-5 раз больше, чем капель диаметром 1 мм. Воздействие трехмиллиметровых капель не выдерживают, к примеру, листья люцерны.

Наличие поверхностных вод при дождевании чревато не только эрозионными процессами, происходит также – с одной стороны подъем УГВ, а с другой – неравномерное увлажнение активного слоя почвы. На каштановых средне- и легкосуглинистых почвах микропонижения – и повышения с перепадами 3-12 см вызвали колебания глубины увлажнения от 3 до 12 раз [23], а разница в запасах влаги при поливной норме 560 м3/га составила 300 м3/га.

Даже, если поверхностный сток составляет всего 5-10%, то в микропонижениях скапливается его до 50% и происходит подпитка грунтовых вод. Причем, предупреждение инфильтрационного просачивания не означает полного предотвращения подъема УГВ, поскольку, есть мнение [24], что основная подпитка происходит во время инфлюкции. При орошении ДДА-100МА объем грунтового питания достигает 15-170 мм/год, из которого 70-80% приходится на оросительную сеть, а при поливе «Фрегатом» источником подпитки является сток, собранный в микропонижениях. Общий объём стока достигал 30-40% поливной нормы.

Появление поверхностного стока и сопутствующего смыва уже давно поставил вопрос о допустимой его величине. При этом следует иметь в виду, что смыв рассматривается как эффект искусственного дождевания и естественных осадков. Ибо, если полив без стока можно организовать, то параметрами природных осадков мы управлять не можем. В любом случае охрана почв означает предотвращение их прогрессирующего разрушения и обеспечение неограниченно длительного использования. По ориентировочным данным [25] в естественных условиях требуется около 300 лет для образования слоя почвы толщиной 25 мм. При обработках происходит усиленное её перемешивание, аэрация и увлажнение, благодаря чему сроки почвообразования сокращаются до 30 лет.

Естественно, что допустимые потери почвы должны зависеть и от типа и от мощности почв. В США потери от 0,4 до 1,8 т/га в год обычны, а в Африке на песчаных почвах принята величина 1,5 т/га, а на тяжелых – 1,8 т/га. В нашей стране первые рекомендации (1970 г.) предлагали для дерновоподзолистых почв 0,87 мм/год, черноземов 0,28 мм/год, каштановых почв 0, мм/год, что в пересчете составляет 10,9; 3,5 и 4,4 т/га в год. Несколько позднее были установлены и другие пределы: дерновоподзолы – 1 т/га; чернозёмы – 6 т/га; каштановые – 2 т/га.

Вышеприведенные цифры сейчас можно считать завышенными. Применительно к американским нормам ясно, что они намного превышают естественные процессы почвообразования, а в Англии (1980 г.) уже рекомендуют 0,2-2,0 т/га, в ФРГ 4,5-11,2 т/га. Всё же с учетом темпа почвообразования эрозия не должна превышать 120 кг/год. Принимая во внимание и антропогенные факторы, М.Н. Заславский предлагает при проектировании ограничиться величинами 0,2-0,5 т/га, меньшие значения для малоплодородных почв, большие для наиболее плодородных.

Эрозия существенно зависит от особенностей выращивания сельскохозяйственных культур. Например, с двух опытных совершенно одинаковых смежных участков, занятых кукурузой, потери почвы отличались более чем в 15 раз, потому что на одном из них применялась неправильная технология [26]. Разница в эрозии наиболее заметна на полях с пропашными, но существенной она может быть на пастбищах и других сельхозугодиях. Понятно, что сплошной растительный покров, например трава, защищает почвы, тогда как наличие междурядий обеспечивают меньшую защиту. Вместе с тем такая тенденция может оказаться противоположной под воздействием агротехники.

С целью наглядной демонстрации влияния обработки почвы на эрозионный смыв в США, в рамках программы «Виржинский лавр» в 1985- гг. на 4-6 участках в июне-сентябре на фоне различных обработок с помощью специальной стационарной дождевальной установки в условиях практически адекватным реальным, моделировались эрозионные процессы со сбором жидкой и твердой фаз стока в присутствии окрестных фермеров [27]. Показы включали сравнение необработанных с обработанными делянками на кукурузе, сое, люцерне, пастбищах, в т.ч. на фоне полос с фильтрующей растительностью. Варианты с правильной обработкой в сравнении с общепринятыми имели уменьшение выноса твердого стока на 90-96%, питательных веществ на 51-70%, жидкого стока на 42-69%. Около 3000 фермеров были участниками демонстраций и наглядно представили себе важность мероприятий по предотвращению эрозии и уменьшению интенсивности деградации почв.

Работы по программе получили широкий общественный резонанс.

Необходимо отметить, что ирригационная эрозия почв распространена повсеместно и во многих районах Африки, Азии, Северной и Южной Америки на каждый гектар новых орошаемых земель приходится гектар выбывших из оборота площадей. Известный американский специалист в области орошения М. Дженсен в книге по проектированию и эксплуатации фермерских орошаемых хозяйств [28] уделяет большое внимание вопросам сохранения плодородия почв разных районов США, а одной из основных дисциплин при подготовке фермеров является экологоведение, в частности программа уменьшения эрозии сельскохозяйственных земель.

Таким образом, на основании проанализированных материалов, касающихся в основном качественных сторон эрозионных процессов, следует, что, по сути, система земледелия на эрозионно-опасных площадях должна быть, прежде всего, противоэрозионной, т.е. защита почв должна обеспечиваться всеми ее звеньями. Применительно к орошаемым площадям следует дополнительно выделять и чисто мелиоративные аспекты, касающиеся применения способов и технических средств полива.

Несомненно, что разработка и освоение противоэрозионных технологий эксплуатации орошаемых земель является одним из главных направлений рационального использования земли и воды и обеспечения охраны окружающей среды, поэтому одной из важнейших задач следует считать постоянный поиск мер и приемов, направленных на защиту почв от эрозии с наименьшими затратами материальных и трудовых ресурсов.

2. Мероприятия по борьбе с ирригационной эрозией почв При разработке противоэрозионных мероприятий учитывают интенсивность стока и смыва почв, изменение продуктивности эродированных земель. Их цель – создать условия, препятствующие формированию стока на полях, а если этого нельзя сделать, то необходимо его перехватить на заранее подготовленных элементах, с тем, чтобы вынос почвы не превышал допустимых уровней. В настоящее время для описания процесса эрозии и обоснования тех или иных противоэрозионных мероприятий все шире используется математическое моделирование. Для этого применяются различные методы, наиболее интересные из которых представлены в нижеприведённой таблице.

Сразу же необходимо отметить, что полностью теоретических моделей нет, все формулы имеют эмпирический или полуэмпирический характер и, следовательно, наиболее достоверны в рамках тех условий, где проводились исследования.

Анализ приведённых в таблице закономерностей помимо выявления формального плана достоинств и недостатков включал ещё и такой аспект, как целесообразность применения в тех или иных целях, принимая во внимание личный опыт выполнения расчётов и приложения полученных результатов.

Таблица 1. – Зависимости для расчётов эрозионных процессов Формулы и обозначения Источ- Характеристика 1. W=EKLJCP, где зионной опасE-фактор, характеризуюности, вызванщий эрозионный потенной естественциал дождя;

зующий стойкость почв;

L и J – факторы уклонов;

С – фактор, зависящий от с.-х. культуры и агротехники;

Р-фактор, зависящий от обработки почвы.

m-количество воды, впитавшееся за время t;

k-средняя за первую мивенный выход с параметрами донуту скорость безнапорна технологию ждя.

ного впитывания.

S-энергетическая харакхарактеризуютеристика дождя;

и d –интенсивность и крупность капель дождя;

В и g –параметры впина технологию тывания.

где h-нормы полива до на технологию 2. Узкий диапазон Продолжение таблицы 5. N=0,0083 (nivi)2, где:N-удельная мощность дождя, вт/м2;

ni-доля капель различного диаметра;

vi-скорость падения капель.

где: m- допустимая поонного процес- каждом расчётном ливная норма;

-коэффициент;

N1 и N2 – граничные знаНепосредстчения удельной мощновенный выход сти дождя ждём и время дождеважидкого стока, 2. Большое количестния;

k- скорость впитывания;

W-объём жидкого стока t-минимальное время стока;

A – коэффициент впитехнологию тывания.

где:F-сила удара капель на единицу площади, Продолжение таблицы 11. С=6,6-0,223Р+0,0748 Простота опре- Чисто эмпирическая Р2-0,287М+0,00366 М, где: Р – слой дождя, мм;

М – влагозапас активного слоя почвы, мм.

На основании анализа приведённой в таблице информации можно дать следующие рекомендации.

1. Первую зависимость целесообразно применять для выявления эрозионной опасности обширных агроландшафтов вследствие естественных осадков, в частности, и на начальных стадиях проектирования ООС.

2. Зависимость номер семь в её развитии весьма удобна для эрозионного районирования орошаемых территорий, причём с учётом способов и техники полива.

3. Для установления причин возникновения и развития эрозионных процессов на поливных землях можно пользоваться формулами 5 и 6. Особо в этом плане следует выделить зависимость 10, которая опять же в развитии, позволяет оценить как способствующие, так и противодействующие эрозии факторы, не располагая детальной информацией о водно-физических свойствах почв площадей, поскольку в первом приближении можно воспользоваться приведённой в источнике информацией.

4. Зависимости гиперболического вида удобны для получения кривых впитывания, подробно могут представить процесс образования стока, и целесообразны для дальнейших обобщений, поскольку наиболее адекватно отражают реальный физический процесс.

5. Связывающей параметры дождя и почвы является зависимость 3.

Это является весьма удобным при разработке противоэрозионных технологий полива и детального районирования орошаемых массивов по технологическим факторам.

В конечном итоге, обобщая выше представленные материалы, можно констатировать, что универсального математического аппарата, удобного для применения во всех случаях нет, да и создания такого, видимо, нецелесообразно. В зависимости от характера проблем, особенно если решать задачи прикладного характера, располагая информацией о характеристиках дождевальных машин, свойствах почвы, рельефе и особенностях сельскохозяйственной деятельности на интересующих исследователя территориях, можно пользоваться разными методами, выбирая наиболее подходящий.

Смысл прикладных эрозионоведческих теорий не столько в точности, сколько в выходе на те или иные противоэрозионные мероприятия. Как уже упоминалось, первым приближением к безэрозионному поливу следует считать ограничение по допустимой интенсивности дождя, например, для тяжёлых почв она устанавливается от 0,025 мм/мин до 0,09 мм/мин [42]. Такие параметры, работающие в движении дождевальные машины, обеспечить не могут, поэтому появились понятия допустимых, достоковых, эрозионнобезопасных и т. п. поливных норм, что получило отражение в последнем издании справочника по орошению [43], хотя задолго до его выхода о них уже упоминалось в нормативной документации [44]. На таком научном фоне разрабатывались способы борьбы с эрозионной опасностью стока, образующегося на поверхности почвы вследствие выпадения естественного или искусственного дождя в количествах больше допустимых, путём специальных обработок почвы.

Почвозащитная обработка почвы может свести к минимуму плоскостной смыв почвы. Так в штате Айова (США) [45] при применении обычной агротехники: дискование + вспашка + боронование + два междурядных рыхления; сток в среднем за 13 лет наблюдений составил 113 мм, а при почвоохранной технологии: полосное рыхление с мульчированием растительными осадками – всего 28 мм. Максимальные сток и смыв в первом случае были 663 мм и 56 т/га, а во втором, соответственно, 76 мм и 9 т/га.

Интересный способ получил распространение на юго-востоке США [46], при котором верхний горизонт почвы рыхлится всплошную, а в подпахотном – через промежутки нарезаются щели шириной 4-5 мм и глубиной до 35-37 мм. Такие щели не разрушаются движителями сельхозтехники и функционируют в течение ряда лет. По сравнению с чизелеванием расход топлива при такой обработке сокращается на 12-43 %, а дополнительный доход составляет 50 дол/га. Конечно, при этом вмещающая ёмкость щелей снижается, что, однако, можно компенсировать более частым их устройством.

Хорошие отзывы имеет и такой противоэрозионный приём, как вертикальное мульчирование, что представляет собой щели, заполненные мульчой: соломой, стерней и т.п. По исследованиям станции защиты почв от эрозии в Палоузе (штат Виржиния, США) [47] щелевание с мульчированием по сравнению с обычной технологией уменьшает жидкий сток со 115 мм до мм, а твёрдый – с 1,1 т/га до 0,04 т/га. Известна и технология Ставропольского НИИСХ с заполнением щелей прессованной соломой, что повышает инфильтрацию влаги до 40-45 мм/ч против 10 мм/ч при обычном щелевании.

В Белоруссии для задержания на склонах осадков при междурядных обработках картофеля к культиватору КРН-4,2Г навешивался бороздопрерыватель ППБ-0,6А для устройства лунок. При такой обработке смыв почвы снизился в 30 раз и не превышал 0,3 т/га [48]. Этот же приём в Московской области обеспечил эффект в 13 руб/га [49].

Большой объём исследований по влиянию щелевания на процесс формирования стока проведен в Поволжье. Так, в Волгоградской области [50] на его фоне отмечено значительное снижение стока при поливе ДДА-100 МА и полное его прекращение при орошении ДМ «Фрегат». В Саратовской области в таких же условиях норма бесстокового полива увеличилась до 700- м3/га с повышением урожайности люцерны на 33-35 ц/га [7]. Подчёркивается, что серийный щелерез ЩН-2-140 образует прищелевые валики высотой 0,15-0,17 м, создавая тем самым водоудерживающий микрорельеф. Однако если щелевание выполняют ножами от болотных плугов, укреплённых на раме глубокорыхлителя КПГ-250, то качество выполнения операции выше, чем при нарезке орудием ЩП-2-4. В Заволжье особенности бесстокового полива изучали применительно к ДМ «Фрегат». Рекомендовано один раз в год на слабоводопроницаемых почвах проводить щелевание многолетних трав и озимых культур на глубину 0,40-0,45 м.

Известен и комбинированный способ противоэрозионной обработки [52], включающий бороздование, культивацию и нарезку щелей поперёк склона, отличающийся тем, что стенки щелей уплотняют, а сами щели в верхней части расширяют. Предлагаются и щели с рифлёными стенками [53] и совмещение щелей с лунками между щелями. Помимо этого устраивают и широкие щели с засыпкой рыхлой почвой [54]. Для увеличения сроков службы щелевых элементов над щелью создают перекрытие из обрабатываемой почвы с образованием в ней углублений, в которые вводят оструктуривающий состав. На зиму щели можно закрывать плёнкой и устраивать их в комбинации с кротовинами, причём, последние нарезают выше дна щели на 6- см. Предложена и комбинация щели с валиком и заполнением её полости наполнителем.

Комплексные исследования противоэрозионных приёмов были проведены в Средней Азии [55], в т. ч. на посевах пропашных культур проводилось глубокое рыхление (на 25-28 см), кротование и щелевание через 90 и 180 см. Отмечается, что наилучшие результаты, полученные при обработках через 90 см как на кротовании, так и щелевании. Здесь необходимо отметить, что идентичность этих двух вариантов вполне понятна, ибо кротовина это та же щель со свободной полостью в нижней части, трудно объяснить низкую эффективность глубокого рыхления, которые имеют, как правило, хорошие отзывы, причём в разных регионах. Видимо принятая в исследованиях глубина рыхления (на уровне глубокой вспашки) не позволяет в условиях орошения реализоваться всем преимуществам этого способа.

Известно, что наиболее благоприятные условия для развития растений создаются при объёмной массе 1,0-1,3 г/см3 на средних и тяжёлых суглинках и до 1,4 г/см3 на супесях. При многократных обработках в почве часто образуется уплотненный слой – до 1,63 2/см3 и более, затрудняющий или делающий практически невозможным проникновение через него корней. В Северной Каролине [56] установлена величина дополнительных затрат на почвенное рыхление в размере 15 дол/га и рекомендуется выполнить его, если для фермера это не связано с покупкой более мощного трактора. Различают два вида уплотнений [57]: сплошные уплотнения, возникающие в результате воздействия плугом или колесом трактора, и уплотнения, вследствие процессов, происходящих в более глубоких слоях почвы. На богарных пахотных землях присутствуют оба вида, а применительно к орошаемым площадям, конечно же, следует дополнить их и уплотнением, вызванным воздействием искусственного дождя.

Об образовании на полях уплотнений подпахотной подошвы – своеобразного водонепроницаемого барьера, препятствующего вертикальной фильтрации влаги, свидетельствуют также другие литературные источники [58] и рекомендуют в этом случае чизельную обработку, которая разуплотняет подошву, способствует лучшему накоплению и сохранению влаги. Смыв почвы при этом оказывается в 4,5 раза меньше, чем при отвальной вспашке и в 3 раза меньше, чем при плоскорезной обработке.

Выше уже упоминались мероприятия, позволяющие собирать поливную воду на поверхности, тем самым, предотвращая развитие эрозионных процессов. Это, прежде всего, прерывистое бороздование и лункование [73], причём указывается, что лунки задерживают до 340 м3/га, а делать их целесообразно одновременно со вспашкой приспособлением к плугу УПЛ-1-140, а перемычки в бороздах устраивать одновременно с их нарезкой. Известны также линзообразные углубления комбинация ложбин с валиками и каналами, заполненными органическими наполнителями, бороздование поперёк склонов, при этом в борозды тоже вносится наполнитель, а поверхностный слой срезания вместе со стерней, формируется в ленту и укладывается в борозду с возвышением над поверхностью почвы.

Работы, проведённые ВНИИГиМ и другими институтами с рыхлителями серии РГ (из последних моделей заслуживает внимания своей универсальностью агрегат ЩРК-0,6]), выявили эффективность, причём, в ряде случаев очень высокую, глубокого рыхления (на 60 и более сантиметров) каштановых, чернозёмных и серозёмных почв. При этом обеспечивается увеличение фильтрации в 7-10 раз. Его рекомендуется применять при плотности в слое 0-60 см более 1,45 г/см3 для малогумусных и 1,3 г/см3 для высокогумусных почв с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут и менее. Отмечается [167, 104, 184], что почвоуглубление до 38-40 см и глубокое рыхление до 55-60 см обеспечивают помимо противоэрозионного эффекта получение дополнительной продукции в объёмах 1,4-5,2 центнеров кормовых единиц с гектара на фоне улучшения структуры и нормализации воздушного и водного режимов почвы.

В научной литературе описан и ещё один агроприём [59] – полосовое глубокое рыхление. Суть способа, как противоэрозионного мероприятия, в сборе стока с небольших водосборов и его аккумулировании, но не лунками, ложбинами или бороздами, а взрыхленными полосами почвогрунта. Эту технологию можно рассматривать как самостоятельный вид обработки или в качестве частного случая технологического процесса глубокого рыхления.

Опыты показали, что урожайность озимой пшеницы на фоне полосового рыхления повышается в сравнении с обычной вспашкой на 13 %, а кукурузы (з.м.) на 13-15 %. Причём, полосы шириной 2,8 м через 10-15 м, нарезанные весной на склонах 8-12о, снизили смыв почвы с 103,5-142,5 т/га до 23,2-42, т/га.

Полосовое рыхление изучалось и в Молдавии [60], где склоны 6-8о обрабатывались орудиями ВУМ-60 и ПУН-1,7. Ширина полос составляла 1,4м, расстояние между ними 10 м. После выпадения естественных осадков в количестве 46 мм на контроле содержание влаги в слое 0-100 см увеличилось на 21 мм, т.е. половину выпавшей влаги составил сток, а на полосах на 44 мм, а стоковые явления отсутствовали. Учёт урожая на протяжении десятка лет показал стабильные прибавки на 4-16 %.

Существуют и другие противоэрозионные приёмы обработки почвы, одни из них общеизвестны, например, специальные виды вспашки или мульчирование, другие – ложбины, гребни и т.п. на мелиорированных полях неприменимы, так как затрудняют водораспределение и перемещение дождевальных машин. Задержать внимание следует на эксплуатационной планировке, которая обычно способ борьбы с эрозией не рассматривает. Хотя давно известно, что поля, поливаемые дождеванием, имеют выраженный микрорельеф, вследствие чего наблюдается существенная до 50-150% пестрота урожайности и нуждаются в эксплуатационной планировке не менее чем площади поверхностного орошения. А с другой стороны, несомненно, что наличие хаотично расположенных неровностей способствует не столько задержанию стока, сколько его трансформации в локальные почворазмывающие течения.

Наиболее широко и детально процессы ирригационной эрозии и способы борьбы с ней были изучены Ю.П. Поляковым вначале в ЮжНИИГиМе, а затем в НИМИ (НГМА). В соответствии с его рекомендациями (МиВХ, 1977, № 1) противоэрозионная система мероприятий должна строиться с учетом конкретного способа орошения и быть комплексной прежде всего в том, что они должны быть спланированы для различных стадий состояния объекта:

проектирование, эксплуатация, реконструкция и отличаться многообразием.

Обобщая материалы данного раздела можно дать классификацию противоэрозионных мероприятий в следующей форме (см. табл.2).

Таблица 2 – Основная классификация противоэрозионных мероприятий 1. Ликвидация перетеканий по 1. Эксплуатационная планировэлементам микрорельефа ка 2. Повышение впитывающей 1. Чизелевание способности почвогрунтов 2. Глубокое рыхление 3. Перехват и аккумулирование 1. Лункование стока с небольших водосборов 2. Прерывистое бороздование и поверхностными элементами другие 4. То же, но почвоуглублёнными 1. Щелевание 5. Повышение эрозионной стой- 1. Мульчирование Все вышеприведённые агроприёмы имеют свои положительные стороны и недостатки и, конечно же, не могут использоваться механически или исходя из тех или иных субъективных факторов. Их применению должен предшествовать тщательный выбор, с тем, чтобы избежать бесполезных дополнительных затрат на обработку почвы и получить желаемый эффект при минимальных издержках.

Водные оросительные мелиорации применяют для обеспечения растений доступной им влагой, для чего воду необходимо перевести в состояние почвенной влаги, т.е. распределить тем или иным способом по площади и глубине. Решая эту задачу способом дождевания, ее нужно определенным образом к объекту подвести и раздробить на отдельные капли в определенном количестве. Это обеспечивается такими параметрами дождевальной техники как напор и расход, причем, последний вкупе со скоростью перемещения машины или временем дождевания дает возможность реализации различных поливных норм. Уже к концу восьмидесятых годов сложилось положение (и законсервировалось!) когда оптимальные поливные режимы разрабатывались и рекомендовались к применению без учета технологических возможностей дождевальных машин, а последние, в свою очередь, создавались без учета обеспечения качественного полива. Необходимость определяющей в отношении характеристик ДМ роли режимов орошения дождеванием становится очевидной, хотя они сейчас представляют собой не более чем трансформированные режимы орошения поверхностным способом.

Согласно существующей практике для разработки и районирования противоэрозионных мероприятий проводится картографирование орошаемых земель по возможности появления эрозионных процессов. По разным признакам, в частности, и по величине возможного смыва выделяются категории площадей с разной эрозионной опасностью. Однако применительно к дождеванию часто не учитывается такой важный фактор, как технология полива, без учета которой проектирование способов борьбы с эрозией может стать и бессмысленным. Под технологией полива понимаются, в общем-то, разные вещи: одними – поливной режим; другими – способы его реализации, третьими – одно и другое вместе, включая технические средства, агротехнические мероприятия и т.п. Целесообразно, на наш взгляд, под технологией полива понимать способ выдачи тех или иных входящих в режим норм, что окажется полезным при разработке новых технологий дождевания.

В последнее время в связи с ужесточением требований к охране окружающей природной среды появился термин – экологизация мелиоративных систем [61], под которой понимается создание и поддержание необходимых природно-мелиоративных процессов на объекте, обеспечивающих биологический круговорот воды и минеральных веществ с целью увеличения продуктивности мелиорированных земель при обеспечении устойчивости агроландшафтов. Применительно к предмету исследований экологизация распространяется и на технику и технологию полива, включая водооборот и качество воды, соответствие интенсивности водоподачи водопотреблению, подачу воды в биологически важные фазы развития растений, равномерное ее распределение по глубине корнеобитаемого слоя, исключение эрозии, вторичного засоления и снижение плодородия почв.

Распределение искусственного дождя по площади проекции облака на поверхность поля имеет весьма сложный характер. Сказываются и неравномерность содержания жидкой фазы в разных частях облака в пределах захвата машины и по длине струй дождевальных аппаратов, их вращение и перекрытие, колебания расхода и напора и их изменение по длине водопроводящего пояса, влияние метеофакторов, принцип перемещения ДМ и т.п. Предлагается [62] для установления нормы полива учитывать динамическое воздействие капель дождя на почву, фактическую интенсивность дождя в любом месте орошаемой площади, технологические особенности работы машин. Такой подход позволяет выявить наиболее опасные в отношении эрозии участки. Например, для ДМ «Кубань-ЛК» интенсивность дождя в начале трубопровода составляет 0,4 мм/мин, а ближе к концу – 1,25 мм/мин, где и будут самые низкие достоковые поливные нормы.

Существующие конструкции дождевальных машин не позволяют изменять характеристики дождя в зависимости от впитывающей способности почвогрунтов без изменения конструкции дождевого пояса. В процессе работы регулировать можно только величину поливных норм. С тем, чтобы уйти от слишком малых поливных норм на проход или оборот, по аналогии с допустимым смывом почвы допускается и некоторая величина стока в объемах от 10 до 25% от объема подаваемой воды или до 25% от достоковой нормы.

Такие подходы, несмотря на теоретическую их привлекательность, на практическую деятельность оказывают незначительное влияние, внося лишь путаницу в терминологию и, вызывая дискуссии о величине допуска, ибо если достоковые нормы малы, то 10-20 процентов их увеличения никак на технологию полива в положительную сторону не отразятся, а если средние или высокие, то можно обойтись и без добавок.

Наиболее распространенным техническим средством, поливающим способом дождевания сейчас являются круговые дождевальные машины, так в США они поливают около половины орошаемых площадей, примерно в 4, раза больше чем фронтальные. У нас они представлены двумя типами – «Фрегаты», поставки которых начались в 1971 году и за двадцать лет их выпущено более 35 тыс. штук, и «Кубани ЛК». На базовой модификации дождевальной машины «Фрегат» получена средняя интенсивность дождя 0,23мм/мин при колебаниях на отдельных участках от 0,18 мм/мин до 0, мм/мин. Средние диаметры капель концевых участков струй 8-16 тележек находились в пределах 1,5-5,1 мм. По данным испытаний Южно-Украинской МИС Кэф. установлен в пределах 0,74-0,85. По данным ВолжНИИГиМ с удалением от центра круга с пятой до двенадцатой тележки интенсивность изменяется от 0,29 до 0,72 мм/мин, а по оси дождевального аппарата увеличивается до 1,7 мм/мин. У «Кубани-ЛК» эффективность полива несколько выше 0,802-0,805, выше и интенсивность дождя – 0,98 мм/ми, зато меньше диаметр капель – 1-1,2 мм (при оснащении короткоструйными дождевальными насадками).

Сельскохозяйственные растения страдают и от недостаточного количества выпадающих осадков, и от того, что значительная их часть тратится на непроизводительное испарение, поэтому, обеспечивая бесстоковый полив, можно считать, что тем самым более эффективно используются водные ресурсы. Требуемая поливная норма может быть выдана за несколько проходов (оборотов) машины. Это позволяет экономить оросительную воду, делает орошение экологически безопасным и поддерживает оптимальную влажность почвы.

При поливе почв, имеющих низкий коэффициент фильтрации, с использованием дождевальных машин кругового действия возникают проблемы, анализ которых был проведен в университете штата Оклахома [63]. При медленном поглощении воды почвой на поверхности образуется слой очень влажного грунта, что может привести к буксованию колес машины. Чтобы избежать этого, необходимо увеличить скорость движения, используя специально подготовленные колеи. Однако считают, при этом уменьшается количество накопленной в почве воды и одновременно увеличивается испарение.

Здесь же в рекомендациях по поливу слабоводопроницаемых почв круговыми ДМ утверждается, что заболачивание колей происходит не за счет попадания в них дождевой или технологической воды, а в результате наличия поверхностного стока. В связи с этим предлагается устройство засеваемых грядок, идущих параллельно колеям, либо устройство в колеях перемычек. Очень полезным считается применение влагозарядковых поливов, позволяющих накопить влагу заранее и снизить потребное количество воды, поступающей в почву при одном обороте дождевальной машины в вегетационный период или, другими словами, увеличить скорость её движения. Для повышения скорости впитывания на глинистых почвах рекомендуется доводить поверхностный слой до состояния растрескивания, чем предполагается повысить скорость впитывания. И следом указывается – если при поливе пошел дождь, то не следует спешить с отключением дождевальной машины.

Это следует лишь в том случае, если измерения покажут, что осадки по своей величине относятся к эффективным.

Согласно существующим воззрениям применительно к режимам орошения расход дождевальной машины зависит от обслуживаемой площади и в среднем на 1 га необходимо подавать 1 л/с [64]. А для расчета расхода каждого дождевального аппарата предлагаются специальные зависимости [65], составленные с учетом требований к экологической безопасности полива.

Отмечается, что такая расстановка и регулировка аппаратов привела на ДМ «Фрегат» с расходом 20 л/с к уменьшению среднекубического диаметра капель с 3,8 мм до 1,5-2,0 мм, а достоковые поливные нормы увеличила на м3/га.

Существуют и так называемые методы автокорректировки, с помощью которых для фронтальных ДМ можно подобрать насадки и арматуру (открылки, штанги и т.п.) для обеспечения равномерного по длине водопроводящего трубопровода распределения воды, а также получения удовлетворяющего агротехническим требованиям слоя осадков и интенсивности дождя, соответствующей впитывающей способности почвы, и подбора в рамках возможного желаемой его структуры.

Большое влияние на качество дождя оказывают уклоны орошаемого участка. До недавнего времени возможность работы на больших уклонах считалась одним из достоинств машины (у «Фрегата» – до 0,05). Такое мнение не всегда оправдано. Например, в США по информации конца семидесятых годов [66], наиболее распространенными были круговые ДМ длиной м, которые могли работать при наличии гибких вставок и на больших уклонах, но не устанавливались там по соображениям эрозии. Сложный рельеф искажает гидравлические характеристики машин и в этих случаях необходимы регуляторы, в частности, мембранного типа. Впрочем, для фронтальных ДМ на уклонах 0,005-0,007 отклонения расходов крыльев не превышают процентов. Возникают проблемы и при поливе просадочных площадей, вследствие возникновения суффиозных блюдец, трещин и уступов даже на исходно ровной поверхности. Такие искажения рельефа влияют с одной стороны на параметры машин, а с другой – на развитие эрозионных процессов.

Как уже отмечалось, расход и напор ДМ в итоге трансформируются в дождь определённой интенсивности и структуры, который комплексно можно характеризовать энергетической характеристикой дождя – ЭХД [67]. Для приблизительной ориентировки предлагаются в гумидной зоне минимально допустимые поливные нормы 150-300 м3/га, а максимальная ЭХД 0,7-1,27; в субаридной зоне, соответственно, 300-400 м3/га и 0,8-1,5; аридной – 400- м3/га и 0.8-1,5. Рассматривая такую ранжировку, думается, с учетом уже изложенного ясно – определяющим в этих случаях должны быть все же свойства почв, а не зональные особенности, причем, в таком большом масштабе.

Структура и интенсивность дождя являются наиболее сложными параметрами при конструировании ДМ, как в отношении выбора, так и реализации. Если говорить о ДМ «Кубань» и «Фрегат», то уменьшение интенсивности в сравнении со штатными значениями возможно в первом случае применением дефлекторных насадок на открылках, обеспечивающих рассредоточение дождя, а во втором – оснащением ДМ комбинацией среднеструйных аппаратов и секторных насадок, которые могут включаться порознь. В обоих вариантах следствием, помимо положительных сторон, является усложнение конструкции и эксплуатации машин.

Выше уже говорилось о том, что поскольку возможности управления основными параметрами искусственного дождя весьма ограничены, применяется такой технологический прием, как дробное внесение больших поливных норм, к положительным сторонам которого можно помимо противоэрозионной эффективности отнести и повышение равномерности увлажнения.

Для фронтальных ДМ «Кубань» рекомендуется схема, в соответствии с которой первый проход делается увеличивающейся от начала к концу нормой для создания буферного запаса влаги. При отработке трех схем полива [68]: выдача нормы 500 м3/га за 1 проход; за 2 прохода, причем, в первом «ступенькой» по 300 и 200 м3/га, а во втором наоборот; за 2 прохода «ступенькой» – в первом 350, 250 и150 м3/га – при использовании первой схемы отдельные участки поля пересыхают до НВ 42-45%, а при второй и третьей не более чем до 65-75% НВ. При ступенчатом поливе прибавки урожая зеленой массы кукурузы составили 4,3-4,5 т/га. Аналогичная информация приводится и в другом источнике [69], где отмечен прирост урожайности зелёной массы люцерны с 37,5 до 44,5 т/га. Интересно, что при дробном поливе повышается и производительность дождевальной машины.

Хорошо соотносятся с противоэрозионными подходами и существующие воззрения относительно рационализации поливных режимов и сокращения величины оросительных норм [70]. Предлагается, в частности, верхние пределы влагозапасов установить равными 0,8 НВ в степной зоне с чернозёмами; 0,85 НВ для сухостепной зоны с каштановыми почвами; 0,9-0,95 НВ в пустынной зоне с чернозёмами; 1,0 НВ – только для гумидных зон. Соответственно, проектные поливные нормы уменьшаются до 150-400 м3/га.

При поливе со стоком, когда энергетические характеристики дождя или технология полива не соответствуют впитывающей способности почв бесполезно добиваться высоких значений параметров, характеризующих равномерность распределения дождя, так как произвольные поверхностные перетекания обеспечат непрограммируемое увлажнение почвы независимо от значений коэффициента эффективного полива. Однако, если бесстоковый полив обеспечен, то Кэф весьма существенно влияет на эффективность дождевания. Так ещё старый ОСТ 702.19-73 на испытания дождевальных машин устанавливал прирост урожайности в зависимости от Кэф, причём она ощутимо снижается при Кэф < 0,7.

По данным Приволжской и Южно-Украинской МИС стоимость прибавки урожая при использовании ДМ «Кубань», которая отличается высокими значениями Кэф, установленная на основе нормативов определения влияния равномерности распределения дождя на урожай, оценена в 28-41 руб/га [71], или в 3-5% [95]. Тем не менее, есть мнение [72], что если принять за 100% урожай при Кэф = 0,7, то повышение его на 0,1 даст 1,5% увеличения урожая, т.е. при Кэф = 1,0 урожайность увеличится всего на 4,5%, что, как считают авторы, не оправдывает технологическое усложнение конструкции дождевальной машины.

Помимо поперечной (к направлению перемещения) равномерности распределения дождя существует еще и продольная равномерность выпадения влаги. Обе вместе характеризуют равномерность увлажнения поля. Разумеется, продольная равномерность зависит от конструкции и технологических параметров машин, свойств почвы, рельефа, поливного режима и технологии полива, организации эксплуатации и т.п. Предпринимались попытки теоретического определения производительности ДМ при условии максимально большой площади, поливаемой эффективно [73], однако результаты приведены только для стационарной установки УДС-25. Для машин фронтального и кругового действия информации подобного рода не обнаружено.

Таким образом, обобщая вышеприведенные материалы, можно отметить хорошо просматриваемую взаимосвязь конструктивных особенностей и параметров дождевальных машин, стремление к повышению качества дождя, в частности и к уменьшению его эрозионного воздействия на почву. Известна и технология дробного внесения поливных норм, причем, применительно к фронтальным ДМ по сложным схемам. Однако имеется определенное отставание технологической части от технической и нет явной взаимосвязи одного и другого, хотя по отдельности объёмы исследований и в области процесса дождевания и в области дождевальной техники весьма обширны.

4. Снижение энергоёмкости полива дождеванием Многоопорные дождевальные машины запатентованы в США в году. Наиболее часто используются круговые данные длиной 400 м на площади 83 га или даже 700 га. К недостаткам таких машин относятся сравнительно большие потери давления в них и большая интенсивность под последними пролетами, что может вызывать лужеобразование и сток. В настоящее время в России наиболее распространённой из многоопорных дождевальных машин оказалась ДМ «Фрегат», которая показала исключительную долговечность, но, тем не менее, по своим характеристикам уже не вписывается в современную экономику, поскольку требует для работы давления на входе 0,6-0,7 МПа, а соответственно, на насосной станции 0,10-0,12 МПа.

Столь высокий уровень уже более десятилетия инициирует работы по снижению потребных напоров по вполне понятным соображениям, так как выгоды очевидны, ибо снижение давления с 0,7 МПа до 0,45 МПа на 16% уменьшает напор на станции и на 13% годовой расход электроэнергии. Хотя и отмечается [74], что переход на низкие напоры и ухудшает распределение воды, тем не менее, с его снижением на 0,15 МПа и норме 900 м3/га средняя стоимость электроэнергии на полив одного гектара снижается с 39 долл. до 32,8 долл.

Исследованиями ВолжНИИГиМ установлено, что для условий Заволжья наиболее применимы ДМ типа «Фрегат» и «Волжанка». В институте разработано несколько направлений снижения рабочего напора в сети на 25Перевод высоконапорных ДМ «Фрегат» на работу при пониженных давлениях позволяет экономить до 20-30% электроэнергии и даёт экономический эффект до 12-14 тыс. руб. на одну машину. Число одновременно работающих машин можно увеличить в 1,5-2,0 раза. Указывается [75], что энергоёмкость полива у низконапорной модификации дождевальной машины «Фрегат» снижается до 1098 квт.ч/га. Установлено также – помимо снижения энергозатрат у низконапорных ДМ уменьшаются потери воды [76], однако ухудшаются эксплуатационные характеристики и показатели, характеризующие качество полива, такие как его интенсивность и равномерность промачивания почв.

Для современных дождевальных машин характерна большая пестрота энергетических показателей. Например, «Кубань-Л» с захватом 800 м имеет рабочий напор 0,31 МПа, а небольшие «Фермер Кубань-ЛК1» и подобные ДМ – 0,2 МПа, что согласуется с требованиями энергосбережения, зато для «Мини Кубань-ФШ» нужно уже 0,35 МПа при захвате 184 м. Такова цена шланга. Модификации же «Фрегата» даже при небольших расходах 5,5-7, л/с требуют давления 0,4 МПа, тогда как на таких напорах могут работать и полноразмерные машины после соответствующего переоборудования.

Многоопорные дождевальные машины представляют собой самоходные технические средства, включающие в себя трубопровод и опорноходовые тележки, с помощью которых они и перемещаются в пределах орошаемого участка по кругу или фронтально, распределяя дождь по обслуживаемой площади. Перемещение происходит с малыми скоростями качения движителей (у широко применяемых отечественных ДМ в качестве последних известны только колеса). Кроме этого, в отличие от другой сельскохозяйственной техники, дождевальные машины находятся в более сложных условиях эксплуатации, так как передвигаются по увлажненной почве, многократно по одному и тому же следу на фоне разнообразной экспозиции и величины уклонов. В силу этого задачи совершенствования средств передвижения ДМ имеют повышенную сложность.

«Фрегаты» оснащены гидроприводом опорных тележек и в штатном варианте, у базовой модификации ведущей является последняя – 16 тележка, а давление в конце трубопровода, откуда и запитывается последний гидроцилиндр, согласно ТУ должно быть не менее 0,45 МПа, чем обеспечивается необходимая мощность привода и крутящий момент на колесе. Ясно, что снижение напора на входе не в благоприятную сторону скажется на ходовых качествах машины, поэтому к решению проблемы обеспечения надежного движения ДМ подходили с разных сторон.

Для уменьшения сопротивления качению самоходные тележки «Фрегатов» оборудовались новыми колесами с пневматическими шинами низкого давления, а для того, чтобы сохранить усилие на толкателях колес, укорачивалось плечо силового рычага с 290 см до 220 см. По результатам госиспытаний (1980, 1987гг) пневмошины были рекомендованы для применения в производстве. На пневмоход были поставлены и ДМ «Кубань», «Бригантина» и др. Однако в связи с высокой стоимостью для модернизации действующих «Фрегатов» такой подход в нынешних условиях больших перспектив не имеет.

Рассматривая вариант изменения конструкции привода, связанный с уменьшением плеча рычага, следует принимать во внимание, что при этом уменьшается ход толкателя, а это требует увеличения количества почвозацепов с 21 до 28 шт, а угол поворота колеса за один цикл работы привода уменьшается с 17,14о до 12,85о или на 4,29о, т.е. на 25%. Сообразно с этим снизится скорость движения машины, увеличится минимальная поливная норма и в целом изменятся все технологические характеристики ДМ. Следует отметить, что по версии ВолжНИИГиМ [154, 143] количество почвозацепов увеличивается до 32 шт., а угол поворота уменьшается до 11,25о, т.е. ещё больше.

Существует и еще один вариант совершенствования гидропривода.

Первоначально он появился в УкрНИИГиМ, а впоследствии конструкторская документация на него была разработана СКБ «Дождь». Сохранение усилия на штоке гидроцилиндра при снижении давления достигнуто путём увеличения диаметра цилиндра с 122,8 мм до 154 мм. При этом уменьшается цикличность работы цилиндра и, как следствие, скорость вращения. При полностью открытом кране-задатчике время оборота возрастает до 96 часов и на 25% сбросы в зону следов колёс.

Для увеличения скорости движения низконапорной ДМ и уменьшения реализуемых поливных норм была предложена конструкция опорной тележки с увеличенным диаметром колес. При этом количество зацепов и центральная часть колеса не меняются, а концентрично приваривается дополнительный обод диаметром 1450 мм, который компенсирует увеличение времени заполнения уширенного цилиндра, вследствие чего скорость повышается в 1,32 раза, а минимальная поливная норма для ДМ с расходом 72 л/с составила 220 м3/га [77].

Предпринимались попытки отделения гидропривода самоходных опорных тележек от водопроводящего трубопровода. Для этого вдоль него протягивался дополнительный полиэтиленовый диаметром 63 мм. Он связывался с основным в начале и конце машины. Гидроцилиндры отсоединялись от основного трубопровода и подключались к дополнительному. Этим предполагалось улучшить энергоснабжение последних наиболее нагруженных тележек и повысить проходимость машины.

Как развитие этой идеи СтавНИИГиМ был предложен дополнительный закольцованный трубопровод, состоящий из двух ветвей – транспортирующей и питающей. Соединительная арматура в начале машины связывала одну и другую через фильтры с основным трубопроводом, а в конце между собой. При этом вторая ветвь запитывалась в районе первой тележки, а первая – второй. Для удаления воздуха и слива воды из дополнительного трубопровода он оснащался штатными сливными клапанами в каждом пролете.

Такая конструкция, по мнению разработчиков, позволяет передать гидроприводу каждой тележки давление близкое к давлению в начале «Фрегата»

и без замены гидроцилиндров обеспечить надежное движение машины при пониженных рабочих напорах. Максимальная скорость движения последней тележки при этом варианте модернизации составила 0,73 м/мин, что в 1, раза больше, чем у «Фрегата» с уширенными гидроцилиндрами, а минимальная поливная норма составила 220 м3/га и время полного оборота 60 часов [191], причем, если увеличить диаметр дополнительного трубопровода с мм до 52 мм, то время оборота уменьшится еще на 8 часов и скоростная характеристика модернизированной машины вплотную приблизится к характеристике штатной.

Таким образом, резюмируя вышеизложенное, можно сделать заключение, что к настоящему времени известно несколько вариантов модернизации ходовой части машины «Фрегат», из которых, учитывая экономическую ситуацию и степень отработанности, внимания заслуживают следующие.

1. Изменение параметров кинематической схемы привода и уменьшение плеча силового рычага.

2. Отделение питания гидроцилиндров от основного трубопровода и закольцовка дополнительной трубой.

3. Применение уширенных гидроцилиндров.

Первый вариант представляется наиболее простым и дешевым, однако применялся он пока ограниченно, в основном самими разработчиками, показал себя недостаточно работоспособным и требует дополнительной отработки. При втором не столько увеличивается «мокрый» вес машины (около 2 т), как усложняется ее переоборудование, техническое обслуживание и эксплуатация; необходима организация производства полимерных изделий, хотя преимущества здесь налицо, включая после некоторых изменений конструкции водоподводящего узла и возможность перемещения ДМ без полива.

В практике наибольшее распространение получил третий вариант, думается, благодаря двум факторам: простоте переоборудования машин и налаженному производству уширенных гидроцилиндров. Они выпускаются на Украине несколькими предприятиями, а в России Казанской фирмой «Фрегат». Стоимость модернизации ходовой части базовой ДМ составляет сейчас примерно 10 процентов стоимости нового «Фрегата», причем, можно заменять не все гидроцилиндры, а лишь половину, начиная с периферии, разумеется, на участках с плотными почвами и небольшими уклонами.

Система водораспределения и дождеобразования штатной ДМ «Фрегат» проектировалась применительно к другим экономическим условиям и высоким напорам. Сейчас с одной стороны машины буквально разрушаются «заготовителями лома цветных металлов», а с другой – среднеструйные дождевальные аппараты при пониженных давлениях работают плохо.

Для снижения энергоемкости и обеспечения приемлемого качества полива потребовалось изменение конструкции дождеобразующих устройств и схем их расстановки по длине водопроводящего трубопровода. Для низконапорной ДМ «Фрегат» применяются различные дождевальные аппараты и способы их регулирования. Отмечена высокая эффективность и в отношении качества полива и в экономических аспектах комбинированной схемы расстановки дождевателей. Суть идеи состоит в том, что в начале и конце ДМ на 1/6 – 1/8 длины трубопровода располагают аппараты второй серии, а в середине, учащенно через 2,5 м, короткоструйные насадки секторного действия (типа ДМ «Кубань»). Такая схема в составе машины прошла госиспытания на двух низконапорных модификациях ДМ «Фрегат» (на пневмоходу и с уширенными гидроцилиндрами) и ДМ «Кубань-ЛК» на Южно-Украинской МИС в 1987 году. При другой регулировке этот вариант рекомендуется к применению и на высоконапорных «Фрегатах».

Помимо вышеописанной предлагаются и другие версии расстановки ДА, имея в виду и обеспечение бесстокового полива:

1) для уклонов до 0,05 и почв высокой водопроницаемости рекомендуется схема с разреженной установкой аппаратов первой, второй и третьей серий;

2) для уклонов до 0,05 и почв низкой водопроницаемости предлагается схема с расстановкой ДА только первой и второй серий, причем, последние в концевой части машины устанавливаются учащенно – через 2,5 м;

3) для уклонов до 0,07 и всех типов почв рекомендуются укороченные машины с аппаратами, как и в предыдущем случае, только без концевого.

Все вышеописанные решения, несмотря на хорошие отзывы, имеют в качестве недостатков и наличие ДА, изготовленных из цветного металла, и необходимость дополнительной перфорации трубопровода, что в заводских условиях затруднений не вызывает, а в полевых – при модернизации работающих машин затруднительно.

Еще один вариант комбинированного способа расстановки среднеструйных дождевальных аппаратов был апробирован на ДМ «Кубань-ЛК», причем, исследования проводились применительно к двум схемам: первая – серийная с интервалами между ДА третьей серии 7,5 – 10 м в концевой части и вторая – с интервалами между ДА второй серии в 2,5 м [78]. Такой приём при работе на уклонах в сравнении с серийной схемой позволил более чем в 2,5 раза снизить колебания расхода воды. В качестве негативного эффекта отмечено увеличение крупности капель к концу трубопровода и увеличение интенсивности дождя до 30%, поскольку ширина дождевого облака становится меньше, так как дальность вылета струи снижается.

Ввиду сложности комбинированной схемы разрабатывались и другие варианты, в частности, схема размещения на водопроводящем трубопроводе низконапорной ДМ короткоструйных насадок секторного действия через 2,7 м. Такой прием позволяет комплектовать машину однотипными насадками с разным проходным сечением, причем, изготавливаются они из полиэтилена. Сектор разбрызгивания рекомендуется направлять по ходу движения ДМ, чем улучшаются условия труда операторов, потому что техобслуживание и необходимый ремонт можно производить, не заходя в зону дождя.

Поскольку штатные штуцера «Фрегатов» располагаются через 9,8 м, то они заглушиваются, а в трубопроводе сверлятся дополнительные отверстия и привариваются новые штуцера. Впоследствии с использованием специальных переходников на местах установки серийных аппаратов количество добавочных отверстий сократилось на 50 шт.

Это направление оказалось весьма популярным. Так в Казахстане насадки располагались через 3 метра друг от друга. Для базовой машины их количество составило 143 шт. диаметром от 2 до 6 мм. По мнению разработчиков, переход на короткоструйные дождеватели позволил повысить равномерность увлажнения почвы за счет улучшения структуры и качества дождя.

С целью предотвращения ирригационной эрозии почв и дальнейшего совершенствования дождевальной техники в плане приближения характеристик искусственного дождя к естественному средней силы, была произведена замена среднеструйных ДА на короткоструйные секторные в количестве шт. Проведенные исследования показали, что средний диаметр капель после замены уменьшился в 3 – 4 раза, повысилась равномерность распределения дождя.

В работе [79] приведены конструкции и результаты исследований трех типов аппаратов: стандартная дефлекторная насадка с углом конусности 120о, ударно-струйная двухдефлекторная с одним плоским дефлектором; то же, но с двумя конусными дефлекторами с отверстием в одном 3,5 мм. Наибольший радиус полива оказался у третьего варианта – от двух до четырех метров, наибольшая площадь захвата дождем у второго варианта. Средняя интенсивность дождя у двух последних аппаратов уменьшилась в сравнении с первым в 1,85-2,20 раза.

Все приведенные выше модернизации отличаются друг от друга конструкциями и материалами изготовления дождевальных насадок, их количеством, схемами расстановки. Основной недостаток этих вариантов – необходимость слесарно-сварочных работ в полевых условиях на высоте, к тому же в зонах сварки выгорает цинковое покрытие, чем снижается срок службы труб.

В области совершенствования дождевальных аппаратов следует отметить работы ВолжНИИГиМ. Для качественного разбрызгивания оросительной воды с одновременным уменьшением энергетического воздействия капель дождя на почву и растения была предложена комбинированная схема с применением среднеструйных ДА № 2 и короткоструйных секторного действия. Результаты этот вариант показал хорошие, но, как и все комбинированные схемы требует разных конструкций и типоразмеров аппаратов и насадок.

Большой интерес представляют средства дождеобразования разработки этого института, выполненные из капрона. Это среднеструйные вращающиеся дождевальные аппараты; насадки с ложкообразным дефлектором, обеспечивающие угол полива около 170о-180о; насадки с дефлектором, выполненным в виде полуконуса и рассеченного полуцилиндра. Одно- и двухсопловые ДА модернизированы путем уменьшения угла вылета струи до 10о-15о и введения в струю прерывистого рассекателя. К достоинствам предлагаемых схем следует отнести отсутствие дополнительных отверстий на водопроводящем трубопроводе. Монтаж новых ДА производится в штуцера штатной машины. К тому исключается необходимость применения цветных металлов, улучшаются экологические параметры полива, и снижается стоимость дождевого пояса.

На основании комплекса научно-исследовательских работ и анализа накопленного опыта были сформулированы основные требования к дождевальным аппаратам нового поколения:

1) простота и высокая унификация, при которых обеспечивается низкая стоимость и наименьшие эксплуатационные затраты;

2) стабильность эксплуатационных показателей ДА при круглогодичном их нахождении на ДМ в течение всего срока службы, в результате чего отпадает необходимость в их ежегодном монтаже, демонтаже и хранении;

3) высокая надежность и долговечность, позволяющие свести к минимуму (или даже к нулю) затраты на профилактическое обслуживание и ремонт дождевого пояса;

4) отсутствие трущихся или вращающихся деталей;

5) защищенность конструкции от механических повреждений при транспортировке, падениях и ударах;

6) универсальность применения;

7) минимизация количества типоразмеров;

8) изготовление из полимерных материалов, что улучшает их качество и увеличивает срок службы.

К этому остается лишь добавить такие требования, как стабильность гидравлических характеристик и хорошее качество дождя; минимальное количество деталей; простота регулировок и возможность ввинчивания в штуцер и вывинчивания из него без среза резьбы.

Таким требованиям в значительной степени отвечают дождевальные аппараты конструкции СтавНИИГиМ, первым из которых был аппарат строенной конструкции. Он состоял из корпуса, переходника с дюзой и короткоструйных насадок. На одном корпусе устанавливались три насадки под углом 1200 друг к другу. Все детали изготавливались из полиэтилена. Радиус захвата такого аппарата составлял 7-10 м, что позволило использовать имеющиеся на «Фрегате» штуцера без дополнительной перфорации. Диаметр дюз изменялся от 5 до 9 мм, а диаметр насадок от 3 до 8 мм, расход машины составлял 68-72 л/с.

К достоинствам этого аппарата можно отнести мелкодисперсную структуру дождя, возможность качественного полива при низких давлениях, наибольшие эксплуатационные затраты и разумеется, возможность монтажа в штуцера штатной машины, что делает его весьма привлекательным для модернизации дождевальных машин. К недостаткам следует отнести разнообразие насадок и дюз и невозможность взаимозамены ДА по длине трубопровода. Такими устройствами было оснащено более сотни дождевальных машин в Ставропольском крае и Ростовской области. Некоторые из них работают уже более десяти лет без замечаний со стороны производственников.

Однако с середины девяностых годов выпуск этой конструкции был прекращен в связи с появлением нового варианта – аппарата с кольцевым зазором и конусным дефлектором. Оригинальность технического решения состоит в том, что благодаря подвижному конусному дефлектору появляется возможность регулирования кольцевого зазора и тем самым площади выходного сечения и расхода. Этим устраняется многотипность и многоразмерность образующих дождь устройств и обеспечивается предельная унифицированность – один аппарат для всей машины, а необходимая настройка осуществляется очень просто – согласно специальным схемам. При полностью закрытом зазоре появляется возможность перемещения «Фрегата» без полива.

В заключение раздела следует остановиться и ещё на одной проблеме, связанной с переводом «Фрегатов» на пониженный напор. Она касается работы машины в составе оросительной системы. Дело в том, что энергетическое оборудование насосной станции остается прежним, т.е. расходы и напоры и мощность насосно-двигательных агрегатов не меняются. Их замена возможна только при реконструкции ОС. А суммарные затраты электроэнергии определяются на НС и в общем-то не зависят от того, какие к ней подключены машины. В практике уже отработаны несколько вариантов привязки модернизированных машин к штатной насосной станции.

1. При сильном износе насосно-энергетических агрегатов, когда не обеспечиваются расчетные характеристики, перевод ДМ на низкий напор позволит полностью либо частично восстановить работоспособность системы.

2. В «хвостах» протяженных распределительных сетей, как правило, находятся машины не обеспеченные необходимым давлением. Модернизация таких ДМ обеспечит их надежное функционирование.

3. При возможности отключения хотя бы одного насоса, характеристики станции могут быть вполне «низконапорными» и одновременный полив можно организовать по-новому организованными группами машин.

4. Одновременный полив, если позволяют условия, можно производить и большим количеством машин, например, четырьмя вместо трех.

5. Появляется возможность подключения дополнительных в сравнении с запроектированным количеством машин.

Из всех вышеперечисленных способов только третий даст непосредственное снижение энергозатрат, в остальных случаях уменьшения энергопотребления при прочих равных условиях от перевода ДМ на низкий напор не будет, однако в этих случаях повышается работоспособность системы, надежность ее функционирования и т.п., а эффект реализуется в виде экономии эксплуатационных издержек, например, за счет сокращения объема ремонтных работ на трубопроводной сети и получения дополнительной сельхозпродукции.

В целом изложенные материалы свидетельствуют, что наиболее опасным экологическим последствием искусственного дождевания является эрозионный смыв почвы, который происходит вследствие накопления на поверхности не впитавшейся воды и формирования эрозионно-опасных течений. При этом оказывается весьма низкой и равномерность увлажнения активного слоя почвы. Известно, что на процесс возникновения и развития эрозии влияют с одной стороны интенсивность, крупность капель и другие характеристики дождя, с другой – поливной режим и технология полива, а с третьей – свойства почвы, состояние её поверхности и рельеф. По мере снижения водопроницаемости почв при прочих равных условиях увеличивается и опасность эрозионного смыва. Однако в области разработки почвосберегающих технологий дождевания различными машинами и комплексных мероприятий по борьбе с ирригационной эрозией почв имеется существенное отставание от теоретической основы, в особенности применительно к условиям конкретных эрозионно-опасных оросительных систем и участков, поэтому до настоящего времени они не являются проектируемым мероприятием, вследствие чего борьба с эрозией начинается уже после явного проявления её последствий, когда требуется применение дорогостоящих способов рекультивации.

Для обоснования системы почвозащитных мероприятий наукой в большом объёме изучены процессы водной эрозии, определены допустимые потери почвы и объемы стока. Разработаны методы и составлены уравнения, моделирующие эрозионные процессы. Для решения возникающих проблем предложены различные противоэрозионные обработки орошаемых полей, показана их эффективность. Тем не менее, вопросы рационального их применения остаются открытыми и вне привязки к технологиям полива, чем в значительной мере снижается эффективность предпринимаемых усилий.

Проведенные научные исследования в области совершенствования дождевальной техники были направлены, прежде всего, на снижение рабочего давления, уменьшение интенсивности и улучшение структуры дождя, обеспечение более высокой равномерности полива и производительности машин.

Однако характеристики широко применяемых отечественных дождевальных машин недостаточно обоснованы с экологической и технологической сторон, т.е. все же технические аспекты при разработке конструкций тех или иных ДМ являются превалирующими, поэтому современным почвоохранным и экономическим требованиям они отвечают в неполной мере.

Высокая не только в России, но и в мире, стоимость энергоносителей инициировала работы по снижению производственного потребления энергоресурсов. В области дождевания эта тенденция проявилась с технической стороны, как разработка машин с пониженными рабочими напорами. В нынешних экономических условиях говорить о широком внедрении каких-либо новых дождевальных машин взамен морально и физически изношенных затруднительно, поэтому речь может идти только о восстановлении и модернизации существующего парка дождевальной техники, чтобы в максимальной мере улучшить расходно-напорные характеристики ДМ, например, «Фрегатов», оставляя на высоком уровне их эксплуатационно-технологические показатели. В результате выполненного анализа различных способов перевода на низкие напоры, разработка которых начата в восьмидесятых годах прошлого столетия, установлены их основные преимущества и недостатки и рассмотрен вопрос о групповой работе низконапорных машин в составе оросительной системы. Тем самым была затронута проблема практического применения модернизированных машин, и как оказалось, если дополнительные комплектующие пользуются спросом, то к оросительным системам с низконапорными машинами относятся настороженно, и только в конце 90-х годов удалось построить в Ставропольском крае в результате реконструкции ОС, на которых в качестве базовой была принята машина с уширенными гидроцилиндрами и дождевальными аппаратами, имеющими конусный дефлектор.

5. Примеры расчётов некоторых параметров При изучении вузовских курсов, связанных с дождевальными машинами, также в практической деятельности инженеров – мелиораторов, научных сотрудников и работников проектных организаций часто возникает необходимость проведения отдельных теоретических расчётов, касающихся конструкции и эксплуатации многоопорных дождевальных машин. К сожалению рациональные расчётные методы не являются общедоступными, что является несомненным затруднением. Приведённые ниже примеры в определённой мере помогут с этим справиться.

Задача № Определить общий объём сбросов воды гидроцилиндрами приводов дождевальной машины «Фрегат» за один её оборот, если максимальная цикличность (количество ходов гидроцилиндра последней тележки в минуту) равна N = 5,5, количество тележек равно n =16 шт, а объём гидроцимин линдра W = 8 л и расстояние перемещения за один цикл равно LЦ = 0,16 м.

Длина первых четырёх пролётов (короткие) машины равна по 25,6 м, остальных (длинные) по 29,9 м.

Решение Как известно, многоопорная машина «Фрегат» – кругового действия, предварительно пронумеруем все её тележки как показано на рис. 1. Каждая из них, начиная с периферии, вращается с одинаковой угловой скоростью по окружности меньшего радиуса, и, следовательно, с меньшей линейной скоростью. Переместимся в конец ДМ и поместим наблюдателя на последнюю тележку, тогда её скорость будет переносной, а скорость предпоследней определится как где V15, 16 скорость тележки 15 относительно тележки 16.

Рисунок 1. Схема дождевальной машины «Фрегат»

Помещая теперь наблюдателя последовательно на тележки 15; 14 и т. п.

получим:

В общем виде можно записать:

где Vi = Vi, (i+1) – это есть разница в скоростях пар соседних тележек.

За время полного оборота (t O) каждая тележка проходит путь соответствующий собственному радиусу вращения, так для последней и последующих Отсюда видно, что отношение Определим постоянную по последней тележке, предварительно определив ее скорость А её радиус вращения будет равен где l 1 - размер короткого пролёта;

l 2 - размер длинного пролёта;

n1 – количество коротких пролётов;

n2 – количество длинных пролётов.

Поскольку LЦ для всех тележек величина постоянная, то Vi = LЦ · Ni, а формулу 1 можно переписать в виде:

Теперь ясно, что так как И отсюда определяется изменение цикличности от тележки к тележке:

Далее по формуле 2 определяем цикличность каждой тележки (см. таблицу), и в итоге просуммировав цикличность машины в целом.

Таблица. Цикличность тележек ( ·10 ) дождевальной машины «Фремин гат».

Отсюда, для заданного режима движения расход воды на привод будет равен:

А за один оборот общий объём сбросов (от режима движения не зависит) составит:

Q = q · t0 = 351,95 · 3148,6 = 1,11 · 106 л = 1110 м3 на оборот.

Задача № Колесо опорной тележки дождевальной машины «Фрегат» перемещается усилием толкающей штанги, кинематически соединённой с гидроцилиндром привода. Определить скорость точки А, лежащей на ободе колеса при цикличности привода NЦ = 5,5, если расстояние между почвозацепами колеса равно L = 0,16 м, а радиус колеса R = 0,5 м..

Решение Точка А (см. рис. 2) совершает сложное движение, одновременно перемещаясь в продольном направлении (поступательное движение) и вращаясь вокруг центра О1 (вращательное движение). Мгновенный центр скоростей колеса будет находиться в точке О, то есть вектора скоростей всех его точек, в частности О1 и А, будут перпендикулярны отрезкам, соединяющим эти точки с центром О.

Далее время цикла движения колеса tц будет складываться из времени рабочего хода (наполнение гидроцилиндра) t1 и времени холостого или обратного хода (опорожнение гидроцилиндра) t2. Длительность цикла обратно пропорциональна цикличности:

а так как t2 можно принять равной 0,1tц, то t1 = tц - 0,1tц = 0,18 – 0,1·0,18 = 0,16 мин.

Рисунок 2. Схема колеса дождевальной машины «Фрегат»

За это время колесо перемещается на расстояние между почвозацепами и линейная скорость точек на его ободе, так же как и скорость центра О1 равна:

Расстояние LОА можно найти по теореме косинусов, которая для нашего случая после небольших преобразований примет вид:

Теперь абсолютная скорость точки А определится из выражения:

Задача № Определить энергозатраты на один полив нормой m = 300 м3/га поля площадью F = 70 га дождевальной машиной «Фрегат» при напоре воды на входе в машину 70 м.

Решение Общий объём воды, выданный машиной за время полива, составит а потребляемая при поливе мощность будет равна:

где =10 Н/м – удельный вес воды;

Далее, если эту мощность умножить на время полива t, то и получим искомые энергозатраты:

Эта энергия тратится на привод, транспортировку воды по тракту машины и образование дождя.

Полная же энергоемкость полива (W0) определится по параметрам насосной станции, где напор Н0=120 м, и к W добавятся энергозатраты на подвод воды к машине:

Задача № Средняя скорость движения фронтальной дождевальной машины «Кубань -Л» определяется средней скоростью движения крайних опорных тележек (VК), а прямолинейность трубопровода обеспечивается системой синхронизации движения тележек в линию путем остановки выбегающих относительно соседних вперед и включения отставших. Определить промежутки времени непрерывного движения и стояния предпоследней тележки крыла ДМ при поливной норме m = 300 м3/га (30 мм).

Исходные данные: расход машины Q = 200 л/с, коэффициент потерь дождя = 1.2, ширина захвата В = 800 м; передаточное отношение привода промежуточных тележек NП = 2585, крайней – NК = 3220, рабочий ход тележки (путь, проходимый ею от включения до выключения) – LРХ = 0,16м.

Решение Составим расчётную схему (см. рис. 3) и предварительно определим скорость последней тележки из известного в мелиорации соотношения:

С учетом того, что скорость тележки обратно пропорциональна передаточному отношению привода скорость промежуточной тележки будет равна:

Теперь поместим наблюдателя на крайнюю тележку, тогда скорость промежуточной можно найти из соотношения здесь VПК – скорость промежуточной тележки относительно крайней.

Следующим этапом определим время движения предпоследней тележки при перемещении в пределах рабочего хода:

Рисунок 3. Крайние тележки дождевальной машины «Кубань»

Для определения времени её стояния поместим наблюдателя на предпоследнюю тележку и тогда:

то есть относительная скорость равна абсолютной скорости крайней тележки.

Простоит эта тележка промежуток времени равный:

а длительность цикла её движения (период) составит Т = t1 + t2 = 1,98 мин.

На рис. 4 представлена одна из возможных схем прибора стабилизации курса фронтальной дождевальной машины с гидроприводом. Работает она следующим образом. Исходное положение механизма – нейтральное. При этом клапан 7, регулирующий расход воды, поступающей к гидроцилиндру привода, полностью открыт и расход и скорость движения тележки максимальны. При нежелательном её развороте направляющий элемент (трос, канавка и т.п.) воздействует на штангу 3, а следом и на ползун 5, прижим 6 отходит влево и клапан дросселируется, уменьшая расход. Соседняя тележка движется с прежней скоростью, и за счёт разницы скоростей происходит выравнивание по курсу центрального пролёта ДМ. Обратный ход ползуна происходит за счёт пружины 4.

Определить оптимальный профиль прижима 6.

Решение Рассмотрим положение ползуна в одном из промежуточных положений, где на прижим (наклонная плоскость) действуют три силы: Р – реакция на усилие пружины сжатия 5 клапана 7; Q – усилие пружины 4 и сила трения – FТР. Направлены они так, как показано на расчётной схеме. Разложим силы Р и Q вдоль и перпендикулярно откосу прижима и составим уравнение равновесия продольных проекций сил:

очевидно, что Силу трения можно найти из следующего выражения где прижимающие силы равны Подставим всё в исходное уравнение:

Рисунок 4. Схема прибора стабилизации курса В последнем выражении коэффициент К зависит от профиля откоса, т. е. формы, вычислим его значения, а также значения длины откоса L в зависимости от угла при fТР = 0,1 и максимальной величине хода штока h = мм по формуле Результаты представлены в нижеприведённой таблице.

Таблица. Изменения коэффициента формы К и длины откоса от угла.

Как следует из расчётов зависимость К = f() прямо пропорциональна, а L = f() – обратно пропорциональна, а нам желательно иметь минимальными и одно и другое, чем минимизируется сила Q и ход ползуна ( уменьшается угол разворота тележки и повышается чувствительность прибора). Выход из ситуации можно найти разными способами, в частности, принять комбинированную схему, как показано на рисунке, когда в начале обратного хода при наползании откоса на шток сила Р ещё небольшая и углы можно принять увеличенными, а следом с возрастанием Р их уменьшить. Теперь, зная силу Рмах и величину Lопт можно найти силу Qмах и подобрать необходимую возвратную пружину.

Задача № Определить установившуюся скорость свободного падения капли воды диаметром d = 2 мм при скоростях ветра W = 0 и W = 5. Коэффициент аэродинамического сопротивления СV принять равным 0,5.

При отсутствии ветра у свободно падающей капли вектор скорости направлен вертикально вниз и имеет постоянную (установившуюся) величину.

И на неё действуют только две силы (см. рис.5): сила тяжести и сила аэродинамического сопротивления, причём: F = Р.

Сила аэродинамического сопротивления пропорциоF нальна квадрату скорости и определится из формулы:

Сила тяжести находится из общеизвестной зависимости Рисунок где W = – объём капли; 2 –плотность воды; g – ускорение свободного падения.

После сокращений и преобразований получим расчётное выражение:

воспользовавшись принципом независимости движений, можно составить следующую расчётную Задача № Определить силу удара капли дождя о почву воспользовавшись данными результатами решения задачи № 6.

Решение Из уравнения закона сохранения движения можно получить известную зависимость, характеризующую процесс взаимодействия двух материальных тел посредством удара, когда скорость одного из них уменьшается до нуля, а второго никаких изменений в силу разных причин не претерпевает. Оно будет действительно и в нашем случае:

где Р – сила удара капли;

t – длительность удара;

m и V – масса и скорость капли.

Удар капли о почву с достаточной достоверностью можно принять неупругим, тогда время удара будет равно:

где d – диаметр капли;

К – коэффициент равный 0,5.

Соединяя обе формулы и подставляя исходные данные, получим:

Задача № равной i (мм/с). Расстояние, которое надо преодолеть до укрытия пусть равно L (м). Далее воспользуемся принципом обратимости движений и остановим человека, тогда облако дождя будет перемещаться над ним со скоростью – V, а время прохождения им пути L будет равно:

Отсюда ясно, что h обратно пропорционален V, а поскольку общий объём воды, который выльется на человека можно найти как произведение этого слоя на площадь горизонтальной проекции человеческого тела, которая в обоих случаях одинакова, то бегущий человек намокнет меньше идущего.

В области отечественного мелиоративного машиностроения мы сейчас располагаем теми же образцами дождевальной техники, с которыми закончили восьмидесятые-девяностые годы. В течение определенного промежутка времени научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по модернизации и восстановлению уцелевших ДМ позволили в какой-то мере сохранить имеющийся парк машин, однако теперь это направление себя исчерпало ввиду катастрофического, прежде всего, морального и материального износа техники. Нужны новые технические средства полива дождеванием, с иными, чем прежде, эксплуатационными и технологическими возможностями и параметрами.

Отечественные дождевальные машины серий «Фрегат» и «Кубань»

многократно описаны и хорошо известны, поэтому здесь затрагивать их не будем, а остановимся на относительно новой и малоизвестной дождевальной машине «Мини Фрегат – ФШ», разработанной СКБ «Дождь» (см. рис. 7 и 8).

От «Фрегата» у машины взят гидроцилиндр с кинематической схемой привода колёс, от «Кубани» опорная тележка, шпренгельная ферма и консоль.

Она может использоваться для полива практически всех сельскохозяйственных культур и состоит из двух ферм водопроводящего трубопровода опирающихся на три тележки, имеющие гидроприводы колес. Источником энергии для движения тележек является давление воды в водопроводящем трубопроводе машины, которая подаётся в него через гибкий шланг от гидранта стационарного поливного трубопровода. Движение тележек «в линию»

обеспечивается системой синхронизации, а фронтально – системой движения по курсу, которая ведёт машину с минимальными отклонениями от направляющего троса за счёт изменения скорости крайних тележек. Наличие системы защиты обеспечивает остановку машины при возникновении неисправностей в процессе работы, предотвращая аварийную ситуацию. Регулирование нормы полива производится за счёт изменения скорости движения машины.

Реверсируется машина вручную, перестановкой толкателей колёс гидропривода каждой тележки.

По мнению разработчика машина имеет следующие достоинства:

автоматизация процесса полива, обеспечивающая минимальные трудозатраты и возможность круглосуточного дождевания;

хорошее качество полива;

низкая интенсивность дождя, обеспечивающая требуемое промачивание почвы без образования поверхностного стока;

возможность внесения с поливной водой удобрительномелиоративных веществ за счет применения коррозионностойких материалов и покрытий;

наличие высокого клиренса по фермам обеспечивает возможность полива высокостебельных культур;

хорошая проходимость машины, благодаря использованию резиновых пневматических шин низкого давления с высокими грунтозахватами;

возможность перемещения машины в процессе работы без дополнительного источника питания, используя энергию поливной воды;

возможность использования машины на двух позициях путём установки дополнительного курсового оборудования и второй линии Норма полива регулируется только вручную поворотом рукоятки крана – задатчика скорости. С машиной могут поставляться разные комплекты направляющего троса, упоров и гибкого шланга при расстоянии между гидрантами 100 и 120 м.

В зависимости от твёрдости почвы может быть и разная комплектация шин. При твёрдости на глубине 10 см 0,1-0,2 МПа рекомендуются шины 18, – 24; при твердости 0,2-0,3 МПа шины 18,4 – 24 или 16,0 -20; а при твёрдости более 0,3 МПа шины 16,0 – 20. Твёрдость приводится применительно к подготовленному к посеву полю при влажности почвы равной НВ.

Вдоль линии гидрантов должна быть устроена дорога шириной 5м для движения центральной тележки и волочения шланга. Рекомендуется засевать эту дорогу низкорастущими травами. Параллельно линии гидрантов на противоположной стороне дороги устанавливается направляющий курсовой трос.

Машина предназначена для работы на орошаемых участках площадью до 26 га со спокойным рельефом. Полив осуществляется при её перемещении по полю в прямом и обратном направлениях вдоль гидрантов оросительной сети. Оснащается среднеструйными дождевальными аппаратами кругового действия в количестве 21 шт, низконапорными дождевальными аппаратами – 2 шт и двумя концевыми аппаратами секторного типа.

Диаметр водопроводящего трубопровода, мм Производительность за час основного Допустимый уклон вдоль водопроводящего пояса машины Рисунок 7. Дождевальная машина «Мини – Фрегат – ФШ»

Рисунок 8. Дождевальная машина «Мини – Фрегат – ФШ»