Режим капельного орошения школки плодовых культур при повышенных температурах окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат технических наук Шугай, Павел Юрьевич

• Шугай, Павел Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шугай, Павел Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Требование школки плодовых культур к климатическим условиям 9 1.2. Анализ режимов капельного орошения сельскохозяйственных культур

1.3 Анализ способов гидравлического расчета систем капельного орошения

1.3.1 Гидравлический расчет потерь напора поливных полиэтиленовых 19 трубопроводов

1.3.2 Способы гидравлического расчета капельниц при поливе 26 сельскохозяйственных культур

1.4 Анализ полимерных материалов, применяемых для производства 31 трубопроводов систем капельного орошения

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА 34 ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Критериальные уравнение для проведения исследований движения жидкости в капельницах и трубопроводах

2.1.1. Уравнение истечения жидкости из капельниц при наличии 34 транзитного потока и изменения температуры воды

2.1.2 Уравнение установившегося движения жидкости в трубопроводах 35 систем капельного орошения

2.1.3 Экспериментальная установка, методика исследований и оценка 37 точности эксперимента

2.2 Методика вегетационных и полевых опытов 42 2.2.1 Схема и место проведения вегетационных опытов

2.3 Опытные установки для вегетационных и натурных исследований

2.4 Планирование эксперимента по исследованию влияния 46 температуры воды и давления в трубопроводе на расход капельниц

2.4.1 Статистическая обработка экспериментальных данных

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 52 КАПЕЛЬНИЦ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОЛИВНОЙ ВОДЫ

3.1 Динамика температуры поливной воды в системах 52 капельного орошения при поливе школки плодовых культур

3.2 Расходные характеристики мембранных капельниц

3.3 Расходные характеристики спиральных капельниц

3.4 Расходные характеристики лабиринтных капельниц

3.5 Расходные характеристики контурных капельниц

3.6 Расходные характеристики ниточных капельниц

3.7 Расходные характеристики компенсированных капельниц 73 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 75 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИВ

НЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ПОВЫШЕН

НЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ВОДЫ

4.1 Коэффициента гидравлического трения в поливных полиэтилено- 78 вых трубопроводах

4.1.1 Зависимости коэффициента гидравлического трения поливных 80 трубопроводов от числа Рейнольдса

4.1.2 Уточнение формулы Блазиуса для расчета полиэтиленовых 81 трубопроводов при повышенных температурах воды

4.1.3 Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления 83 поливных трубопроводов при различных вариантах подключения капельниц

4.2 Зависимость коэффициентов местных гидравлических 91 сопротивлений в поливных трубопроводах

4.3 Зависимости линейной и объемной деформации поливных 102 полиэтиленовых трубопроводов при движении жидкости с повышенной температурой

4.4 Зависимость потерь напора в полиэтиленовых трубопроводах 106 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 107 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМА КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ

ПЛОДОВЫХ САЖЕНЦЕВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

5.1 Состояние вопроса по выращиванию школки плодовых культур 109 в условия Предгорной зоны Краснодарского края

5.1.1 Природные условия

5.1.2 Осадки

5.1.3 Температурный режим

5.1.4 Влажность воздуха

5.1.5 Ветровые условия

5.1.6 Испарение с поверхности почвы

5.2 Рельеф участка.

5.2.1 Почвообразующие породы

5.2.2 Агрохимическая характеристика почв.

5.3 Исследование режима капельного орошения школки плодовых культур 114 5.3.1 Совершенствование режима капельного орошения школки плодовых культур с учетом повышенных температур

5.4 Методика гидравлического расчета систем капельного орошения 128 с учетом повышенных температур воды

5.5 Эколого-экономическое сравнение режимов орошения при 130 выращивании плодовых саженцев

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Режим капельного орошения школки плодовых культур при повышенных температурах окружающей среды»

Актуальность исследований. Обеспечение населения продуктами питания, и в том числе плодами, одна из приоритетных задач сельского хозяйства страны. В предгорных местах, где возделывание других культурами не рентабельно, садоводство является экономически оправданным и экологически привлекательным направлением в растениеводстве.

Повышение рентабельности садоводства включает применение насаждений интенсивного типа, с плотным размещением плодовых деревьев. Закладка высокоинтенсивных садов должна сочетать в себе высокую продуктивность и устойчивость к неблагоприятным климатическим условиям предгорной зоны. Для развития отросли необходимо обеспечить ее посадочным материалом - саженцами высокого качества. Саженцы плодовых культур выращиваются при помощи орошения, для высокого выхода посадочного материала. Так при дождевании и поверхностном способах полива выход саженцев достигает 50 - 70%. Недостатком применяемых технологий является нерациональное использование водных ресурсов, неравномерность полива. Равномерность полива школки саженцев остается не достаточно решенной задачей.

В настоящее время для выхода садоводства на новую ступень необходимо внедрять производство саженцев на карликовых подвоях, которые были бы устойчивы к почвенно-климатическим условиям мест выращивания. Наиболее полно современным требованиям отвечает капельное орошение. В условиях значительного перепада температур юга Российской Федерации существующие режимы капельного орошения не приспособлены к изменению окружающей среды. Это приводит к неравномерной подаче воды по площади полива, угнетению растений в жаркий период времени и снижению выхода посадочного материала. Поэтому целью настоящей работы является разработка режима капельного орошения школки саженцев при повышенной температуры окружающей среды.

Работа выполнена в соответствии с тематикой НИР ФГОУ ВПО Кубанского ГАУ «Геосистемный мониторинг, охрана водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв» (номер гос. регистрации 01200113465).

Цель работы - обоснование режима капельного орошения в условиях повышенных температур окружающей среды для гарантированного выхода школки плодовых культур в Предгорной зоне Краснодарского края.

Объект исследований - режим орошения, школка плодовых культур, поливные трубопроводы и капельницы.

Предмет исследований - закономерности изменения гидравлических характеристик трубопроводов и капельниц.

Методы и место проведения исследований. Задачи, поставленные в работе, решены путем лабораторных и полевых исследований на почвах предгорной зоны ОАО КСП «Светлогорское» Абинского района Краснодарского края, которые проводились с использованием стандартного измерительного оборудования, прошедшего государственную аттестацию. Обработка опытных данных выполнялась методом статистического анализа с применением современных компьютерных программ и вычислительной техники.

Научную новизны работы представляют:

- влияние параметров капельного орошения на основные биометрические характеристики школки плодовых культур в зависимости от водопотребления при повышенных температурах окружающей среды;

- получены зависимости для определения коэффициента гидравлического трения в поливных трубопроводах, учитывающие изменение температуры поливной воды от 15 до 55°С;

- разработан режим капельного орошения школки плодовых культур для повышенной температуры окружающей среды в Предгорной зоне Краснодарского края;

- разработана методика гидравлического расчета с учетом повышения температуры окружающей среды.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- динамика водопотребления школки плодовых культур в условиях Предгорной зоны Краснодарского края;

- зависимости для расчетов коэффициентов гидравлического трения и местного сопротивления для гидравлического расчета поливных трубопроводов систем капельного орошения;

- расходные характеристики капельниц, учитывающие влияние температуры и давления;

- режим капельного орошения школки плодовых культур для Предгорной зоны Краснодарского края;

- методика гидравлического расчета систем капельного орошения.

Достоверность результатов исследований. Степень обоснованности результатов лабораторных и натурных исследований подтверждается многолетними исследованиями, корректностью принятых методик постановки опытов, большой базой полученного и обработанного экспериментального материала, использованием методов планирования эксперимента.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является логическим завершением многолетних экспериментальных и теоретических исследований, выполненных с 2000 по 2004 гг. лично автором. Соискатель принимал непосредственное участие в теоретическом обосновании и разработке методов исследований, закладке и проведении натурных и лабораторных опытов.

Практическая ценность работы. Результаты исследований используются при разработке проектов капельного орошения школки плодовых культур в Предгорной зоне Краснодарского края. Созданная методика гидравлического расчета систем капельного орошения с учетом повышения температуры окружающей среды, позволяет равномерно распределять воду по площади полива и обеспечивать выход посадочного материала до 90 %. Зависимости для расчета коэффициентов гидравлического трения и местного сопротивления позволяют при расчете потерь напора в трубопроводах систем капельного орошения снизить энергозатраты на 10 - 15 %.

Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработан проект и построена в 2001 г. система капельного орошения школки плодовых культур в питомнике ОАО КСП «Светлогорское» Абинского района Краснодарского края. Годовой экономический эффект от внедрения режима капельного орошения школки плодовых культур составил 117,9 тыс. руб./га.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Кубанский Госагроуниверситет» «Мелиорация земель, охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (г. Краснодар, 2001-2004 гг.), региональных научно-практических конференциях «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2001-2004 гг.). На международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Волгоград 2004 г.), на научно-практической конференции в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» «Мелиорация земель, охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (г. Новочеркасск, 2003г.), на международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию образования Волгоградской Государственной Сельскохозяйственной Академии, «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» (г. Волгоград, 2005 г.), на международной научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Московский государственный университет» природообустрой-ства «Природообустройство и рациональное природопользование — необходимые условия социально-экономического развития России» (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, рекомендаций производству, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации включает 165 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, 3 приложения и списка литературы, включающий 125 наименований отечественных и зарубежных источников.

Заключение диссертации по теме «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», Шугай, Павел Юрьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При выращивании школки плодовых культур установлено, что температура воды в поливных трубопроводах в период с 8 до 19 часов изменяется от 35°С до 55 °С. Максимальные температуры наблюдаются с июня по сентябрь в условиях предгорной зоны Краснодарского края.

2. Повышение температуры воды существенно влияет на гидравлические и геометрические параметры ПТ и капельниц. При повышении температуры воды в ПТ от 15 до 55°С расход компенсированных капельниц увеличивается от 10 до 20 %.

3. Установлено, что коэффициент гидравлического трения уменьшается до 15 % в зависимости от диаметра ПТ. Потери напора так же уменьшаются в ПТ на 15 %. Коэффициенты гидравлического трения для трубопроводов диаметром 0,012-0,02 м с учетом повышения температуры воды в ПТ по формуле (4.4 - 4.5). Получено, что потери напора необходимо вычислять по формуле (4.63), которая учитывает изменение геометрических характеристик ПТ и капельниц и температуру воды.

4. Получены формулы (4.52 - 4.54) для расчета коэффициентов местных сопротивлений с учетом размеров ниппелей и температуры воды в ПТ.

5. Исследованы расходные характеристики капельниц «Молдавия — 1», «RAIN-BIRD», «EOLOS», «Нетафим», «Lego», «L'eau», «Driplex». При температурах воды в ПТ 20 - 55 °С капельницы устойчиво работают в диапазоне давлений от 0,1 до 0,2 МПа. Получены обобщенные формулы (2.35 — 2.37) для капельниц. Расход капельниц зависит от диаметра ПТ. Чем меньше диаметр, тем более чувствительна расходная характеристика капельницы к изменению давления в ПТ.

6. Разработан режим орошения школки в условиях Предгорной зоны Краснодарского края. Установлено, что при расчете поливных норм следует учитывать расходные характеристики капельниц при повышенных температурах

7. Получены формулы для определения поливной нормы (5.1), времени полива (5.2) и слоя увлажнения почвы (5.3) для школки плодовых культур

8. В условиях Предгорной зоны оптимальной поливной нормой является норма 80-90 м3/га при межполивном периоде 4-5 дней. Водопотребление школки составляет 134-154 м/10000 шт. саженцев.

9. Усовершенствована методика гидравлического расчета, которая учитывает гидравлические и геометрические характеристики ПТ и капельниц. Расчеты, выполненные по разработанной методике, улучшают равномерность полива школки.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для снижения температуры воды в ПТ необходимо располагать трубопроводы на высоте 0.5 м от поверхности почвы или в рядках школки на почве.

2. Полив следует назначать в дневные часы для снижения температуры почвы и приземного слоя воздуха, этим обеспечивается интенсивность роста школки.

3. Для равномерной подаче воды по площади полива следует применять компенсированные капельницы типа «Молдавия -1», «EOLOS», «Нетафим», «Katif», «О-tif», «Supertif», которые менее чувствительны к температуре окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шугай, Павел Юрьевич, 2005 год

1. Albori A. Confronto orientativo tra caratteristiche di funzionamento di al-cuni moblli di goccialatori autocompensati. L' irrigazione. 1981. - 31.-4.-P.204-211.

2. Drip Irrigation on processing tomatoes provessaccessful.-Irrigation. Journal, 1984, 34.4:22-25

3. Gilaad Y., Marco A. Trofbewasserung, Erlauterungen zum Bomessung von Tropferr und Tropfleitugen. Zeitsehrift fur Bewasserungsweirshaft, 1977, 2, S. 25 - 65 .

4. Gillespie V.A., Phillips A.L., Wu J., Drip Irrigation Design Equations. -Journal of the irrigation and drainage division, 1979, Vol., 105, No IRS., Sept., p. 247 257.

5. Howell T.A., Hiler E.A. Designing Trickle Irrigation laterals for Uniformity. Journal of the irrigation and drainage division, 1974, desember, p. 443 -454.

6. Howell T.A., Hiler E.A. Trickle Irrigation lateral. Desing Transactins. -American Sosiety of Agricutural Engineers, 1974, Vol., 17, № 5, p. 902 -908.

7. Keller I., Karmeli D. Trickle Irrigation Design. 1st Edition ediled and published by "Rain Bird Sprinkler Manufacturing Corporation", Glendord, California, 91740, 1975.

8. Localized irrigation. Irrigation and drainage paper. Food and agriculture organization of the United Nations. Rome, 1980, №36. p. 203.

9. Novotny M., Klopcek A. Techologia a hydraulika pomalej podpovrchovej zavlahy pre trvale plodiny. Vyskumneho ustavu zavlahoveho hospodar-stwa, Bratislave, 1981, № 15, 145 -161.

10. Parhcomehuk P. Temperatures effects on emitter discharge rates. Transections of the AS AE, 1976, 19, 4, p. 690 692.

11. Subsurfase drip system out-yields furrow, saves 80% on water use. Irrigation Age, 19.2:2612. . Watters G., Keller J. Trickle irrigation tubing hudraulics - Am. Soc. Agr.

12. Eng., 1978. 78-2015, p. 1-18.

13. Watters G., Urbina J., Keller J. Trickle irrigation emitter hosr characteristics. 7th International agricultural plastics congress San Diego, California, 1977, April 11 - 16, p. 67-72.

14. Агрохимические методы исследования почв, под редакцией Соколова А.В., Аскинази Д.Л., Москва: Наука, 1965, стр. 68-95

15. Адлер Ю.Ю. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., Наука, 1971г. 183 с.

16. Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель. М.: Агропромиздат, 1985, с. 23-29

17. Айдаров И.П., Голованов А.И., Мамаев М.Г. Оросительные мелиорации. -М.: Колос, 1982.- 176 с.

18. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич JI.M. и др. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М.: Высшая школа, 1968. — 254 с.

19. Алпатьев С.М., Будний А.А., Филимоненко Л.И. Капельно-инъекционный способ полива. Гидротехника и мелиарация, 1985, № 2, стр. 9-11

20. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления М.: Недра, 1982.-224 с.

21. Арст В.Х. Гидравлический расчет поливных трубопроводов для локальных поливов. Гидротехника и мелиорация. 1981. № 6. с 35 - 39.

22. Асадулаев З.М. Разработка интенсивной технологии выращивания кло-новых подвоев яблони для южной зоны питомниководства. Москва, 1988,-222с.

23. Багиров М.Н. О коэффициенте расхода отверстий в поливных трубопроводах: Научно-техническая конференция ГТФ ЛПИ им. Калинина. JL, 1964. с. 85-86.

24. Багиров М.Н. Уточненный гидравлический расчет поливных трубопроводов и приспособление для регулирования в их отверстиях величины поливных струй. Тр. /Северного научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации. 1966, вып. XXV с. 46 - 54.

25. Браверман Р.Д., Броновицкий В.Е., Новикова А.В. Капельный водовы-пуск «УзГИПРОВОДХОЗ». ЭИ / Минводхоз СССР, сер. 1, 1982, вып. 2, с. 1-4.

26. Брайнин А.Н. К расчету потерь напора в трубопроводах с переменным расходом. Сб. тр. Вопросы гидравлики / МГМИ, 1969, с 70 - 74.

27. Будаговский А.И. Впитывание воды в почву. М.: Изд. Академии Наук СССР, 1955.- 139 с.

28. Бухин В.Е. Трубы напорные из полиэтилена новая редакция ГОСТ 18599-2001 «Справочные материалы». Трубопроводы и экология, 2003, №2, с, 25-26.

29. Васильев С.В., Веригин Н.Н., Разумов Г.А., Шержуков Б.С. Фильтрация из водохранилищ и прудов. М.: Колос, 1975. - 303 с.

30. Вдовин Н.И., Волынов М.А. Особенности гидравлического расчета систем капельного орошения. Докл. ВАСХНИЛ, 1976, № 8, с. 41 — 43.

31. Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск. Высшая школа. 1976,-415с.

32. Выращивание посадочного материала на клоновых подвоях. Рекомендации. Минск. Урожай, 1988г. 31с.

33. Выращивание саженцев яблони методом зимней прививки. Рекомендации. Росагопромиздат, 1988г. 43с.

34. Высокоинтенсивное использование орошаемых земель. Новочеркасск: ЮжНИИГиМ, 1981.- 188 с.

35. Галифанов Г.Г. Трубопровод для капельного орошения. Мелиорация и водное хозяйство, 2000, № 4, с. 32 - 34.

36. Гвоздев И.В. Расчет эксплуатационных параметров трубопроводов из теплостойких пластмасс. Трубопроводы и экология, 2003, №1, с, 23-24.37,38,39,40,41