Водопользование на рисовой оросительной системе с применением гидроавтоматов сифонного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат технических наук Ольховой, Сергей Александрович

• Ольховой, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ольховой, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ОРОШЕНИЯ, ВОДНЫХ РЕСУРСОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ НА РИСОВЫХ СИСТЕМАХ В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ.

1.1 Оросительная норма и влияние недостатка или избытка воды на урожай риса.

1.2 Водный режим почвы на рисовом чеке, методы его регулирования и регулирующая сеть рисовых систем.

1.3 Автоматизация водораспределения и орошения риса.

1.4 Способы автоматизированного регулирования первого и второго классов.

1.5 Анализ технических средств автоматизации орошения на оросительных системах.S

1.6 Выбор основных направлений исследований.

Выводы по первой главе.

2 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Климатическая характеристика района проведения исследований

2.2 Теоретические исследования.

2.3 Лабораторные исследования.

2.3.1 Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход

2.3.2 Установление гидравлических параметров модели автомата сифонного типа с подвижным гребнем при изменяющейся длине трубопровода.

2.4 Динамика водопотребления риса.

2.5 Производственные полевые испытания.

2.6 Гипсометрические исследования.

Выводы по второй главе.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Анализ гидравлической теории сифонов.

3.1.1 Коэффициент расхода сифона.

3.2 Уравнение расхода сифона при условии подвижного гребня.

3.3 Манометрическое условие для нормальной работы сифона с подвижным гребнем.

3.4 Вывод уравнения расхода сифона при его работе в безвакуумном режиме.

Выводы по третьей главе.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Влияние вертикального изгиба трубы водовыпуска на ее расход

4.1.1 Изменение расхода при неизменной длине трубопровода.

4.1.2 Изменение расхода при изменяющейся длине трубопровода.

4.2 Влияние положения трубы гребня сифона на режим работы автомата.

4.3 Влияние падения уровня воды в оросителе на расход гидроавтомата.

4.3.1 Динамические характеристики модели гидроавтомата.

4.4 Производственные испытания и исследования чекового гидроавтомата.

4.5 Надежность работы автомата.

4.6 Гипсометрические исследования.

Выводы по четвертой главе.

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИДРОАВТОМАТА. 105 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.Ill

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Водопользование на рисовой оросительной системе с применением гидроавтоматов сифонного типа»

Актуальность темы. Зональная технологическая карта возделывания риса включает в себя 57 операций, из которых 3 выполняются вручную и все они приходятся, в основном, на процессы водопользования и водораспределения, т.е. регулирования слоя воды в чеках. Доля ручного труда в общих затратах составляет 41%. Эти работы выполняют поливальщики, потребность в которых в Краснодарском крае удовлетворяется на 33,5%. В связи с острым дефицитом кадров нагрузка на них в последние годы возросла с нормативных 40 до 80-100 га, а в отдельных хозяйствах в зоне Приазовских плавней до 120-150 га и более. В этих условиях агротехнически заданный режим орошения, доля вклада которого в урожай составляет 33%, не соблюдается, урожайность риса снижается, а непроизводительные потери оросительной воды возрастают.

Одним из направлений, способных решить возникшую проблему, является переход с ручного на автоматизированное управление водными ресурсами при орошении риса. Мелиоративная наука вопросами автоматизации занимается давно, но, к сожалению, не достаточно успешно по двум причинам: 1) рисовая поливная карта по своей конструкции водовыпусков представляет собой своего рода автомат, способный поддерживать на рисовых чеках заданный шандорка-ми слой воды. Однако он имеет серьезный недостаток - значительный (3-5 тыс. м3/га и более) перерасход оросительной воды, что в условиях нарастающего ее дефицита недопустимо; 2) отсутствие платы за воду, в связи с чем мотиваций для экономии воды и, как следствие, внесения затрат на автоматизацию, у производственников не имеется. Работа выполнена в соответствии с планом НИР института по теме: № 08.06.01.01 "Разработать методы рационального использования оросительной воды на рисовых системах в условиях дефицита водных ресурсов".

Цель работы: Совершенствование водопользования на рисовых оросительных системах с применением гидроавтоматов сифонного типа, отличающихся простотой конструкции, отсутствием металлических деталей и низкой ценой их изготовления и монтажа, что в условиях рыночных отношений имеет важное значение.

Задачи исследований:

1)на основе анализа известных конструкций гидроавтоматов выбрать наиболее отвечающую поставленной цели;

2) разработать модель самозаряжающегося автомата сифонного типа с подвижным пластмассовым гребнем и провести лабораторные гидравлические исследования;

3)определить параметры положения гребня, поплавка и ограничительной планки, обеспечивающие зарядку и разрядку сифона;

4) установить расходные характеристики автомата и условия вакуумного безаварийного режима и уточнить его конструкцию;

5) провести производственные испытания автомата, оценить его надежность и точность поддержания им заданного слоя воды в течение всего поливного периода;

6) провести анализ рабочих напоров на рисовых оросительных системах Кубани для обоснования и типизации размеров гидроавтомата;

7) рассчитать экономическую эффективность гидроавтомата и определить срок окупаемости устройства.

Объект исследования — чековый самозаряжающийся гидроавтомат сифонного типа с подвижным гребнем.

Предмет исследования - функциональные связи, определяющие зависимость пропускной способности (расхода) от напора, геометрические параметры автомата и коэффициенты расхода.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Основу теоретических исследований составляли уравнение Бернулли и законы гидравлики. При математическом моделировании использованы основы подобия физических и математических процессов. Экспериментальные исследования проводились со строгим соблюдением принципа единственного различия, измерения расходов осуществляли объемным методом с хронометражем. Точность учета ±0,1 л/си ±1 сек.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается адекватностью масштабных физических моделей и натурного образца, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов и результатами производственных испытаний гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем.

Научная новизна - впервые разработана гидравлика самозаряжающихся сифонов с подвижным гребнем, когда движение последнего синхронно с колебаниями уровня воды в нижнем бьефе (чеке).

При этом установлено:

1) расход сифона не зависит от высоты подъема гребня;

2) зарядка сифона производится самопроизвольно, разрядка - принудительно с помощью ограничительной планки;

3) величина расхода изменяется по закону трубчатых сифонов

Q = /uo)-yj2gH при работе полным сечением, а после разрядки — по закону водослива практического профиля Q = m

Практическая ценность работы. Разработанная конструкция чекового гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем позволяет экономить оросительную воду, повышает нагрузку на поливальщика, обеспечивает достаточно высокую точность поддержания заданного агротехнически слоя при надежности работы 0,98-0,99, установка гидроавтомата на чеке не требует переустройства водовыпуска. В связи с изложенным он может быть эффективно использован на рисовых оросительных системах Российской федерации.

Положения и результаты, выносимые на защиту: 1 .Гидравлика самозаряжающихся сифонов с подвижным гребнем.

2.Манометрическое условие нормальной (в вакуумном режиме) работы сифона, обеспечивающее максимальный расход автомата.

3.Конструкция устройства для срыва вакуума и, как следствие, разрядки сифона.

4. Динамика эвапотранспирации в течение вегетационного периода риса.

5.Вероятностная модель статистического распределения напоров на рисовых оросительных системах Кубани.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на оро-сительно-производственном участке ВНИИ риса, где устанавливались опытные образцы автомата сифонного чекового с подвижным гребнем (2003-05 гг.).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку специалистов на научно-практических конференциях: "Научное обеспечение агропромышленного комплекса" (Краснодар, 2003), "Совершенствование систем земледелия в различных агроландшафтах Краснодарского края" (Краснодар, 2004) и Всероссийской научно-практической конференции "Развитие инновационных процессов в рисоводстве - базовый принцип стабилизации отрасли" (Краснодар, 2005).

Заключение диссертации по теме «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», Ольховой, Сергей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Выполненные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования, с использованием как существующих, так и оригинальных методик, позволили обосновать необходимость применения на рисовой оросительной системе гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем. В результате системного изучения требований растений к водному режиму и точности его поддержания, а также схем регулирования и конструкций существующих авторегуляторов можно сделать следующие основные выводы:

1. В гидравлической теории и практике понятия "самозаряжающийся трубчатый сифон с подвижным гребнем" не существует, а, следовательно, нет ни теоретических, ни экспериментальных исследований в этой области.

2. Величина расхода сифона не зависит от вертикального положения гребня: при одном и том же напоре он остается неизменным даже тогда, когда гребень находится выше пьезометрической линии напора.

3. Условие безаварийного вакуумного режима работы сифона описывается зависимостью давления на гребне водослива от отношения расхода сифона к его диаметру. Это условие соблюдается при отношении расхода сифона к диаметру более 0,01 и давлении на гребне не менее 0,24 Па.

4. Расход сифона в безвакуумном режиме функционально зависит от слоя над дном гребня, и данная зависимость по своей сущности характеризует водослив с практическим профилем. Продолжительность этого режима в среднем составляет от 1 до 2 часов.

5. Сифон с подвижным гребнем в процессе работы на рисовом чеке автоматически настраивается на необходимую величину расхода (Ah=±2 см), при этом наблюдается потенциально-динамическое равновесие: расход воды, подаваемый на рисовый чек, численно равен потерям на эвапотранспирацию и фильтрацию.

6. Точность поддержания слоя воды гидроавтоматом сифонного типа с подвижным гребнем составила ± 2,0 см, что удовлетворяет требованиям растений риса к колебаниям водного режима.

7. Распределение рабочих напоров на чеках описывает уравнение Пирсона - распределение). Величина действующего напора на рисовых системах Кубани изменяется в пределах 0,3-1,4 м, при этом в 93% случаев она не превышает 1,0 м.

8. Применение гидроавтомата сифонного типа с подвижным гребнем в качестве авторегулятора приводит к увеличению урожайности риса в среднем на 6,37 ц/га, улучшению качества регулирования слоя затопления, а также повышению эффективности использования воды на 22%; установка автомата на 1,6% снижает издержки производства риса и обеспечивает экономическую эффективность 4,6 т.руб/га в ценах 2005г., что окупает установку автомата за 1 поливной сезон.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Установку автоматов следует производить на чеках, оснащенных обычными водовыпусками.

2. Чтобы работа автомата проходила без сбоев, перед монтажом гребня, внутренние поверхности неподвижных патрубков рекомендуется обработать смазкой (Литол 24). В этом случае подъем гребня будет происходить плавно.

3. При установке автомата на чековом водовыпуске следует располагать его под углом к кромке чека для недопущения активного вымыва грунта из плодородного слоя почвы.

4. Монтаж автомата на чековом водовыпуске встык к трубе водовыпуска необходимо проводить с помощью муфты. При таком варианте сборки отсутствует риск нарушения соединения, а потери напора будут минимальны.

5. После окончания вегетационного периода и соответственно - эксплуатации автомата, его следует демонтировать. Помимо этого, рекомендуется разобрать клапан для срыва вакуума и на период консервации его следует обработать смазкой (ГОСТ 21150-87).

6. В случае проведения аварийных работ на оросителе и необходимости прекращения подачи воды в чек гребень сифона следует поднять и прикрепить к ограничительной планке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ольховой, Сергей Александрович, 2006 год

1. Агроклиматические ресурсы Краснодарского края. Краснодар, 1975. -375 с.

2. Агроскин, И.И Гидравлика / И.И. Агроскин, Г.Т. Дмитриев, Ф.И. Пика-лов.-М.-JI.: Энергия, 1964.- 352 с.

3. Алешин, Е.П. Рис/ Е.П. Алешин, Н.Е. Алешин. -М.: Заводская правда, 1993.- 508 с.

4. Алешин, Е.П. Программирование высоких урожаев риса/ Е.П. Алешин. -Краснодар, 1977.- 96 с.

5. Алешин, Е.П. Минеральное питание риса/ Е.П. Алешин, А.П. Сметанин-Краснодар: Кн. изд-во, 1965.- 208 с.

6. Алешин, Е.П. Справочная книга рисовода/ Е.П. Алешин.-М.: Колос, 1975.-368 с.

7. Андрюшин, М.А. Орошение риса/ М.А. Андрюшин.-М.: Колос, 1977.128 с.

8. Бобохидзе, Ш.С. Гидравлическая автоматизация водораспределения на оросительных системах/Ш.С. Бобохидзе.-М.: Колос, 1973.- 247 с.

9. Бобохидзе, Ш.С. Новые конструкции гидравлических автоматов для сети оросительных систем/ Ш.С. Бобохидзе //Сб. науч. тр./ ГрузНИИГ и М. -1968. Вып.25. - С.44-49.

10. Ю.Богомолов, А.И. Гидравлика/ А.И. Богомолов, К.А. Михайлова. М.: Стройиздат, 1972.- 648 с.

11. П.Бочкарев, Я.В. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации/ Я.В. Бочкарев,- М.: Колос, 1969.- 392 с.

12. Бочкарев, Я.В. Принципы и схемы комплексной автоматизации низового звена рисовых оросительных систем/ Я.В. Бочкарев //Механизация и автоматизация оросительных систем и технология орошения сельскохозяйственных культур,- Фрунзе, 1974/1975.- С.3-13.

13. П.Бочкарев, Я.В. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации/ Я.В. Бочкарев, Е.Е. Овчаров. М.: Колос, 1981.-334 с.

14. Буруменский, B.C. Распределение фильтрации по площади рисовой карты/ B.C. Буруменский, Д.А. Личай //Сб. науч. тр. / Среднеазиатский научно-исследовательский институт ирригации-1975.- Вып. 145- С.265-269.

15. Величко, Е.Б. Технология получения высоких урожаев риса/ Е.Б. Величко, Б.Б. Шумаков,-М.: Колос, 1984.- 84 с.

16. Воронин, Н.Г. Орошаемое земледелие/ Н.Г. Воронин. М.: Агропром-издат, 1990.-460 с.

17. Вяземский, О.В. К вопросу о проектировании и модельных исследованиях сифонных водосливов/ О.В. Вяземский //Гидротехническое строительство. 1938. - №1. - С.8-12.

18. Ганкин, М.З. Автоматизация и телемеханизация мелиоративных систем/ М.З. Ганкин.-М.: Колос, 1965.- 344 с.

19. Гидравлический регулятор уровня типа АЧГ.-Проспект Кубаньгипровод-хоза, Краснодар.-1976.-12с.

20. Глазьев, В.А. О модульных свойствах сифона// Автоматическое регулирование расходов воды на ирригационных системах: Сб. науч. тр.; Ср НИИГиМ. Фрунзе: Илим, 1970.- С.104-112.

21. Глазьев, В.А. Проектирование и опыт эксплуатации сифонных регуляторов уровня (расхода) воды / В.А. Глазьев //Гидротехника и мелиорация. 1979.-№ 12.- С.34-40.

22. Голов, B.C. Эксплуатация рисовых гидромелиоративных систем / B.C. Голов //Совершенствование рисовых систем Кубани. Краснодар: Кн. изд-во, 1988.-С.118-131.

23. Губин, Ф.Ф. Расчет сифонных водоспусков/ Ф.Ф. Губин, Т.В. Иванова // Гидротехнический сборник. №4. - 1932. - С.34-45.

24. Гумбаров, А.Г. Оросительные рисовые системы/А.Г. Гумбаров, А.С. Луговой, А.В. Сербинов — Краснодар: КСХИ, 1982.-93с.

25. Дементьев, В.Г. Орошение / В.Г. Дементьев М.: Колос, 1979.- 303 с.

26. Джулай, А.П. Орошаемое земледелие Кубани /А.П. Джулай, В.Д. Огиен-ко-Краснодар: Кн. изд-во, 1984.- 176 с.

27. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. М.: Колос, 1979.-416 с.

28. Ерлепесов, М.Н. Орошаемое земледелие / М.Н. Ерлепесов. Алма-Ата: Кайнар, 1968.- 231 с.

29. Ерыгин, П.С. Физиологические основы орошения риса / П.С. Ерыгин. -М.- Л.: Издательство АН СССР, 1950.- 208 с.

30. Жеховский, К.И. Гидравлические автоматы регулирования воды в оросителе-сбросе карты рисовой системы с широким фронтом залива чеков/ К.И. Жеховский, В.Ф. Стежко //Мелиорация земель Приморского края-1980/1981.-№1.-С.61-62.

31. Зайцев, В.Б. Автоматизация водораспределения на рисовых оросительных системах / В.Б. Зайцев //Гидротехника и мелиорация. 1959.- №12. -С.12-17.34.3айцев, В.Б. К вопросу о водообеспеченности культуры риса/ В.Б. Зайцев //Водныересурсы-1982.- №1.- С.83-93.

32. Зайцев, В.Б. Методика гидромелиоративных исследований при орошении риса / В.Б. Зайцев Краснодар: Кн. изд-во, 1977.- 110 с.

33. Зб.Зайцев, В.Б. Основные принципы проектирования и эксплуатации рисовых оросительных систем / В.Б. Зайцев. М.: Московский гидромелиоративный институт, 1964,- 460 с.37.3айцев, В.Б. О технически совершенной рисовой оросительной системе /

34. B.Б. Зайцев //Гидротехника и мелиорация. 1975. - №1. - С.52-54.

35. Зайцев, В.Б. Разработка рациональных конструкций и методов эксплуатации рисовых оросительных систем / В.Б. Зайцев //ЦБНТИ.- 1972,- №12,1. C.11-14.39.3айцев, В.Б. Рисовая оросительная система / В.Б. Зайцев. М.: Колос, 1975.-351 с.

36. Зайцев, В.Б. Террасность как элемент мелиоративного состояния рисовой карты / В.Б. Зайцев, В.А. Попов //Гидротехника и мелиорация-1972.- №9.- С.42-46.

37. Зайцева, Г.И. Определение коэффициента расхода чековых гидравлических затворов-автоматов /Г.И. Зайцева, С.И. Федорова // Сб. науч. тр./ Куб. с.-х. ин-т. 1973.- №67.- С.83-87.

38. Закусилов, Н.А. Автоматизация оросительных систем и её экономическая эффективность / Н.А. Закусилов. Фрунзе: Илим, 1975. - 165 с.

39. Замарин, Е.А. Сифоны / Е.А. Замарин //Гидротехническое строительство. №8. - 1932. - С.23-27.

40. Иванова, Т.В. Сифонные водосбросы / Т.В. Иванова. Ч. 2. - М.: Гос-энергоиздат, 1933. - 252 с.

41. Иванова, Т.В. Сифонные водосбросы / Т.В. Иванова, А.С. Казимирович. -Ч. 1. М.: Госэнергоиздат, 1932. - 246 с.

42. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик.-М.: Машиностроение, 1975.- 460 с.

43. Кибальников, С.В. Автоматизация рисовых оросительных систем / С.В. Кибальников-М.: Агропромиздат, 1985.- 109 с.

44. Кибальников, С.В. Внедрение гидроавтоматики на рисовых оросительных системах / С.В. Кибальников, Б.Д. Горшман, Ю.А. Свистунов //Гидротехникаи мелиорация-1986.-№4.- С.36-38.

45. Кибальников, С.В. Автоматизированный способ водораспределения на картах рисовых оросительных систем / С.В. Кибальников, Луговой А.С. //Сб. науч. тр. / Куб. с.-х. ин-т,- 1978. — Вып. 163.- С.58-62.

46. Кириченко, К.С. Орошение риса / К.С. Кириченко. Краснодар: Кн. изд-во, 1944.-161 с.

47. Киселев, П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам / П.Г. Киселев-М.: Энергия, 1972.- 307 с.

48. Коберле, С.И. Сифонные водосбросы /К.С. Коберле //Труды САНИИРИ-1958. — Вып.93.- С.45-64.

49. Коваленко, П.И. Автоматизация мелиоративных систем / П.И. Ковален-ко.-М.: Колос, 1983.-301 с.

50. Коваленко, П.И. Мелиоративные гидротехнические сооружения / П.И. Коваленко, A.M. Тугай. К.: Будивельник, 1974. - 126 с.

51. Коваленко, П.И. Схемы автоматического регулирования на оросительных системах и некоторые рекомендации по их применению / П.И. Коваленко, Б.И. Чалый //Мелиорация и водное хозяйство.-1973.- №26.- С.86-90.

52. Коваль, A.M. Автоматизированная система управления поливами / A.M. Коваль, В.П. Остапчик //Гидротехника и мелиорация. 1984. - №6.- С.32-36.

53. Козин, М.А. Рисовая оросительная система / М.А. Козин //Гидротехника и мелиорация-1977.- №3.- С. 119-120.

54. Кривощеков, B.C. Пневмо-гидравлический стабилизатор расхода воды / B.C. Кривощеков //Автоматическое регулирование расходов воды на ирригационных системах Фрунзе: Илим, 1970-С.95-103.

55. Куротченко, В.И. Гидравлические автоматы в технических структурах АСУ ТП водораспределения / В.И. Куротченко //Гидротехника и мелиорация. 1980. - №8.- С.29-32.

56. Луговой, А.А. Исследование пропускной способности сильфонного затвора-регулятора уровня / А.А. Луговой //Сб. науч. тр./ Куб. с.-х. ин-т.— 1985.- Вып.253.- С.108-112.

57. Луговой, А.А. Авторегулятор уровня воды пневмогидравлического действия / А.А. Луговой, Шишкин Б.И. //Научные основы индустриальной технологии возделывания риса на Кубани- Краснодар: КСХИ, 1984.-Вып.237.- С.122-131.

58. Луговой, А.С. Авторегуляторы гидравлического действия для рисовых оросительных систем / А.С. Луговой, Ю.А. Свистунов- Краснодар: КСХИ, 1984,- 86 с.

59. Луговой, А.С. Исследование облегченных авторегуляторов для рисовых систем / А.С. Луговой, Ю.А. Свистунов // Сб. науч. тр./ Куб. с.-х. ин-т. -1985.-Вып.253.- С.112-116.

60. Луговой, А.С. Техника поддержания слоя воды на рисовом поле авторегуляторами релейного типа / А.С. Луговой, Ю.А. Свистунов //Пути ра