Алгоритм расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритм расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды

С.Я. Семененко, М.Н. Лытов, А.Н. Чушкин, Е.И. Чушкина; Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий - филиал Федерального научного центра агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук

Аннотация

Целью исследований является разработка и практическое освоение алгоритма проектирования систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды, обеспечивающего возможность решения компромиссной задачи с учетом закономерностей снижения активационного потенциала электрохимически обработанной воды или водных растворов минеральных удобрений. Исходными материалами для создания указанного алгоритма являются известные методы проектирования систем капельного орошения, а также разработанная и ранее опубликованная авторами модель для определения параметров состояния электрохимически активированной воды в системе капельного орошения. Показано, что алгоритм проектирования систем капельного орошения базируется на классической методике гидравлического расчета, в результате которого выбирается большинство параметров проектируемой системы.

При этом параметры системы капельного орошения выбираются исходя из условия равномерного распределения оросительной воды по орошаемому участку. Решение задачи в итоге сводится к установлению допустимых перепадов напора на первом и последнем капельном водовыпуске системы и сравнению фактического падения напора с допустимыми значениями. При комплектации системы капельного орошения модулем электрохимической активации оросительной воды кроме указанного условия равномерности вылива капельниц важно оценить возможности сохранения активационного потенциала электрохимически активированной воды в соответствии с агротехническими требованиями. Отсюда следует и необходимость адаптации классического алгоритма проектирования систем капельного орошения к условиям, когда указанные системы комплектуются модулем электрохимической активации оросительной воды.

Разработанный алгоритм включает решение компромиссной задачи определения технических параметров системы капельного орошения с учетом допустимых потерь напора и допустимого уровня снижения активационных потенциалов при проведении поливов.

Ключевые слова: капельное орошение, система, проектирование, электрохимическая активация, компромиссное согласование, алгоритм.

Abstract

The aim of research is the development and practical conversion of drip irrigation systems algorithm design with the electrochemical activation module of irrigation water, which provides the possibility of solving a compromise problem taking into account the regularities of reducing the activation potential of electrochemically treated water or water solutions of mineral fertilizers. The basic materials for the indicated algorithm are well-known methods of drip irrigation systems design as well as the developed and previously published by the authors model for determining the parameters of the state of electrochemically activated water in drip irrigation system. The algorithm of drip irrigation systems design is shown to be based on the classical method of hydraulic calculation, as a result of which most of the designed system parameters are selected.

In this case, the parameters of drip irrigation system are selected on the assumption of uniform distribution of irrigation water over the irrigated area. The solution of the problem ultimately results in the determination of permissible head drop at the first and last drip water discharge system and comparison of the actual pressure drop with permissible values. When the drip irrigation system is equipped with electrochemical activation module of irrigation water, in addition to the indicated uniformity of emitters outflow, it is important to assess the possibility of maintaining the activation potential of electrochemically activated water in accordance with agrotechnical requirements.

Hence there comes the need to adapt the classical algorithm of drip irrigation systems design to the conditions when these systems are equipped with electrochemical activation module of irrigation water. The developed algorithm involves the solution of compromise problem of determining the technical parameters of drip irrigation system, taking into account permissible head drops and the permissible level of activation potentials reduction during irrigation.

Key words: drip irrigation, system, design, electrochemical activation, compromise agreement, algorithm.

Сегодня доказано, что наиболее результативное, комплексное воздействие на сельскохозяйственные фитоценозы обеспечивается при использовании электрохимически активированной воды для полива сельскохозяйственных культур капельным способом [1, 2]. Проблема использования электрохимически активированной воды для полива сельскохозяйственных культур состоит прежде всего в трудностях сохранения активационного потенциала оросительной воды в процессе доставки ее от электролизера к корнеобитаемым горизонтам почвы. Неравновесное состояние электрохимически активированной воды подвержено процессам релаксации, динамика которых может существенно снизить активационный потенциал и вывести его значения за пределы оптимального диапазона или даже в противофазу, когда воздействие характеризуется негативными последствиями. Кроме того, следует учитывать, что эта проблема налагает дополнительные требования к системам капельного орошения, а также к методам их проектирования, которые должны теперь учитывать не только гидравлические сопротивления и потери напора, но и потери активационного потенциала электрохимически активированной воды. В связи с этим целью настоящего исследования является разработка алгоритма проектирования систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды на основе компромиссного согласования конструктивных параметров по гидравлическим потерям и возможности орошения электрохимически активированной водой с заданными свойствами.

Материалы и методы. Основными конструктивными компонентами систем капельного орошения являются насосные станции, включая конструкции водозаборных сооружений, узел водоподготовки, включая фильтры грубой и тонкой очистки, узел подготовки и введения в систему удобрений, стимуляторов роста и системных ядохимикатов, оросительная сеть, регулирующая и запорная арматура, модули связи и конструктивные элементы систем автоматизации, элементы комплексного обустройства мелиорированных территорий, включая лесополосы, дороги и т. д. [3, 4]. Собственно оросительная сеть включает совокупность напорных трубопроводов, в т. ч. магистральный трубопровод, распределительные трубопроводы 1, 2, -го порядка (в зависимости от разветвленности и масштабов обустроенных орошаемых территорий), участковые трубопроводы и поливные трубопроводы с капельными водовыпусками [5, 6].

Система капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды дополнительно включает [1]:

- установку для электрохимической активации оросительной воды;

- источник бесперебойного электрического питания, включая электрические сети, мобильные или стационарные генераторы электрического тока;

- электрические коммуникации;

- узел подключения установки для электрохимической активации оросительной воды к системе напорных водоводов, включая узлы соединения, регулирующую и запорную арматуру и т. д.

Проведенные исследования и практический опыт использования капельного орошения с возможностью электрохимической обработки оросительной воды свидетельствуют, что недостаточно просто дополнить систему капельного орошения вышеперечисленными конструктивными элементами. Расчет таких систем необходимо вести комплексно, рассматривая все функциональные узлы в совокупности.

Рабочей гипотезой исследований стало предположение о необходимости учета релаксации электрохимически активированной воды в процессе движения от активатора к капельницам при проектировании систем капельного орошения с модулем электрохимической активации.

Алгоритм проектирования систем капельного орошения базируется на классической методике гидравлического расчета, в результате которого выбирается большинство параметров проектируемой системы. При этом параметры системы капельного орошения выбираются исходя из условия равномерного распределения оросительной воды по орошаемому участку. Решение задачи в итоге сводится к установлению допустимых перепадов напора на первом и последнем капельном водовыпуске системы и сравнению фактического падения напора с допустимыми значениями. При комплектации системы капельного орошения модулем электрохимической активации оросительной воды кроме указанного условия равномерности вылива капельниц важно оценить возможности сохранения активационного потенциала электрохимически активированной воды в соответствии с агротехническими требованиями. Отсюда следует и необходимость адаптации классического алгоритма проектирования систем капельного орошения к условиям, когда указанные системы комплектуются модулем электрохимической активации оросительной воды.

Основой для создания алгоритма расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды стала разработанная модель для определения параметров состояния электрохимически активированной воды [7] и известные методы проектирования систем капельного орошения, изложенные в фундаментальных работах О. Е. Ясониди [3], нормативной документации [8], методических рекомендациях и практических примерах расчета [4, 9, 10], и пр.

Результаты и обсуждение. В самых общих чертах алгоритм расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды представлен на рис. 1. Как и при расчете типизированных систем капельного орошения, одним из первых блоков приведенного алгоритма является блок совокупного анализа дебета водоисточника и водопотребления сельскохозяйственных культур на расчетной площади.

На следующем этапе осуществляется выбор общей схемы компоновки системы капельного орошения. Схема выбирается с позиций получения наибольшей экономической выгоды, но на первом этапе схема является довольно приблизительной и может корректироваться в процессе расчета.

Рисунок 1 - Алгоритм расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды

Следующим этапом проектирования систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды является выбор конструкций капельных водовыпусков. Основная задача капельных водовыпусков - обеспечение равномерного по площади орошаемого участка вылива с заданной производительностью. При этом, собственно, производительность капельных водовыпусков определяется требованиями культуры к формированию зоны увлажнения. Параметры зоны увлажнения зависят от производительности капельных водовыпусков, но не одинаковы для почв разного типа или гранулометрического состава. Другой характеристикой, имеющей особую важность для систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды, является возможность сохранения производительности капельниц при изменении напора. Это достигается за счет формирования лабиринтов особой формы или за счет установки механического компенсатора перепада напора.

Одним из ключевых этапов проектирования систем капельного орошения является количественная оценка максимумов укомплектованного графика гидромодуля системы. При орошении капельным способом гидромодуль зависит от конструктивных особенностей поливного трубопровода, определяющих число капельных водовыпусков на одном погонном метре капельной линии, расходно-напорных характеристик капельниц, схемы укладки поливных трубопроводов на орошаемом участке. Поэтому величину гидромодуля необходимо определять дифференцированно для всех случаев, когда эти условия различаются.

Следующим этапом алгоритма проектирования системы капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды является решение задач выбора или расчета насосной станции, системы водоочистки и установки для электрохимической обработки. Определенный по максимальным значениям укомплектованного графика гидромодуля максимальный расход воды, подаваемый по оросительной сети на севооборотный участок, является ключевым параметром для выбора всех перечисленных узлов и установок проектируемой системы.

Производительность установки для электрохимической активации оросительной воды определится из соотношения:

,

где - производительность установки для электрохимической активации оросительной воды, л/с;

- максимальный вероятный расход воды на полив сельскохозяйственных культур в узле врезки установки для проведения электрохимических обработок, л/с. В общем случае показатель может быть принят равным максимальному расходу воды, подаваемой по оросительной сети на севооборотный участок, если установка размещается в комплексе с узлом водоочистки;

- коэффициент, который учитывает увеличение расхода воды, связанное с особенностями технологии применения электрохимически активированной воды.

Расчетная величина напора насосной станции определяется потребным рабочим напором в узле размещения капельного водовыпуска, потерями напора в водоподводящих и поливных трубопроводах, разностью геодезических отметок и суммарными потерями напора на установках и оборудовании, которыми укомплектована система капельного орошения. При расчете системы капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды важно учитывать потери напора в узле водоочистки и на установке для проведения электрохимической обработки:

,

где - расчетная величина напора насосной станции, м;

- рабочее давление капельных водовыпусков, м;

- потери напора в поливном трубопроводе, м;

- потери напора в распределительных трубопроводах 1, 2, …, -го порядка, м;

- потери напора в магистральном трубопроводе, м;

- потери напора в узле электрохимической активации оросительной воды, м;

- потери напора в узле водоочистки, м;

- разность геодезических отметок, м.

Потери напора узла водоочистки и узла электрохимической обработки оросительной воды являются известной величиной и включены в технические характеристики соответствующих установок. Потери напора в поливном, участковом, распределительных и магистральном трубопроводах определяются в результате гидравлического расчета.

Гидравлический расчет трубопроводов в классическом алгоритме проектирования систем капельного орошения является основанием для выбора основных параметров оросительной сети, включая диаметр трубопроводов, их предельные линейные размеры, соотношение геометрических размеров проектируемых модулей и т. д. При проектировании систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды обосновать выбор этих параметров только на основании гидравлического расчета системы трубопроводов нельзя. При использовании для полива систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды объективно проявляются два эффекта:

- во-первых, это классическое падение напора по длине напорных трубопроводов, которое тем выше, чем больше скорость транспортирования оросительной воды;

- во-вторых, это явление релаксации электрохимически активированной воды или водных растворов минеральных удобрений, которое определяет снижение активационных потенциалов. Причем снижение активационных потенциалов будет тем больше, чем ниже скорость транспортирования воды.

Таким образом, расчет системы капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды возможен только на основе решения компромиссной задачи. Общая схема решения компромиссной задачи представлена на рис. 2. С целью синхронизации параллельных расчетов гидравлическую модель сети трубопроводов системы капельного орошения целесообразно представить в тех же координатах, в которых представлена модель состояния параметров электрохимически активированной воды в той же системе напорных трубопроводов. При определении потерь напора по длине трубопровода в системах, предназначенных для реализации функции капельного полива, необходимо учитывать:

- что потери напора по длине прямо пропорциональны скорости движения воды, а следовательно и расходу воды по сечению;

- расход воды в системе капельного орошения изменяется по длине трубопровода из-за дифференцированного отбора воды капельными водовыпусками, ответвлениями поливных, участковых, распределительных водоводов.

Поскольку параметры координаты (, и ) соответствуют узлам отбора воды и, следовательно, на каждом из этих узлов изменяется расход воды по сечению, то расчет целесообразно проводить дифференцированно, для участков трубопровода с соседними параметрами координаты.

Обозначим падение напора на одном из указанных выше участков трубопровода с координатой конечной точки как и примем, что - это напор воды в точке с координатой . Тогда:

Рисунок 2 - Алгоритм компромиссного расчета сети напорных трубопроводов системы капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды

- если > 0, то = - ;

- если = 0, а > 0, то = - ;

- если = 0, = 0, а > 0, то = - .

Координата (с нулевыми параметрами) соответствует узлу врезки установки активатора в систему капельного орошения.

Результатом расчета являются значения напоров для всей сетки координат, определяющей параметры системы капельного орошения.

Логика процедуры выбора компромиссных решений заключается в следующем:

- во-первых, определяется допустимый уровень падения активационного потенциала оросительной воды из выражения:

,

где - допустимый уровень падения активационного потенциала оросительной воды, мВ;

- допустимый уровень падения активационного потенциала в подводящей сети, мВ;

- допустимый уровень падения активационного потенциала в сети поливных трубопроводов, мВ.

Допустимое снижение активационного потенциала оросительной воды в сети поливных трубопроводов определяется агротехническими требованиями:

,

где - интервал значений активационного потенциала между уровнем активации электрохимически обработанной воды на первой, ближайшей к активатору капельнице и последнем, наиболее удаленном капельном водовыпуске, мВ;

- диапазон допустимых значений активационного потенциала оросительной воды, определяемых агротехническим требованиями, мВ.

Из равенства, в частности, следует:

.

Допустимый уровень падения активационного потенциала в подводящей сети определится выражением:

,

где - наибольший уровень активации оросительной воды, обеспечиваемый установкой при заданной производительности (л/с): , мВ;

- уровень активации электрохимически обработанной воды на первой, ближайшей к активатору капельнице, мВ;

- во-вторых, определяются допустимые потери напора в системе капельного орошения:

,

где - допустимые значения потерь напора, м;

- допустимые потери напора в подводящей сети, м;

- допустимые потери напора в сети поливных трубопроводов, м.

При этом максимально допустимые значения потерь напора в сети поливных трубопроводов определятся требованиями к равномерности вылива капельниц по площади орошаемого участка. Известно, что производительность капельных водовыпусков зависит от напора в системе: , причем расходно-напорная характеристика капельниц строго индивидуальна и зависит от конструктивного исполнения. Исходя из диапазона допустимого изменения производительности капельниц, величина допустимых потерь напора в сети поливных трубопроводов определится решением обратной задачи:

,

,

,

где - наибольшая допустимая производительность капельного водовыпуска, л/ч;

- наименьшая допустимая производительность капельного водовыпуска, л/ч;

- значение напора при расходе капельного водовыпуска, равном наибольшей допустимой производительности, м;

- значение напора при расходе капельного водовыпуска, равном наименьшей допустимой производительности, м.

Допустимый уровень падения напора в подводящей сети определится выражением:

,

где - рабочий напор насосной станции при расчетной производительности , определенный в результате решения оптимизационной задачи, м;

- значение напора на первом капельном водовыпуске, м.

Следующий этап выбора компромиссного решения заключается в сравнении фактических, вычисленных при известных (исходных) параметрах системы капельного орошения, и допустимых значений потерь напора и падения активационного потенциала электрохимически обработанной оросительной воды. При этом если фактические значения потерь напора и снижения активационного потенциала оросительной воды находятся в допустимых пределах, то счет останавливается, а параметры системы капельного орошения, использованные в расчетах, принимаются в качестве результата компромиссного решения и становятся основой для создания проекта. Если хотя бы одно из условий не выполняется, то параметры системы капельного орошения, использованные в расчетах, отвергаются, а выполнение алгоритма продолжается.

Если фактические значения потерь напора и снижения активационного потенциала оросительной воды выходят за рамки допустимого диапазона, то осуществляется переход к выработке корректирующего решения. Собственно, выработка корректирующего решения заключается в идентификации всех параметров, которые в конечном итоге определяют потери напора и (или) падение активационного потенциала, а также направление изменения этих параметров.

Выбор корректирующих решений из сформированного перечня может проводиться в ручном режиме (выбирает оператор) или в режиме «авто». Вместе с тем в режиме «авто» целесообразно обеспечить возможность ограничения изменения некоторых параметров (вплоть до жесткой фиксации), возможность ранжирования предпочтений по изменяемым параметрам и т. д. Организация перебора корректирующих решений является последним блоком предложенного алгоритма, после которого цикл расчетов повторяется.

Таким образом, при проектировании систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды помимо классического гидравлического расчета, направленного на оптимизацию технических параметров системы по потерям напора, необходимо учитывать динамику релаксации электрохимически активированной воды, которая определяет снижение активационных потенциалов. При этом если потери напора тем выше, чем больше скорость транспортирования оросительной воды, то снижение активационных потенциалов, напротив, тем больше, чем меньше скорость движения воды в напорных трубопроводах. Предложенный алгоритм включает решение компромиссной задачи определения технических параметров системы капельного орошения с учетом количественного взаимодействия этих двух критериев. Выполнение расчетов в строгом соответствии с предложенным алгоритмом позволяет определять оптимальные параметры сети и проектировать системы капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды.

капельный орошение гидравлический электрохимический

Список использованных источников

1. Абезин В.Г. Система капельного орошения с модулем электроактивации оросительной воды / В.Г. Абезин, В.В. Карпунин // Достижения науки и техники АПК. - 2007. - № 6. - С. 23-25.

2. Белицкая М.Н. Электроактивированная вода: возможности использования в растениеводстве / М.Н. Белицкая, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 24. - С. 124-128.

3. Ясониди О.Е. Проектирование систем капельного орошения / О.Е. Ясониди. - Новочеркасск: НИМИ, 1984. - 100 с.

4. Голованов А.И. Основы капельного орошения (теория и примеры расчетов) / А.И. Голованов, Е.В. Кузнецов. - Краснодар: КГАУ, 1996. - 96 с.

5. Бородычев В.В. Современные технологии капельного орошения овощных культур: науч. изд. / В.В. Бородычев. - Волгоград: Радуга, 2010. - 241 с.

6. Современное промышленное производство овощей и картофеля с использованием систем капельного орошения и фертигации / Л.С. Гиль, В.И. Дьяченко, А.И. Пашковский, Л.Т. Сулима. - Рута, 2007. - 390 с.

7. Семененко С.Я. Моделирование состояния электрохимически активированной воды и растворов в системе капельного орошения / С.Я. Семененко, М.Н. Лытов, А.Н. Чушкин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - № 2(42). - С. 228-235.

8. Капельное орошение (пособие к СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения»). - М.: Союзводпроект, 1986. - 147 с.

9. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации систем капельного орошения (ВТР-П-28-81) / Л.П. Фадеев [и др.]. - М.: Союзводпроект, 1981. - 195 с.

Размещено на Allbest.ru