Компоновочно-конструктивные решения самонапорных ярусных систем капельного орошения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

Компоновочно-конструктивные решения самонапорных ярусных систем капельного орошения

В.Н. Шкура, А.С. Штанько

Аннотация

Целью исследования являлось обоснование и разработка компоновочно-конструктивных схем самонапорных ярусных систем капельного орошения растений. Все возрастающий дефицит и повышение стоимости электрической энергии и потребляемой при орошении пресной воды побуждает специалистов-«орошенцев» к поиску и использованию в оросительных системах альтернативных источников энергии и максимальному уменьшению потребления при орошении водных ресурсов. В процессе научного поиска и решения указанной задачи была выдвинута идея о возможности использования в капельных, как наиболее низкоресурсных, оросительных системах вместо сетевой или автономно генерируемой электрической энергии гидроэнергетического потенциала рельефных условий местности. Выдвинутую идею предложено реализовать в частично или полносамонапорных системах капельного орошения, устраиваемых в пределах склоновых или склоново-равнинных ландшафтов с вышерасположенным относительно орошаемых угодий водным объектом, который используется в качестве источника орошения. В таких системах в качестве энергетического движителя, обеспечивающего функционирование технологического оборудования системы, используется напор, образующийся в трубопроводной сети за счет положительного перепада отметок местности между уровнем воды в водоисточнике и поверхностью земли на орошаемом участке. В результате исследований разработаны и предложены компоновочно-конструктивные решения основных элементов самонапорных капельных систем орошения (водозаборного, напорообразующего узла, участков капельной оросительной сети) и оросительной системы в целом, которая предусматривает орошение ярусно располагаемых участков (на разносклоновых или склоново-равнинных земельных участках), питающихся водой из одного напороаккумулирующего трубопровода.

Ключевые слова: капельное орошение, капельные системы орошения, самонапорная система, напорообразующее сооружение, компоновка капельной системы.

Annotation

The aim of the research was to justify and develop the layout- constructive schemes for gravity layer systems of drip irrigation of plants. The ever increasing deficit and the rise in the cost of electricity and fresh water consumed during irrigation induce the “irrigation” specialists to search and use alternative sources of energy in irrigation systems and to minimize the consumption of irrigation water resources. In the process of scientific search and solution of this problem, the idea of possibility of using hydropower potential of terrain conditions instead of the grid or autonomously generated electric energy in drip irrigation systems, as the most low-resource one, was put forth. The suggested idea is proposed to be implemented in partially or fully gravity drip irrigation systems, arranged within slope or slope-plain landscapes with a water source above the irrigated land that is used as a source of irrigation. In such systems, the pressure generated in the pipeline network is used as an energy propulsor that ensures the functioning of technological equipment of the system due to a positive transition in the points of the terrain between the water level in the water source and the ground surface in the irrigated area. As a result of the research, the layout-constructive solutions of the main elements of gravity drip irrigation systems (water intake, pressure generating unit, drip irrigation network sections) and the irrigation system as a whole have been developed and proposed, that provides irrigation of layer plots (on different-slope or slope-plain plots) consuming water from a single discharge head accumulative pipeline.

Key words: drip irrigation, drip irrigation systems, gravity system, pressure generating facility, drip system arrangement.

Сложившийся диспаритет цен на сетевую электрическую энергию или используемое для ее получения углеводородное топливо, с одной стороны, и сельскохозяйственную продукцию орошаемого земледелия, с другой стороны, приводит к массовому отказу сельхозпроизводителей от использования оросительных систем и известных средств искусственного полива посевов, посадок и насаждений. Отметим, что определенные сложности в обеспечении сельскохозяйственных угодий сетевой электрической энергией представляет их удаленность от мест ее генерации и энергораспределения. Отмеченная сложность транспортировки электричества усугубляется в предгорных районах в связи со сложностью рельефа и мелкоконтурным (малоплощадным) разноудаленным расположением орошаемых участков.

Указанные обстоятельства подвигли гидромелиораторов-«орошенцев» к поиску и использованию альтернативных источников энергии, обеспечивающих функционирование технологического оборудования оросительных систем [1]. В качестве такого источника энергии может использоваться гидроэнергетический потенциал территории, на которой создается оросительная система, т. е. положительный (в направлении подачи оросительной воды) перепад отметок местности между уровнем воды в источнике орошения и поверхностью земли на орошаемом участке. Использование перепада уровней воды между верховой и низовой частями общесистемной трубопроводной сети позволяет создавать в ней необходимый(ое) напор (давление), обеспечивающий(ее) функционирование технологического оборудования и поливных средств напорных «внешнеэнергонезависимых», или «энергосамодостаточных», оросительных систем.

Известны предложения по созданию самонапорных оросительных систем, под которыми понимаются оросительные системы, функционирующие за счет напора (давления), образующегося в их закрытой трубопроводной сети при положительном перепаде отметок между уровнем воды в водоисточнике и поверхностью земли на участке орошения. В зависимости от величины формируемого в трубопроводной сети напора (давления) различают полно- и частично самонапорные системы. Полносамонапорные оросительные системы являются «внешнеэнергонезависимыми», или «энергосамодостаточными», и функционируют только за счет собственного энергетического потенциала - напора, образованного в трубопроводной сети за счет использования рельефных условий местности. В частично самонапорных системах естественно формируемый «рельефно-перепадный» напор не в полной мере покрывает потребности технологического оборудования в напоре, дефицит которого восполняется устройством и работой напороповышающей насосной станции (установки).

Наряду с энергетической проблемой современные гидромелиораторы-«орошенцы» вынуждены решать проблему водосбережения - снижения затрат пресной воды при проведении оросительных мелиораций. Дефицит и высокая стоимость (системно повышающаяся во времени) водного ресурса привели ко все возрастающему применению (использованию) в ирригационной практике капельного способа (технологии) орошения растений, который обеспечивает минимум водопотребления [2-7].

Интегрирование известных решений по рациональному энерго- и водообеспечению оросительных мелиораций привело к идее создания самонапорных систем капельного орошения. При практической реализации идеи в современных условиях частного землевладения возникает проблема земельного ресурса - наличия свободных (не используемых в сельскохозяйственном производстве) и пригодных для капельного полива растений земель. Указанная проблема может быть решена при использовании склоновых и склоново-равнинных участков (садовых, виноградниковых или плантационных) угодий. С учетом «земельного вопроса» представляется перспективной разработка компоновочно-конструктивных решений самонапорных капельных систем с ярусным размещением орошаемых участков - самонапорных ярусных капельных систем орошения растений. Разработка компоновочно-конструктивных схем таких оросительных систем определена основной целью настоящего научного исследования.

Материалы и методы. Первоисточником научного исследования являются известные технические решения самонапорных оросительных систем поверхностного и дождевого орошения; апробированные, исследованные, построенные и используемые принудительно напорные системы капельного орошения; предложения по устройству ярусных оросительных систем. За основу при разработке компоновочно-конструктивных решений приняты известные проектные решения отдельных сооружений и устройств, составляющих самонапорные ярусные капельные системы: водозаборных узлов, бассейнов временного (суточного и более) аккумулирования (резервирования) оросительной воды, напорообразующих узлов (напорных бассейнов и напороаккумулирующих трубопроводов), блока водоподготовки (отстойников, бассейнов химической обработки воды, гидроциклонов, фильтров грубой и тонкой очистки поливной воды от физических загрязнителей), агрохимического узла устройств по подготовке поливных и дезинфицирующих растворов, капельной оросительной сети (магистрального, распределительного и поливных трубопроводов, капельниц), трубопроводной арматуры, приборов и средств контроля работы технологического оборудования и системы в целом и управления такой работой [8].

При адаптации известных предложений по самонапорным системам бороздового и дождевого орошения, принудительно напорным («насосным») капельным системам и системам орошения крутосклонных и предгорных земельных угодий и насаждений и их решений получены новые конструктивно-компоновочные решения полносамонапорных ярусных капельных систем орошения. В ряде предложенных схем использованы авторские разработки конструкций отдельных сооружений и схем оросительных систем. Интегрированное использование известных и авторских разработок позволило предложить компоновочно-конструктивные решения отдельных блоков, узлов, сооружений и системы капельного орошения в целом.

Результаты и обсуждение. В наиболее общем случае инженерно-технологическая составляющая самонапорной капельной системы орошения включает водозаборный и напороформирующий узлы, блок водоподготовки, агрохимический узел и оросительную сеть. Общекомпоновочная схема предлагаемой оросительной системы приведена на рисунке 1.

Источником орошения такой системы может быть предгорный или водораздельный участок реки, оросительно-обводнительный или оросительный канал, склоновый или водораздельный естественный или искусственный водоем. В зависимости от вида источника орошения разрабатывается компоновочно-конструктивное решение водозаборного узла гидротехнических сооружений. Примеры схем таких узлов приведены на рисунке 2.

Объем изымаемой из водного объекта оросительной воды за вегетационный период и расход водозабора определяются по результатам соответствующих воднобалансовых расчетов по орошаемому массиву и отдельно поливаемым участкам (поливным модулям) [9, 10].

Водозаборные гидротехнические узлы устраиваются самотечными в виде оборудованного затворами открытого (лоткового) или закрытого (трубчатого) одно- или двухниточного регулятора с соответствующим конструктивным оформлением входного оголовка (аванкамеры), выходного оголовка (арьеркамеры) и водотранспортирующих каналов.

самонапорный ярусный орошение разносклоновый

Рисунок 1. Общекомпоновочная схема полносамонапорной системы капельного орошения растений: 1 - источник орошения; 2 - водозаборный узел; 3 - подводящий канал; 4 - бассейн временного регулирования; 5 - напорный бассейн; 6 - напороаккумулирующий трубопровод; 7 - блок водоподготовки; 8 - агрохимический узел; 9 - концевой водосброс; 10 - водоприемник; 11 - участок капельного орошения

Рисунок 2. Схемы водозаборных узлов для самонапорной капельной системы: а - из предгорного участка реки (по патенту № 2606282); б - из оросительного канала; в - из склонового пруда

В зависимости от качества изымаемой из водного источника воды (ее физических, химических и микробиологических показателей) в состав водозаборного узла могут включаться устройства первичной обработки воды (отстойники или химрезервуары). А в зависимости от водности источника орошения в составе водозабора могут предусматриваться бассейны временномго резервирования определенных объемов воды. Изъятая посредством водозаборного узла сооружений из водного объекта вода транспортируется по канальному водоводу в напорный бассейн, или аванкамеру, напорообразующего узла капельной оросительной системы.

В общем случае напорообразующий узел включает напорный бассейн (аванкамеру) и напороаккумулирующий водовод (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема напорообразующего узла для самонапорной капельной системы

Напорный бассейн, или аванкамера, напорообразующего узла предназначен для самотечной и регулируемой подачи воды во входной оголовок напороаккумулирующего трубопровода и может быть выполнен одно- или двухкамерным в соответствии с примерами конструктивно-компоновочных схем, приведенными на рисунке 4.

При необходимости в напорных бассейнах могут предусматриваться устройства для очистки воды от плавника и донных, влекомых водным потоком наносов с последующим отводом загрязнителей за их пределы.

Рисунок 4. Примеры конструктивных решений аванкамер и входных оголовков напороаккумулирующих водоводов: а - однопролетная схема; б - двухпролетная схема; 1 - подводящий канал; 2 - аванкамера; 3 - разделительный бык; 4 - пазы ремонтных шандоров; 5 - сороудерживающая решетка; 6 - водоприемные камеры; 7 - винтовой подъемник; 8 - щит; 9 - напорная стенка; 10 - напорный трубопровод

Из напорного бассейна вода при соответствующем регулировании ее расходов самотеком поступает в напороаккумулирующий(е) водовод(ы), прокладываемый(е) по максимальному уклону склона. Размеры поперечного сечения трубопровода(ов) и потери напора в нем (них) определяются гидравлическим расчетом по рекомендациям, приведенным в справочниках [11-14].

В зависимости от рельефных условий по трассе напороаккумулирующего трубопровода и расположения отдельных орошаемых участков в водоводе предусматривается устройство водоотводов (см. рисунок 3).

Из напороаккумулирующего трубопровода вода посредством трубчатых водовыпусков под напором подается в узлы водоподготовки. Станции водоочистки в зависимости от вида, размера и количества содержащихся в воде минеральных, химических и микробиологических загрязнителей комплектуются набором гидроциклонов, резервуаров химической обработки воды, зернистых фильтров крупной очистки и дисковых, сетчатых или картриджных фильтров тонкой очистки воды. К настоящему времени разработан широкий спектр конструкций блоков водоочистки и фильтровальных станций и составляющих их элементов по очистке воды. Подбор соответствующих комплектов водоочистного оборудования осуществляется по его расходно-напорным характеристикам и по виду подлежащих задержке и утилизации загрязняющих поливную воду веществ [8].

Из блока водоподготовки поливная вода транспортируется в магистральный трубопровод оросительной сети, а при необходимости подачи в систему удобрительных или дезинфицирующих растворов подается в агрохимический узел. Конструкции раствороподготовительного узла и его отдельных элементов выпускаются индустриально, в связи с чем в задачу пользователя входит грамотный подбор оборудования по его расходно-напорным и концентрационным показателям [4, 8].

Оросительная сеть участков капельного орошения проектируется в соответствии с имеющимися разработками с корректировкой ее параметров, расположения и размеров составляющих ее элементов с учетом уклонных, форменных и размерных характеристик орошаемых участков. При разработке компоновочно-конструктивных схем размещения магистрального, распределительного и поливных трубопроводов кроме морфометрических параметров участков учитывают фенологические требования и землеустроительные условия каждого яруса капельной системы. При проектировании используется модульный принцип компоновки оросительной сети и рассматриваются продольные и поперечные схемы расположения поливных линий. Примеры компоновочно-конструктивных решений пятигектарных оросительных модулей, рекомендуемых к использованию на разноуклонных орошаемых участках, приведены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Пример компоновки капельной оросительной сети на орошаемых участках с поперечным относительно уклона расположением поливных линий: 1 - распределитель первого порядка; 2 - узел водораспределения; 3 - распределитель второго порядка; 4 - поливной распределительный узел; 5 - ороситель; 6 - водовыпуск в капельную линию; 7 - капельные линии; 8 - капельницы; 9 - заглушки капельных линий; 10 - заглушки оросителей

При разработке компоновочно-конструктивных решений оросительной сети осуществляются обоснованный (с учетом видов и характеристик возделываемых при орошении культур) выбор капельниц (по их расходно-напорным параметрам) и подбор капельных линий с определенным количеством питающихся из них капельных микроводовыпусков и определенным их расположением. При установлении протяженности капельных линий (трубок и лент) и схем их расположения учитываются конфигурация и размеры орошаемого участка и уклоны поверхности земли. При выборе и конструировании капельных линий гидравлическим расчетом определяется их диаметр и потери напора по длине. Обязательным условием подбора параметров капельных линий является обеспечение регламентной равномерности подачи воды питающимися из них капельницами. При компоновке и конструировании оросительных сетей решается многовариантная оптимизационная технико-экономическая задача.

Рисунок 6. Пример компоновки капельной оросительной сети на орошаемых участках с продольным относительно уклона расположением поливных линий: 1 - распределитель первого порядка; 2 - узел водораспределения; 3 - ороситель; 4 - водовыпуск в капельную линию; 5 - капельные линии; 6 - капельницы; 7 - заглушки капельных линий; 8 - заглушки оросителей

По результатам и материалам компоновочно-конструктивных решений отдельных блоков капельной системы формируются конкурирующие варианты устройства технологического оборудования всей полносамонапорной ярусной системы капельного орошения в целом (рисунок 7).

Рисунок 7. Пример компоновочно-конструктивного решения полносамонапорной ярусной системы капельного орошения

В зависимости от конкретных природных (рельефных, почвенных, фенологических и др.) условий местности возможны различные компоновочно-конструктивные решения полносамонапорных ярусных систем капельного орошения, выбор которых осуществляется соответствующим технико-экономическим обоснованием.

Выводы

1 В настоящее время и в ближайшей обозримой перспективе прогнозируется широкое применение полносамонапорных ярусных капельных систем орошения, имеющих ряд очевидных достоинств. Такие системы являются энергосамодостаточными (не предусматривают применение насосно-силового оборудования), маловодоресурсопотребляющими (по сравнению с другими способами орошения) и позволяют использовать в орошаемом земледелии разносклоновые угодья, что повышает их технико-экономические показатели и инвестиционную привлекательность.

2 Обязательным условием создания полносамонапорных капельных систем орошения (а следовательно, и ограничением по применению) является наличие положительного геодезического перепада отметок между вышерасположенным источником орошения и орошаемым участком, достаточного для создания в трубопроводной сети избыточного напора, обеспечивающего регламентное функционирование технологического оборудования системы капельного орошения растений.

3 Полносамонапорные системы капельного орошения от применяемых принудительно напорных отличают их независимость от внешних (сетевых или автономных) источников энергии, наличие напорообразующего блока и отсутствие насосной станции.

4 Предложенные компоновочно-конструктивные решения капельных систем предусматривают орошение ярусно располагаемых орошаемых участков (на разносклоновых и (или) склоново-равнинных земельных участках), питающихся из одного напороаккумулирующего трубопровода.

5 Приведенные в статье схемы устройства полносамонапорных ярусных капельных систем, их блоков, узлов и отдельных элементов позволяют использовать их при проектировании таких систем, но не исключают их дальнейшее развитие, совершенствование и адаптацию к конкретным природным условиям территории их создания и использования.

Список использованных источников

1 Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография. В 2 ч. Ч. 2 / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 307 с.

2 Шумаков, Б. Б. Капельное орошение / Б. Б. Шумаков // Оросительная система в хозяйстве. - М.: Колос, 1975. - С. 9-18.

3 Шумаков, Б. Б. Теоретические и экспериментальные исследования капельного орошения / Б. Б. Шумаков, А. А. Алексашенко, Н. И. Вдовин // Вестник сельскохозяйственной науки. - 1978. - № 7. - С. 82-92.

4 Ясониди, О. Е. Капельное орошение / О. Е. Ясониди. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 322 с.

5 Бородычёв, В. В. Современные технологии капельного орошения овощных культур / В. В. Бородычёв. - Волгоград: Инлайт, 2010. - 242 с.

6 Овчинников, А. С. Конструктивные особенности систем капельного и внутрипочвенного орошения / А. С. Овчинников, М. П. Мещеряков, В. С. Бочарников // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - Волгоград, 2007. - № 1(15). - С. 54-56.

7 Bowen, J. Drip irrigation may bring considerable benefits by the grower / J. Bowen // Agribusiness worldwide. - 1986. - Vol. 8, № 5. - P. 28-29.

8 Васильев, С. М. Технические средства капельного орошения: учеб. пособие / С. М. Васильев, Т. В. Коржова, В. Н. Шкура. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2016. - 197 с.

9 Ольгаренко, В. И. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем / В. И. Ольгаренко, Г. В. Ольгаренко, В. Н. Рыбкин; под ред. В. И. Ольгаренко. - Коломна, 2006. - 391 с.

10 Новикова, И. В. Нормирование водопотребности сельскохозяйственных культур / И. В. Новикова, Г. А. Сенчуков, В. Н. Шкура; НИМИ Донского ГАУ. - Новочеркасск, 2014. - 94 с.

11 Мелиорация и водное хозяйство. Сооружения. Строительство: справочник / под ред. А. В. Колганова, П. А. Полад-заде. - М.: Экост, 2002. - 601 с.

12 Киселев, Н. Г. Справочник по гидравлическим расчетам / Н. Г. Киселев. - М.: Госэнергоиздат, 1950. - 340 с.

13 Справочник по гидравлике / В. А. Большаков, Ю. М. Константинов, В. Н. Попов, В. Ю. Даденков; под ред. В. А. Большакова. - Киев: Высш. шк., 1977. - 280 с.

14 Скобельцын, Ю. А. Методика гидравлического расчета систем капельного орошения / Ю. А. Скобельцын, Е. В. Кузнецов // Тр. КСХИ. - Краснодар, 1982. - Вып. 224(272). - С. 3-12.

Размещено на Allbest.ru