Для устойчивого развития различных видов хозяйственной деятельности на современном этапе социально-экономического развития, как свидетельствуют реалии, требуются новые технологии в процессах управления водными ресурсами и их использования. Установлено, что одним из основных водопотребителей является сельскохозяйственное производство на орошаемых землях.

Результаты проводимых исследований по использованию водных ресурсов в технологических процессах обводнительно-оросительных систем (ООС) свидетельствуют о необходимости применения системного и конвергентного подходов при совершенствовании используемых и создании новых технологий [1-4].

В результате анализа применяемых технологий использования водных ресурсов на ООС на примере Ставропольского края было установлено, что для обеспечения функциональной работы дождевальных машин (создания необходимого рабочего напора воды в закрытой оросительной сети (ОС) трубопроводов, обеспечивающего оптимальный режим дождевания) применяют стационарные или передвижные насосные станции (НС). Движение дождевальных машин обеспечивается дизель-генерирующими агрегатами, которые устанавливаются непосредственно на них.

Движение дождевальной машины кругового действия может осуществляться путем гидропривода, требующего дополнительного рабочего давления в подводящей системе трубопроводов. Оно обеспечивается НС с соответствующим расходом невозобновляемых ресурсов, низким КПД (0,30-0,35) и, соответственно, недостаточным уровнем экологической приемлемости (ЭП) используемой технологии, при этом ЭП является определяющим фактором экологической безопасности (ЭБ).

Совершенство технологии использования водных ресурсов определяется рядом системных показателей, наиболее важными из которых являются энергозатраты, функциональная возможность использования природных характеристик и расположение водоисточника в рассматриваемых пространственных пределах бассейновой геосистемы. Такой системно-методологичес-кий подход обуславливает рассмотрение ООС в составе природно-технической системы (ПТС)"природная среда - ООС - население" ("ПС - ООС - Н"), функционирующей в пространственных пределах бассейновых геосистем [5, 6]. Характерным примером являются ООС Большого Ставропольского канала (БСК) с суммарной площадью орошения 203,1 тыс. га, которые используют водные ресурсы Верхней Кубани до 2 км³/год.

На основе синтеза результатов проводимых исследований процессов взаимодействия природных составляющих компонента "природная среда" ("ПС") с техногенными составляющими компонента "ООС" и компонентом "Н" (население, проживающее в зонах влияния действующих ООС) было установлено отсутствие системного единства в рассматриваемых ПТС. Системное единство природных и техногенных компонентов и проживающего населения в исследуемых ПТС, как было установлено, базируется на принципах системной целостности, отражения объективной реальности, востребованности, экологической приемлемости, которыми управляет доминирующий принцип главенствующей роли целостности.

Принцип системной целостности на действующих ООС БСК обуславливается целостностью, имеющей свою внутреннюю структуру, которая включает в себя взаимосвязанные и взаимодействующие между собой компоненты ПТС "ПС - ООС - Н" в виде природных сред, различных типов сооружений, дождевальных машин и сопутствующих устройств для выполнения целенаправленных функций по использованию водных ресурсов на орошаемых землях и обводнению засушливых территорий.

Отражение объективной реальности на действующих ООС БСК выражается рациональностью использования геоморфологических характеристик в технологических процессах использования водных ресурсов, которые в определенной степени обуславливают совершенство используемой технологии, например при поливе дождеванием.

Востребованность ООС БСК в составе рассматриваемых ПТС "ПС - ООС - Н" определяется, с одной стороны, жизненно необходимыми потребностями "Н", а с другой стороны - обеспечением ЭП действующих ООС.

Принцип главенствующей роли целого в рассматриваемых ПТС определяется процессами неотъемлемой взаимосвязи компонентов данной системы с природными компонентами, под воздействием которых происходят естественные процессы формирования водного стока в пространственных пределах рассматриваемой бассейновой геосистемы (в данном примере Верхней Кубани ( = 113300 км³), водные ресурсы которой используются на ООС БСК). Техногенная составляющая принципа главенствующей роли целого в функционировании ООС в составе ПТС является последующим системным звеном практического использования водных ресурсов на орошаемых землях. Исследованиями установлено, что техногенная составляющая находится в полной зависимости от функциональных, конструктивных характеристик ООС и уровня ее ЭП, при этом важными показателями являются ресурсоемкость и энергоэффективность используемой технологии полива и обводнения территории [7].

Системное изучение функциональных и конструктивных характеристик ООС и уровня ее ЭП выявило определенные противоречия между естественными процессами формирования водных ресурсов и технологиями их использования на орошаемых землях. Эти противоречия обусловливаются недостаточным уровнем ЭП в части ресурсной и энергетической эффективности. Следовательно, для повышения уровня совершенства технологии использования водных ресурсов на ООС требуется повышение уровня ЭП.

В связи с этим целью настоящих исследований являлось моделирование использования энергетического потенциала водных ресурсов ООС (на примере деривационной оросительной системы в пределах предполагаемой к строительству V очереди БСК).

Материалы и методы. На основе системного анализа с использованием конвергентного и системного подходов к оценке влияния ЭП функциональных и конструктивных характеристик ООС в пределах рассматриваемой территории было определено направление совершенствования технологии использования водных ресурсов на орошаемых землях.

Это направление связано с применением принципов "природоподобия", представляющих собой своеобразную "копию" природных систем по преобразованию форм энергии с тенденцией снижения роста энтропии. Применительно к ООС БСК "природоподобие" выражается в использовании потенциальной энергии водного потока в технологии использования водных ресурсов. Так, перспективным является использование малых и микроГЭС для реализации внутрисистемного энергетического потенциала ООС и выработки электрической энергии [8-10].

При решении практических задач использования принципов "природоподобия" для совершенствования технологии использования водных ресурсов на ООС возникла необходимость в моделировании процессов функционального взаимодействия ООС с природными средами в составе ПТС "ПС - ООС - Н". Такие модели могут иметь различные виды, от чисто физических при исследовании процессов взаимодействия различных типов гидротехнических сооружений (ГТС) с водным потоком до чисто математических при моделировании различных вариантов технологических схем функционирования ООС.

Результаты и обсуждение. В целях автоматизации модельных расчетов деривационной оросительной системы (горной или предгорной зоны) с использованием малой или микроГЭС авторами разработана программа для ЭВМ. В качестве примера была рассмотрена математическая модель варианта "водозабор из БСК-V - орошаемый участок на площади 3106 га" с применением для орошения дождевальных машин кругового действия, для функционального движения которых авторами предложено использовать микроГЭС мощностью 10-15 кВт. Они устанавливаются непосредственно на дождевальную машину (рисунок 1) и используют потенциальную энергию водного потока в подводящем трубопроводе, возникающую за счет разницы отметок между водоисточником (каналом) и гидрантом дождевальной машины.

1 - подводящий напорный трубопровод; 2 - микроГЭС; 3 - дождевальная машина

Рисунок 1 - Схема компоновки дождевальной машины кругового действия с микроГЭС

На рисунке 2 представлена расчетная схема рассмотренной деривационной оросительной системы с орошаемым участком площадью 3106 га в Петровском районе Ставропольского края, где водоисточником является оросительный канал (БСК-V).

Рисунок 2 - Расчетная схема орошаемого участка площадью 3106 га в Петровском районе Ставропольского края (пос. Горный)

Расчеты проводились с использованием разработанной программы для ЭВМ в следующем порядке. В область исходных данных программы (рисунок 3) вводятся значения площади оросительной системы , га, начального напора , м, расхода дождевальной машины , л/с, мутности оросительной воды , т/м³ ( = 0,0004 т/м³), средневзвешенной крупности наносов , мм/с (принимается в пределах = 2,9…8,0 мм/с). После ввода исходных данных определяется количество дождевальных машин, которое округляется до целого числа (, шт.). Далее расчет производится в табличной форме (рисунок 4). В программу вводятся наименование участков трубопроводов (графа 1), их длина (графа 2), отметки верхнего (графа 4) и нижнего (графа 5) участков трубопроводов. После этого в программе выполняется расчет по нижеприведенным зависимостям.

Рисунок 3 - Область ввода исходных данных

Расход воды дождевальной машины зависит от количества тележек (секций) и почвенных условий орошаемых земель. По расходу одной дождевальной машины , м³/с, определяется суммарный расход всех дождевальных машин , м³/с:

,

где - количество дождевальных машин, шт.

Далее проводится поочередный расчет участков, начиная с участка 1-2 (рисунок 4).

После введения данных о длине подводящего магистрального трубопровода , м (графа 2), а также отметках верхнего и нижнего участков магистрального трубопровода (графы 4 и 5) по их разнице определяется перепад на участке подводящего магистрального трубопровода , м (графа 6).

Предварительный диаметр трубопровода , мм (графа 7), вычисляется по зависимости:

.

В графу 8 таблицы вводится стандартный диаметр трубопровода , мм, принимаемый по ГОСТ 18599-2001, ГОСТ 10704-91 в зависимости от материала трубопровода.

энергетический потенциал водный ресурс деривационный оросительный

Рисунок 4 - Область расчета напоров для работы микроГЭС на деривационной оросительной системе

Фактическая скорость , м/с, определяется по формуле:

,

где - суммарный расход всех дождевальных машин, м³/с;

- стандартный диаметр трубопровода, м.

Далее определяется коэффициент гидравлического сопротивления (по СП 40-02-2000):

,

где - число подобия режимов течения воды, определяется по зависимости:

;

- число Рейнольдса фактическое:

,

где - фактическая скорость, м/с;

- кинематическая вязкость, м²/с;

- число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений при турбулентном движении воды:

,

где - коэффициент эквивалентной шероховатости, м.

Далее проводится проверка трубопровода на заиление.

Определяется критическая скорость, при которой заиляется трубопровод, , м/с. Для этого в блок исходных данных (рисунок 4) вводится средняя гидравлическая крупность наносов и мутность оросительной воды:

,

где - средневзвешенная гидравлическая крупность наносов (скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде), мм/с;

- ускорение свободного падения, м/с²;

- мутность оросительной воды, т/м³.

Сравниваем фактическую скорость с критической, при этом должно соблюдаться соотношение > .

Потери напора на единицу длины трубопровода , м (графа 13), без учета местных сопротивлений определяются исходя из условия:

,

где - гидравлический уклон, определяющий потерю напора на единицу длины трубопровода; - средняя скорость движения воды в трубопроводе расчетного участка, м/с. Потери по длине трубопровода , м (графа 14), определяются следующим образом:

,

где - длина трубопровода (на расчетном участке), м.

Местные потери , м (графа 15), принимаются в пределах 10-15 % от потерь по длине:

.

Суммарные потери в трубопроводе , м (графа 16), составляют:

.

При наличии на участке микроГЭС на дождевальных машинах к суммарным потерям прибавляются потери напора на микроГЭС , м (графа 17):

,

где - общие потери напора в трубопроводе (с учетом микроГЭС), м.

Напор в конце расчетного участка трубопровода определяется по формуле:

,

где - напор в конце участка трубопровода, м;

- отметка конца участка трубопровода, м;

- напор в начале участка трубопровода, м.

Далее аналогичным образом проводится последовательный расчет для каждого участка трубопровода. В графе 18 таблицы рассчитываются значения напора воды в конце каждого участка трубопровода оросительной системы. По полученным значениям напора устанавливается окончательный диаметр подводящего трубопровода. В случае, если напор на дождевальной машине меньше расчетного, необходимо увеличить диаметр подводящего трубопровода (и соответственно уменьшить суммарные потери напора воды в трубопроводе).

Для обеспечения допустимого рабочего давления при работе дождевальной машины рекомендуется установка регулятора давления, который размещается последовательно на подходящем трубопроводе к микроГЭС и дождевальной машине.

В результате использования разработанного алгоритма расчета и программы для ЭВМ было проведено многовариантное моделирование использования водных ресурсов на примере предполагаемой к строительству V очереди БСК (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты расчетов математической модели варианта "водозабор из БСК-V - орошаемый участок на площади 3106 га"

Анализ математической модели гидравлического расчета деривационной ОС на площади 3106 га (на БСК-V в Петровском районе Ставропольского края) с учетом рельефа орошаемого участка выявил разницу рабочего давления на выходных гидрантах дождевальных машин. Расчетами установлено, что рабочее давление на выходных гидрантах превышает на 1,5-4,0 атм необходимое (минимальное) давление для работы дождевальной машины.

Выводы

1 Необходимость развития использования малых и микроГЭС для реализации внутрисистемного энергетического потенциала водных ресурсов деривационных оросительных систем обусловлена перспективами снижения затрат на электроэнергию в сельскохозяйственном производстве и, соответственно, цен на продукты растениеводства за счет обеспечения полученной электроэнергией дождевальной техники, насосных станций, средств связи, автоматизации и прочих внутрисистемных объектов. Кроме того, сравнительно низкая себестоимость отпускаемой электроэнергии (1,80-2,40 руб. / (кВт·ч)) обуславливает целесообразность и эффективность применения малых и микроГЭС на ООС горных и предгорных районов.

2 В результате исследований определен порядок проведения модельных расчетов использования энергетического потенциала водных ресурсов деривационной оросительной системы и разработана программа для ЭВМ.

3 На примере ООС Ставропольского края рассмотрена возможность получения электроэнергии с использованием малых или микроГЭС для обеспечения потребностей в энергоснабжении дождевальной техники.

По результатам расчета деривационной оросительной системы на площади 3106 га (в Петровском районе Ставропольского края), где возможно размещение 42 дождевальных машин (кругового действия), можно заключить, что по варианту размещения микроГЭС на каждой дождевальной машине потребуется 42 микроГЭС мощностью 10 кВт (каждого гидроагрегата) (суммарная мощность составит 420 кВт).

По второму варианту с размещением малой ГЭС на подводящем магистральном трубопроводе потребуется установка двух генерирующих агрегатов, включая один аварийный (запасной), мощность каждого из них составит 450 кВт (с учетом потерь напора на гидроагрегатах).

Список использованных источников