Розробка технології меліорації забруднених радіонуклідами грунтів внесенням меліорантів у суспензійному стані

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка технології меліорації забруднених радіонуклідами грунтів внесенням меліорантів у суспензійному стані

Відновлення родючості грунтів, порушених виробничою діяльністю людини, в тому числі таких, що зазнали дегуміфікації, фізичної, хімічної деградації та забруднених радіонуклідами, потребує проведення компенсаційних заходів. Особливої уваги для поліпшення агроекологічного стану цих грунтів заслуговує використання меліорантів. Як відомо, меліоранти вносять в грунти з низьким вмістом гумусу (біогумус), в кислі та лужні грунти (вапно, гіпс), в низинні торфовища (супісок, глину), в грунти забруднені радіонуклідами - сорбенти (суглинки, мергель, туфи та ін). Норми внесення названих меліорантів коливаються в межах від 10 до 400 т/га, а основним способом їх внесення є поверхневий розкид з наступною оранкою (С.Т.Вознюк, Г.А.Мазур, Д.В.Лико, М.Й.Шевчук, А.В. Гурин).

Більш екологічним і економічним зарекомендував себе спосіб внесення меліорантів і сорбентів в грунти у вигляді розчинів та суспензій з використанням спеціальних машин типу: АВВ-Ф-2,8; РЖТ-8; РЖТ-16; МВМ-10. Проте в останні роки встановлено, що у названих машин виявлені істотні недоліки, а саме: в них відсутні ефективні системи розмиву та перемішування меліорантів.

Поряд з цим встановлено, що приготування меліорантів (розмив та перемішування в ємності) для внесення в рідкому стані характеризується складними явищами: широким діапазоном величини вихідного матеріалу; стисненими умовами падіння часток і, як результат, механічною взаємодією між ними; турбулентним характером руху потоку та нерівномірністю його поля швидкостей (М.Д. Бардский, Л.Г.Подкосов, Б.В.Кізельватор, Г.Н.Абрамович, І.М.Коновалов, О.Я.Олійник, О.А.Сиротинський, М.І Ромащенко). При цьому слід зауважити, що сучасний машинно-тракторний парк, за винятком машин АВВ-Ф-2.8 та МВМ-10, нездатний реалізовувати технології одночасного приготування та внесення деяких меліорантів в грунти на різну глибину.

Невирішеними залишаються питання обгрунтування складу меліорантів, які потрібно вносити в грунти, забруднені радіонуклідами, з урахуванням показників їх агроекологічного стану.

У зв'язку з цим, виникає потреба в розробці нової технології внесення меліо- рантів, яка включає визначення складу сумішей меліорантів, ефективний їх розмив, транспортування до поля та внесення суспензій в грунти на різну глибину. Особливої уваги при цьому заслуговує вивчення технологічних процесів, параметрів технології приготування та внесення суспензійно-колоїдних меліорантів, а також розробка пристроїв розмиву. Названа проблема є актуальною і має важливе народногосподарське значення для України, оскільки нова технологія дасть змогу з більшим ефектом проводити відновлення родючості грунтів, в тому числі забруднених радіонуклідами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження виконувались за програмою ДКНТ, розділ 5.1. "Роль органічної речовини грунту та поживних елементів в закріпленні та міграції радіонуклідів в системі грунт - рослина" за держбюджетною темою "Теоретичні аспекти використання місцевих меліорантів для відтворення родючості грунтів, забруднених радіонуклідами", державний реєстраційний номер 0138 V 002929 та планами наукових досліджень Рівненського державного технічного університету.

Мета і завдання досліджень. Мета досліджень полягає в розробці технології меліорації земель, забруднених радіонуклідами, яка передбачає обгрунтування складу меліорантів, розробку пристрою та встановлення технологічних параметрів їх приготування і внесення.

Виходячи з названої мети, програмою досліджень передбачалось вирішення наступних завдань:

-розробки математичних моделей прогнозування вмісту радіоцезію та коефіцієнтів переходу його до сільськогосподарських культур;

-обгрунтування методики визначення потреб та складу меліорантів з урахуванням грунтових відмін, рівня їх родючості та забруднення радіонуклідами;

-вивчення властивостей меліорантів та розробка шкали комплексної оцінки місцевих меліорантів;

-дослідження і визначення технологічних параметрів процесу приготування багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані;

-дослідження та визначення гідравлічних і технічних параметрів гідромеханічного обладнання системи розмиву;

-визначення техніко-економічної ефективності використання модернізованої машини для приготування та внесення суспензійно-колоїдних меліорантів.

Об'єктом дослідження є сільськогосподарські угіддя, забруднені радіонуклідами, способи та засоби їх меліорації.

Предметом дослідження є технологія поліпшення меліоративного стану грунтів, забруднених радіонуклідами, шляхом внесення меліорантів у суспензійному стані.

Методи досліджень. При виконанні роботи використовували польові, лабораторні, модельні, аналітичні, теоретичні методи досліджень та методи математичного моделювання, дисперсійного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше обгрунтовано методику визначення потреб та складу меліорантів для поліпшення меліоративного стану грунтів, забруднених радіонуклідами, з урахуванням основних показників їх родючості та коефіцієнтів переходу радіоцезію до сільськогосподарських культур.

Розроблена та запропонована методика комплексної оцінки місцевих меліорантів.

Визначені технологічні параметри процесу приготування багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані та гідравлічні і технічні параметри гідромеханічного обладнання модернізованої машини.

Модернізація машини МВМ-10 здійснена за рахунок удосконалення системи розмиву та розробленого пристрою для приготування суспензійно-колоїдних меліорантів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена методика розрахунку коефіцієнтів переходу цезію-137 до сільськогосподарських культур за показниками родючості грунтів та встановлення потреб їх в меліорантах. Розроблена шкала оцінки потреб грунтів в меліорантах та шкала кількісної та якісної оцінки місцевих меліорантів. Запропонований пристрій для розмиву меліорантів. Розроблена технологія поліпшення меліоративного стану грунтів, в тому числі забруднених радіонуклідами, яка передбачає обгрунтування складу меліорантів, їх приготування та внесення в суспензійно-колоїдному стані.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь в аналізі літературних і фондових матеріалів, у проведенні польових, лабораторних, аналітичних досліджень, а також у проведенні статистико-математичних аналізів результатів досліджень.

Основні наукові положення, розроблені моделі, методики та висновки отримані і сформульовані дисертантом. Патент на пристрій отриманий в співавторстві.

Апробація роботи. Основні результати та положення дисертації доповідались, обговорювались на конференції “Проблеми гідромеліорації в Україні” (м. Дніпропетровськ, 1996); на 5 міжнародному з'їзді грунтознавців та агрохіміків, Україна, м. Рівне, 1998; на науково - практичних конференціях (м. Рівне, 1997,1998,1999р.2000 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових робіт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури 163 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 184 сторінки. Текстова частина ілюструється 35 рисунками і 35 таблицями

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульована мета і завдання досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Приводяться дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів дослідження.

У першому розділі здійснено аналіз і висвітлено стан проблем агроекологічного стану осушених дерново-підзолистих грунтів Полісся. Встановлено, що ці грунти характеризуються рядом несприятливих для ведення сільського господарства властивостей: строкатістю за складом, низьким вмістом гумусу (0,4...2,2%), високою кислотністю, ненасиченістю основами, низьким вмістом загальних та рухомих форм азоту, фосфору, калію, низькою біологічною, ферментативною активністю, несприятливими водно-фізичними, фізичними властивостями ( Т.Н. Кулаковська, А.М. Грінченко, А.А.Коротков, Б.А.Нікітін, М.О.Клименко, А.І.Скрипник, М.О. Лазарчук, Т.А. Грінченко, Г.А.Мазур, Д.В.Лико, Л.Ф.Кожушко, С.І.Веремеєнко, А.С. Меєровський, А.М. Ликов, І.С. Кауричев, О.І. Тишенко, Б.С. Пристер).

Після катастрофи на ЧАЕС внаслідок забруднення грунтів радіонуклідами, агроекологічний стан грунтового покриву став нерідко катастрофічним. На значних площах сільськогосподарських угідь стало неможливим отримання чистої від радіонуклідів продукції та значно зріс ризик внутрішнього опромінення населення.

У відповідності з цим, виникає потреба в розробці нової технології меліорації деградованих дерново-підзолистих грунтів Полісся, яка передбачала б одночасне підвищення родючості цих грунтів, поліпшення їх агроекологічного стану та отримання екологічно чистої продукції.

Показано, що поліпшення агроекологічного стану деградованих грунтів в короткі проміжки часу можливо досягти за рахунок внесення в ці грунти багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані. При цьому склад багатокомпонентних меліорантів повинен повною мірою враховувати і підбиратись у відповідності до показників родючості грунтів та рівнів їх забруднення радіонуклідами. Підготовку та внесення сумішей меліорантів доцільно здійснювати машинами, які мають досконалі системи розмиву та приготування суспензій.

В другому розділі приводяться методики проведення польових та модельних дослідів. Польовий дослід закладений на землях КСП “Україна” Лугінського району Житомирської області по схемі:1.Без добрив (контроль);2.N90 P90 K90; 3.N90 P180 K180 (фон); 4.Фон + 100 т/га суглинку; 5.Фон + 100 т/га суглинку +30 т/га торфу; 6.Фон + 100 т/га суглинку + 60 т/га гною; 7.Фон + 100 т/га суглинку + 60 т/га гною + 3 т/га вапна. Посівна площа складала 60 м2, облікова - 42 м2, повторність трикратна.

Виробничий польовий дослід закладено в 1997 році за схемою: 1.Без добрив (контроль); 2. N90 P90 K90 (норма, яка вноситься у виробництві); 3. N90 P180 K180 (фон); 4. Фон + 100 т/га суглинку; 5. Фон + 100 т/га 30% суспензії суглинку; 6. Фон + 100 т/га 30% суспензії суглинку та 10 % суспензії торфу. Посівна площа складала 100 м2, облікова - 80 м2, повторність трикратна.

На варіантах 1...4 мінеральні добрива та меліоранти вносилися на поверхню грунту машиною РУМ-5. На 5…6 варіанті досліду меліоранти та мінеральні добрива вносились у стані суспензії підгрунтово на глибину 15 см машиною для внесення меліорантів МВМ-10. Після внесення меліорантів і мінеральних добрив проводили оранку грунту на глибину 22см та висівали сільськогосподарські культури. В дослідах вирощувались: озима пшениця сорту "Миронівська - 808", кукурудза сорту "Дніпропетровська", картопля сорту "Луговська", віко-вівсяна суміш сортів "Білоцерківська" та "Чернігівська - 83".

В польовому досліді проводились комплексні спостереження та вивчення складу і властивостей грунтів, велись агрохімічні, радіоекологічні дослідження з використанням типових методик (Є.В.Аринушкін, А.Ф.Вадюнін, З.А.Корчагін). Облік врожаю проводили методом суцільного обрахування, математичний обробіток результатів дослідів виконувався методом дисперсійного та кореляційного аналізу по Б.А. Доспехову, розрахунки залежностей проводились з використанням ПЕОМ.

Поряд з цим, нами проводилось узагальнення численних фондових матеріалів радіологічних лабораторій зональних станцій агрохімічних досліджень Рівненської, Житомирської та Волинської областей.

Визначення цезію-137 у грунтових і рослинних зразках проводилось згідно з методикою Укргідромету на стинциляційному гамаелектроаналізаторі та багато- канальному аналізаторі імпульсів Аі-1024-95. Для дослідження та моделювання про- цесів розмиву меліорантів була запроектована і виготовлена установка в масштабі 1:10 по відношенню до модернізованої машини МВМ-10М.

В третьому розділі приводяться дані встановлених моделей надходження радіонуклідів до сільськогосподарських культур, прогнозування заходів по зниженню їх міграційної здатності, наводяться характеристики меліорантів та встановлюється комплексний показник цінності місцевих меліорантів.

Дослідження надходження цезію-137 до сільськогосподарської продукції, проведені нами в Житомирській області, показали високу ефективність внесення мінеральних добрив та меліорантів. Так, при щільності забруднення дерново - підзолистого грунту до 4,7 Кі/км2 вміст цезію-137 складав: для віко -вівсяної суміші - 191,4 Бк/кг, кукурудзи на силос - 78,3 Бк/кг, картоплі - 34,8 Бк/кг. Внесення норми мінеральних добрив ( N90 Р90 К90 ) в цьому досліді забезпечувало істотне зниження вмісту цезію-137 у вико - вівсяній суміші і дещо понизило його вміст при вирощуванні кукурудзи на силос та картоплі. Розширення співвідношення між азотом N90 за рахунок внесення Р180 К180 також забезпечувало зниження вмісту цезію-137 у вико - вівсяній суміші до 82,4Бк/кг, кукурудзі - 48,3 Бк/кг та картоплі - 14,3 Бк/кг.

В дослідах найбільш ефективним було застосування багатокомпонентної суміші (суглинку, гною та вапнякових матеріалів) на фоні мінеральних добрив. На даному варіанті отримано найнижчий вміст цезію-137 в сільськогосподарських культурах. Так, вміст цезію-137 в порівнянні з контролем на цьому варіанті по вико - вівсяній суміші складав 19,5 Бк/кг, або знижувався в 9,8 рази, кукурудзі 14,2 Бк/кг, або зменшувався в 5,6 рази, картоплі - 4,2 Бк/кг, або знижувався в 8,2 рази.

На зниження вмісту цезію -137 в сільськогосподарських культурах позитивно впливало внесення меліорантів в суспензійному стані. Так, якщо в польовому досліді, при вирощуванні озимої пшениці на контролі вміст цезію-137 в зерні складав 88,7 Бк/кг, соломі 104,4 Бк/кг , то при внесенні 100т/га 30% суспензії суглинку на фоні мінеральних добрив знижувався до показників 9,8 та 15,4 Бк/кг відповідно. Підгрунтове внесення суспензії суглинку в поєднанні з мінеральними добривами та торфом забезпечило зниження вмісту цезію-137 в зерні до 12,4 Бк/кг, а в соломі до 17,6 Бк/кг, що майже в 2 рази нижче, ніж на варіанті з внесенням 100 т/га суглинку по фону мінеральних добрив на поверхню.

Встановлено, що залежність надходження цезію-137 до основних сільськогос- подарських культур від вмісту гумусу та фізичної глини в грунтах описується рівня- нням гіперболи, а залежність надходження цезію-137 до культур від глибини оглеє- ння - рівняннями параболи. Слід відмітити, що кореляційні відношення встановлених залежностей досить високі (0,75...0,98), а найвищі рівні переходу цезію-137 характерні для багаторічних трав, конюшини, льону. В умовах Полісся цезій-137 менше накопичується в зернових культурах, картоплі та зеленій масі кукурудзи.

Модель прогнозування коефіцієнту переходу цезію-137 для дерново-підзолистих автоморфних і гідроморфних грунтів Полісся розробляли на прикладі озимої пшениці, яка в структурі посівних площ займає домінуюче місце.В основу розробки моделі прогнозування коефіцієнту переходу цезію-137 в зерно озимої пшениці закладений метод множинного регресивного аналізу. Розрахунки за повними даними, коли аналізувались шість факторів, показали, що формула має вигляд:

f(х1…х6)=2,78501+0,03321х1+0,00655х2-0,41987х3+ 0,2004х4+04102х5+0,5663х6, (1)

де f - показник коефіцієнту переходу в діапазоні 0,1...0,99; х1х2х3х4х5х6 - значення показників родючості грунту: гумус, фізична глина, рН, СПО, Са2+, К+ відповідно min - низької та max підвищеної родючості.

Використання формули для розрахунку коефіцієнтів переходу цезію-137 в озиму пшеницю в діапазоні показників родючості дерново-підзолистих грунтів від високої до низької показало добре співпадання фактичних та встановлених показників коефіцієнтів переходу. Середнє значення похибки не перевищує значень 0,01802. Відхилення розрахованих за формулою значень коефіцієнту переходу від фактичних в 85% випадків не перевищує 2%.

Поряд з цим, враховуючи, що коли в орендних та фермерських господарствах можуть бути відсутні деякі показники родючості, нами отримані і запропоновані для практичного використання формули для визначення коефіцієнтів переходу цезію-137 в зерно озимої пшениці при неповних даних, які мають вигляд:

f (х1 х2 ) = 0,776 - 0,249 х1 + 0,0001 х2 , (2)

f (х1 х2 х3 ) = 2,884 + 0,0868 х1 + 0,0003 х2 - 0,442 х3 , (3)

f(х1 х2 х3 х4 ) = 2,864 + 0,087х1 + 0,0003х2 + 0,442 х3 - 0,000036 х4 , (4)

f (х1 х2 х3 х4 х5) = 3,024 + 0,098 х1 + 0,0122 х2 + 0,465 х3 + 0,013 х4 +0,439 х5 . (5)

Порівняння фактичних показників коефіцієнту переходу цезію-137 в зерно озимої пшениці та встановлених за формулами показало задовільне їх співпадання. Середня різниця між фактичними і розрахованими за формулами показниками коливається в межах від 0,00376 до 0,023, що не перевищує 3%.

Для прогнозування і планування заходів з метою зменшення переходу цезію в рослини нами пропонується модель обгрунтування складу меліорантів.

В основу моделі покладений принцип встановлення факторів родючості та генезису дерново-підзолистих грунтів, що сприяють максимальному надходженню радіоцезію і знаходяться в мінімумі. Розрахунок коефіцієнтів переходу цезію - 137 в озиму пшеницю рекомендується проводити за встановленими залежностями:

Таблиця

у = 0,940,48Н (6)	Н - вміст гумусу, %
у = 0,830,95ФГ (7)	ФГ - вміст фізичної глини, %
(8)	обмінна кислотність, рН
(9)	СПО - сума поглинутих основ, мг-екв на 100г грунту
(10)	Ca - вміст кальцію, мг на 100г грунту
(11)	К - вміст рухомого калію, мг на 100г грунту).

меліорація радіонуклід грунт

Оптимізації в першу чергу підлягають показники родючості, які знаходяться в першому, другому та третьому мінімумі, шляхом внесення відповідних меліорантів.

Природні меліоранти являють собою полідисперсні системи, в яких переважають мінеральні колоїдні системи (лес, лесовидні, покривні суглинки, зернисті фосфорити, мергелі, фосфогіпс) або органічні (торф, біогумус, сапропелі). Властивості мінеральних меліорантів визначають їх гранулометричний та мінералогічний склад, а органічних меліорантів - умови формування сапропелевих та торфових відкладів.

В складі лесу, покровних та лесовидних суглинків міститься 35...45% фізичної глини, 20...30% мулу та карбонати. Мергелі з вмістом 50% глинистих часток містять до 48% - СаО, 1,12% - МgО. Сапропелі містять від 6,2 до 27,4% органічної речовини сполук азоту (0,4...4,5%), фосфору (0,1...4,6%), кальцію (23...40) та калію (0,1...3,2%). Торфи багаті азотом (1,7...3,6%), містять фосфор, кальцій та калій. Зернисті фосфорити містять карбонати (21,5...48,8%), сполуки фосфору (3,28...7,98%), магнію та калію. В складі туфів переважають сполуки: SiО2; Аl2О3; Fе2О3 . Вміст СаО становить 4,4%, МgО - 8...9%, присутні сполуки калію, фосфору та натрію. Фосфогіпс - відходи виробництва фосфорних добрив. Він містить 70...75% гіпсу і від 2 до 3 % фосфору, має кислу реакцію.

Вивчення процесів розмиву меліорантів здійснювали на лабораторній установці. Дослідженнями встановлено, що час розмиву меліорантів залежить від тиску води в трубопроводі та від витрат води. Збільшення тиску та витрат води в системі супроводжується скороченням часу розмиву. Забезпечення часу розмиву в межах 10 - 15 хвилин стає можливим при підтримці тиску в системі в межах 0,6...1,2 атм або витраті води від 3 до 5 л/с.

Поряд з цим нами запропоновано здійснити технологічну інтегровану кількісну та якісну оцінку місцевих меліорантів за такими показниками: експлуатаційними, технологічними, економічними та екологічними.

Інтегральний комплексний показник визначаємо за формулою:

(12)

де Бсер - комплексний показник оцінки; m - бал і-того показника, m= (1, 2 , 3);

Бі - показник геометричної прогресії (0,2 ;1; 5);

n - число показників, за якими здійснюється оцінка комплексної дії меліорантів.

Побудова оціночної шкали базується на методі геометричної прогресії, при цьому збільшення балу відповідає поліпшенню комплексної дії меліоранту (складу та властивостей) (табл.1). Оцінку технологічних показників агроекологічної цінності місцевих меліорантів проводимо за критерієм згідно трибальної шкали, за умов, що найкращому показникові відповідає число 3.

Із табл.1 видно, що найвищий комплексний показник (кількісний від 7,3 до 12,9) мають такі меліоранти: сапропель, добре розкладений низинний торф, фосфорити зернисті, лес, лесовидний суглинок.

В четвертому розділі наводяться дані дослідження технологічних параметрів процесу приготування багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані, гідравлічних та технічних параметрів гідромеханічного обладнання системи розмиву, дається розрахунок, опис конструкторських та технологічних параметрів модернізо- ваної машини МВМ-10М і операцій по організації робіт з внесення меліорантів.

Математичні моделі для дослідження і визначення гідравлічних та технічних параметрів гідромеханічного обладнання машини МВМ-10М базуються на системі розмиву меліорантів і можуть бути представлені схемою пристрою розмиву (рис.1).

Запишемо рівняння зміни питомої механічної енергії між перерізами 1-1 і 3-3 відносно площини 0-0:

де Р1ман - манометричний тиск в перерізі 1-1,V1-середня швидкість потоку в перерізі 1-1, z і h - зображені на рис.1, hw(1-3) - втрати напору між перерізами 1-1 і 3-3, які для схеми рис.1 можна визначити за формулою:

hw(1-3)= hт +hп +hзн+ hм +hс +hр (14)

де hт - втрати напору по довжині трубопроводу, hп - втрати напору на повороті трубопроводу, hзн i hм - відповідно, втрати напору, що зумовлені зонтом та опором меліоранта, який лежить нижче глибини h, hс і hр - втрати напору в сітці та на розширення потоку при його виході в масу води із сітки.

Очевидно, що в початковий момент меліорант, який обмежений сіткою і розташований нижче глибини h, тобто лежить нижче зонта, буде розмиватися швидкістю потоку, який виходить із під зонта. Величина цієї швидкості залежить від конусно-циліндричної площі, Н-Н, що утворюється зонтом і кінцем трубопроводу (рис.2).

Площа перерізу Н-Н дорівнює: (15)

де dу - внутрішній діаметр напірного трубопроводу

Виразимо всі втрати напору через швидкість в перерізі Н-Н:

; (16) ; (17)

; (18) ; (19)

; (20) ; (21)

де ? - гідравлічний коефіцієнт тертя по довжині можна визначити за формулою Ф.А.Шевельова: ?=0,21/dу0,3 ; (22);

S1 - площа перерізу 1-1, м2 , Sc - площа сітчатого фільтра м2, n - шпарність сітки ; l - довжина трубопроводу, м , ?п - коефіцієнт місцевого опору різкого повороту на кут ?=900 з нішею дорівнює 1.2, ?зн - коефіцієнт гідравлічного опору зонта, залежить від гідравлічних параметрів потоку та геометричних параметрів зонта, для визначення величини ?зн потрібно виконати спеціальні дослідження, ?с - коефіцієнт гідравлічного опору сітки, залежить від конструкції та шпарності сітки, ?м - коефіцієнт гідравлічного опору грунту, є функцією фізико-механічних властивостей грунту та гідравлічних параметрів потоку, для визначення величини ?м потрібні спеціальні дослідження, ?р - коефіцієнт місцевого опору при розширенні струмин на виході із сітки, наближено його можна взяти рівним гідравлічному опору отвору ?р ”(0,05...0,06). Підставляючи вирази (16) - (22) в рівняння (13), одержимо формулу для визначення витрати, необхідної для початку розмиву меліоранта, що завантажений у ємність, яка утворена сітчатим фільтром:

(23),

де s - питома маса меліоранта в середньорихлому стані, перед початком розмиву,

? - густина води, ?ст - коефіцієнт витрати системи:

(24)

Оскільки від величини витрати Q залежить тривалість розмиву меліоранта, то зв'зок між параметрами, що впливають на тривалість розмиву можна встановити

методом теорії розмірностей : t = f (Q, W,?s, ?,Sc,, S0), (25)

де Q - витрата, W - об'єм меліоранта, ?s,- густина меліоранта, ? - густина води,

Sс - геометрична площа сітки, S0 -загальна площа отворів у сітці.

Візьмемо чотири основні величини: Q, W, ?, Sc,, і запишемо функцію (25) так:

f1 (t, Q,, W,?s, ?, Sc,, S0) =0 (26)

Згідно Пі-теореми з m розмірних параметрів можна скласти N безрозмірних комплексів: N= m-п (27)

де п - кількість основних величин (у нас п = 4).

Тоді маємо два безрозмірні комплекси:

; (28) (29)

Для того, щоб комплекс був безрозмірним, показники степенів при розмірних параметрах чисельника і знаменника були однакові.

Для П1 : ?sL3=L3х t-х ? у t z L2k

L: 3=3х+2k; ?: у =1; t: 0=-х+z.

Очевидно, що k=0, x=1, z=1. Тоді: ; (30)

Для П2: L2 = L3х t-x ? y t zL2k

L: 2=3x+2k; t: 0=-x+z; ?: 0=y.

Комплекс П2 буде безрозмірним, якщо х=z=0. Тоді k=1 і ; (31)

Бачимо, що П2 - це шпарність сітки. Отже ¦3(П1, П2)=0 (32)

Функціональна залежність (32) дозволяє виконати зв'язок між параметрами

функції (25) в такому вигляді: ; (33)

Швидкість на виході із зонта (переріз Н-Н) повинна бути достатньою для розмиву меліоранта, який знаходиться в рихлому стані. Враховуючи, що досліджень величин розмиваючих швидкостей грунтів, які знаходяться в рихлому стані немає, величину цієї швидкості Vн встановлювали дослідним шляхом.

Для визначення місцевих гідравлічних опорів ?зн ,?с ,?м , що входять в залежності (18) - (20) побудували в масштабі 1 : 10 модель системи, схема якої зображена на рис.1. Дослідження гідравлічних опорів виконували схемою "витікання під рівень". Витрату води визначали за допомогою протарованої діафрагми. Досліди виконувалися за способом накопичення гідравлічних опорів в наступній послідовності: визначили втрати напору в системі без зонта, сітчатого фільтра і меліоранта, дослідили втрати напору в системі із зонтом без сітчатого фільтра і меліоранта, визначили втрати напору в системі з зонтом і сітчатим фільтром, дослідили втрати напору в системі, що включає: зонт, сітчатий фільтр і меліорант.

Результати цих досліджень наведені на графіках у вигляді функції:

???¦?Q? де ?? - втрати напору, Q - витрата.

З метою спрощення гідравлічного аналізу втрати напору на кожному виді гідравлічного опору відносили до швидкісного напору на виході із трубопроводу, тобто:

?зн???зн/(v2/2g) (34), ?с???с/(v2/2g) (35), ?м???м/(v2/2g) (36)

Результати цих розрахунків наведені на графіках у вигляді функцій ?зі=f(Re),

де Re=Vdу/? - число Рейнольдса , що визначене за швидкістю потоку в трубопроводі

V= Q/Sтр , (37)

де ? - кінематичний коефіцієнт вязкості, =f(Тводи);

Sтр - площа внутрішнього перерізу трубопроводу.

Експериментальні дослідження показали, що регулювання витрат води в напірній системі в діапазонах від 0,5 до 9л/с забезпечує розмив меліорантів в часових проміжках від 1400 - 13 секунд. Так, якщо в системі розмиву при витраті води 2л/с час розмиву покровного суглинку складав 1405 с, фосфогіпсу 525 с, то при зростанні витрат води до 5л/с зменшувався до 824 і 200 с відповідно.

Дані досліджень засвідчують також, що за часом розмиву меліоранти формують зростаючий ряд: фосфогіпс, суглинки, торф, сапропелі. При чому різниця в часі розмиву меліорантів сягає до 5 разів. Поряд з цим спостерігається пряма залежність часу розмиву меліорантів від витрат води. Залежність має вигляд прямої, середньоквадратичне відхилення складає величини 1,02...0,013, а коефіцієнт кореляції 0,97...0,99, що характеризує зв'язок між названими величинами як тісний з наближенням до функціонального.

Поряд з цим, нами проведений аналіз порівнянь часу розмиву меліорантів в установці з величинами отриманими на моделях. Встановлено, що відхилення між величинами розрахованими і експериментальними не перевищує 40,6 - 1,3 с, що становить не більше 10%.

Для інтенсифікації процесу розмиву меліорантів пропонується здійснити модернізацію машини МВМ-10.

Модернізація машини МВМ-10 дасть можливість вирішити такі завдання:

підвищення ступеня ефективності розмиву меліорантів; зменшення часу розмиву твердої фази; приведення робочої суміші до оптимальної консистенції.

Для цього в модернізованій машині для внесення меліорантів МВМ-10М встановлений фільтр, який виготовлений у формі зрізаного конуса, всередині якого знаходиться трубопровід, що з'єднаний з напірною системою машини, трубопровід оснащений конусоподібним відбивачем-зонтом, внутрішня поверхня якого має струминонаправляючі дугоподібні ребра. Виконання фільтра у формі зрізаного конуса дасть змогу меліорантам під дією власної ваги без перешкод з боку стінок останнього поступово просідати, попадаючи тим самим в зону дії інтенсивного турбулентного розмивного потоку гвинтового характеру. (Зона А на рис.3)

З'єднання трубопроводу з напірною системою машини та оснащення його конусоподібним відбивачем - зонтом , внутрішня поверхня якого має струминонаправляючі дугоподібні ребра, дасть змогу створити інтенсивний турбулентний розмивний потік гвинтового характеру, що в свою чергу буде сприяти підвищенню показника ступеня розмиву меліорантів і мінеральних добрив та зменшенню часу розмиву твердої фази та приведення її до оптимальної консистенції.

Рівняння циклу роботи машини буде включати такі елементи:

Тц= (Тзав + Ттр + Твн +Тпов +То.п.с. + Троз + Тпром.ф. +Тз.в.) (38)

де: Тзав ; Ттр ; Твн; Тпов ; То.п.с.; Троз; Тпром.ф. ; Тз.в. - сумарний час відповідно на: завантаження меліорантів, транспортування, внесення, повороти, обробіток поворотних смуг, розмив, промивку фільтра, заправку водою, год.

Для аналізу факторів, що мають вплив на складові рівняння, покажемо складові часу циклу, як функції від параметрів агрегату і виробничих характеристик.

Сумарний час на завантаження прямо пропорційний об'єму цистерни, площі поля, дозі внесення меліорантів і обернено пропорційний продуктивності завантажувача. Величина Ттр - прямо пропорційна відстані транспортування, площі поля, дозі внесення меліорантів і обернено пропорційна швидкості транспортування. Складова Твн визначається площею поля, швидкістю внесення меліоранту та шириною захвату агрегата. Час на повороти залежить від габаритних та кінематичних характеристик агрегату, площі поля, довжини гону, робочої ширини захвату та швидкості на повороті. Величина То.п.с. - прямопропорційно залежить від ширини поворотної смуги, площі поля і обернено пропорційно від довжини гону, робочої швидкості і ширини захвату агрегата. Промивка фільтра проводиться один раз в зміну. Час однієї промивки Тпром.ф для машини складає 15 хв. Час розмиву меліорантів Троз залежить від витрати води в системі, шпарності сітчатого фільтра та густини меліоранту.

Також розроблена технологічна карта, яка передбачає визначення області використання машини МВМ-10М, організацію і технологію робіт по внесенню меліорантів, обгрунтування вимог до якості проведення робіт, калькуляцію затрат праці, машинного часу, заробітної плати на внесення меліорантів, графіку виконання робіт на внесення меліорантів, встановлення матеріально-технічних ресурсів та розрахунку техніко-економічних показників на внесення меліорантів.

В п'ятому розділі наведений порівняльний розрахунок техніко-економічної ефективності використання машини МВМ-10М.

Встановлено, що за основними та допоміжними техніко-економічними показниками і, насамперед, продуктивністю, капітальними вкладеннями, затратами праці, грошовими затратами, порівняльною економічною ефективністю, питомою енергоємністю, питомою металоємкістю модернізована машина МВМ-10М за рахунок розробленої системи та пристрою розмиву має значно кращі техніко-економічні показники в порівнянні з відомою машиною МВМ-10. Так, при використанні машини МВМ-10М, при внесенні в якості меліоранту 30% суспензії фосфогіпсу, суглинку в нормі 100т/га забезпечує ріст показника продуктивності машини: технічної з 83 до 97м3/год, експлуатаційної з 49,8 до 58,2 м3/год, зниження питомих капіталовкладень з 0,423 до 0,385 грн, зростання рівня продуктивності праці до 118,3%, зниження собівартості одиниці праці із 1,04 до 0,895 грн/м3 та питомих затрат із 0,503 до 0,402 грн/м3 при річному економічному ефекті за затратами ресурсів понад 7000грн. Окупність капітальних затрат на придбання машини МВМ-10М складає 6,2 років.

Висновки

1. Дерново-підзолисті грунти Полісся України характеризуються низкою родючістю і незадовільним агроекологічним станом. Основними видами виявлених деградацій цих грунтів, що приводять до виникнення передкризових та кризових ситуацій, є їх дегуміфікація, фізична та радіологічна деградація. Поліпшення агроекологічного стану цих грунтів в короткі проміжки часу можливо досягти за рахунок внесення в ці грунти багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані.

2. Внесення в дерново-підзолисті грунти меліорантів (суглинку, сапропелю, мергелю, туфів, торфу) в сухому або суспензійному стані обумовлює 5 - 8 кратне зниження вмісту цезію-137 в сільськогосподарських культурах в порівнянні з контролем, де вносились мінеральні добрива.

При цьому, надходження цезію-137 з грунту в урожай сільськогосподарських культур в залежності від глибини оглеєння описується рівняннями параболи, а у залежності від вмісту гумусу, фізичної глини, кислотності, суми поглинутих основ, вмісту кальцію, калію та фосфору - рівняннями ступеневої функції та гіперболи.

3. Моделі прогнозування коефіцієнту переходу цезію в озиму пшеницю, розроблені з використанням множинного регресивного аналізу, мають вигляд лінійних рівнянь з повними (6) та неповними (від 2 до 5) даними властивостей цих грунтів.

4. Моделі прогнозування складу меліорантів базуються на встановленні max?, max ??, max ??? по надходженню цезію-137 в зерно озимої пшениці. Розрахунки коефіцієнтів переходу рекомендується здійснювати за нелінійними залежностями встановлених за базою даних виробничих дослідів з використанням таких показників родючості грунтів, як вміст гумусу, фізичної глини, суми поглинутих основ, кислотності, вмісту сполук кальцію та калію. Оптимізації, в першу чергу, підлягають показники родючості, які знаходяться в мінімумах min ?, min ?? та min ??? і обумовлюють max ?, max ?? та max ??? надходження цезію-137 в сільськогосподарські культури.

5.Дуже високу потребу в меліорантах з вмістом сполук кальцію, фракцій

фізичної глини, органічної речовини мають забруднені радіонуклідами дерново-підзолисті грунти з низькою родючістю, помірну та незначну - грунти, які мають підвищений та високий рівень родючості.

6.Дослідження складу та властивостей місцевих меліорантів показало, що найвищу комплексну оцінку (кількісну більше 7,3 та якісну - добру) мають меліоранти: сапропель, торф, фосфорити зернисті та лесовидні суглинки. Покровний суглинок та мергель при кількісній оцінці 7,1...5,2 мають задовільний стан, а фосфогіпс і туф розмелений при кількісній оцінці 3,1 та 2,8 - відновідно характеризуються незадовільним станом.

7.Дослідження технологічних параметрів процесу приготування багатокомпонентних меліорантів в суспензійному стані та гідравлічних і технічних параметрів гідромеханічного обладнання показали: тривалість процесу приготування меліорантів залежить від шпарності сітчатого фільтра, об'єму та густини меліоранту, густини води, витрати води та швидкості потоку на виході із зонта-відбивача; швидкість потоку на виході з зонта-відбивача, для забезпечення швидкого та ефективного розмиву меліорантів та переведення їх в стан суспензії, повинна бути не меншою 0,1 м/с; при витраті води від 6 до 7л/с в системі час розмиву фосфогіпсу не перевищує 145с, суглинку 346с, торфу 600с та сапропелю 1126с.

Вивчення гідравлічних опорів сітчатого фільтра, зонта-відбивача та рихлих меліорантів показало, що ці опори формують зростаючий ряд: опори сітчатого фільтра, зонта-відбивача - незначні і істотно не впливають на процес розмиву, а фосфогіпсу, суглинку, торфу, сапропелю - значно більші.

8.Вдосконалення машини МВМ-10М здійснено за рахунок нової системи розмиву, яка включає відцентровий насос, вакуум - компресор, сітчатий фільтр виготовлений у формі зрізаного конуса, в нижню частину якого підведений напірний трубопровід, який обладнаний конусоподібним зонтом-відбивачем, внутрішня поверхня якого має струминонаправляючі дугоподібні ребра.

Розроблена технологічна карта на внесення меліорантів машиною МВМ-10М для меліорації грунтів, в тому числі забруднених радіонуклідами, яка передбачає проведення наступних робіт: монтаж робочого обладнання, заправку машини водою та меліорантами, розмив меліорантів, транспортування суспензії до поля, підгрунтове внесення, повернення машини на майданчик завантаження, ревізію пристрою розмиву і повторне заповнення машини водою. Для зменшення часу повного циклу та забезпечення безперервної роботи по внесенню меліорантів продуктивність завантажувального засобу повинна бути не меншою 100 м3/год, швидкість транспортування 15...20 км/год, а швидкість внесення 6 км/год при роботі двох машин.

9.Встановлено, що за основними техніко-економічними показниками, і насамперед, продуктивності, капітальним вкладенням, затратам праці, грошових затратах, порівняльної економічної ефективності модернізована машина МВМ-10М за рахунок пристрою розмиву має кращі економічні показники в порівнянні з машиною МВМ-10. Використання машини МВМ-10М в порівнянні з МВМ-10 при застосуванні в якості меліоранту 30% суспензії суглинку в нормі 100 т/га забезпечує ріст продуктивності праці на 29,2%, зменшення затрат часу на завантаження та розмив в 7,7 рази, зниження прямих затрат на впровадження машини - 91,4% при додатково отриманому приросту врожаю - 20 грн на 1 тону меліоранту та 6 років окупності капітальних затрат на її придбання.

Список опублікованих праць

1. Клименко М.О., Веремеєнко С.І., Мороз О.С., Клименко О.М. Меліорація: грунти, забруднені радіонуклідами. // Водне господарство України. Спецвипуск. - К., 1997. - с.38-40.

2. Сиротинський О.А., Клименко О.М. Математична модель процесу фільтрування у завантажувальному фільтрі машини для внесення хімічних меліорантів та захисту рослин. // Вісник Української державної академії водного господарства. Збірник наукових праць. Випуск І, частина І.-Рівне., 1998. -с. 164-169.

3. Мороз О.С., Клименко О.М. Особливості меліорації забруднених радіонуклідами грунтів Західного Полісся. // Вісник Української державної академії водного господарства. Збірник наукових праць. Випуск І, частина І.-Рівне., 1998.-с .

4. Клименко О.М. Модель обгрунтування рецептури меліорантів. // Вісник Рівненського державного технічного університету. Збірник наукових праць. Випуск 2, частина 1. - Рівне. -1999.- с. 56-59.

5. Клименко О.М. Машина для внесення меліорантів в рідкому стані. // Вісник Рівненського державного технічного університету. Збірник наукових праць. Випуск 1 (3), частина 1. - Рівне. - 2000.- с. 161-166.

6. Клименко О.М. Математична модель для дослідження і визначення технологічних параметрів пристрою і процесу розмиву меліорантів. // Вісник Рівненського державного технічного університету. Збірник наукових праць. Випуск 2. - Рівне. - 2000.- с. 26-32.

7. Лико Д.В., Сиротинський О.А., Клименко О.М. Математична модель процесу промивання осаду у завантажувальному фільтрі машини для внесення меліорантів.//Слово молодим дослідникам. Збірник тез та матеріалів. Рівне.-1998.-с. 217- 221.

8. Веремеєнко С.І., Клименко М.О., Мороз О.С., Клименко О.М. Екологічні принципи оцінки забруднення грунтів Полісся України радіонуклідами та їх меліорація. // Натураліс. Вип. 1 ., К., 1998. - с. 7-9.

9. Сухарєв Е.О., Сиротинський О.А., Клименко О.М. Математична модель процесу аерації меліорантів.// Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. Том 2. Рівне. - 1997. -с. 155-158.

10. Деклараційний патент на винахід. Машина для внесення меліорантів та захисту рослин: Україна, 7 А01С23/00 М.О.Клименко, О.А.Сиротинський, О.М.Клименко.-№2001031914; Заявлено 22.03.2001.

Размещено на Allbest.ru

...