Доктор технических наук
Лекция № 6.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДОЖДЕВАНИЯ
ОСНОВНВОПРОСЫ.
1.Классификация техники дождевания.
2.Типы факелов дождя и их особенности.
3.Агротехнические характеристики дождя.
4.Технология бессточного дождевания.
-посредством вращающегося факела дождя.
-посредством факела, перемещающегося фронтально.
-посредством неподвижного факела дождя.
-посредством факела, перемещающегося по кругу и фронту одновременно.
5.Значения параметров впитывания (А) в зависимости от типов почв и диаметров капель дождя.
6.Список литературы.
При этом способе полива вода на орошаемую площадь подается сверху посредством искусственно сформированного факела дождя. Последний формируется дождевальными насадками, которые подразделяют на дальнеструйные, среднеструйные и короткоструйные.
Первые используются в дальнеструйных машинах и стационарных системах, реже - в широкозахватных машинах в качестве концевых дождевателей. Все аппараты снабжены приводом, обеспечивающим вращение аппарата по кругу или сектору. Реже (во фронтальных машинах) дальнеструйный аппарат не вращается. При этом интенсивность в факеле дождя равна:
rф = 60 Q / Fф (1)
где: Fф = в1R; где в1 - средняя по радиусу ширина факела дождя;
R - дальность полета (радиус) струи;
т.е. rф = 60 Q / в1R мм/мин (2)
1. Способ распределения осадков посредством вращающегося факела дождя.
Если факел вращается, то средняя скорость водоподачи на орошаемой площади круга равна:
rв = 60 Q / pR2,мм/мин; (3)
Отношение
rв/rф = в1/pR = Сп (4)
где: Сп - коэффициент пропорциональности, устанавливающий связь между интенсивностью прерывистого и непрерывного дождевания. Он назван нами показателем прерывистости дождя [1].
Откуда:
rв = rф Сп (5)
Чтобы за период прохода (t) над орошаемой точкой не образовывался сток, время прохода (t) должно быть меньше или равно времени до стока (tд). Последнее определяется из зависимости [2].
tд = А/rфb, мин (6)
где: А, b - параметры гиперболы, характеризующие процесс безнапорного впитывания воды при дождевании (табл.1). Таким образом, условия бессточного полива определятся зависимостью:
t £ tд (7)
Для машин с вращающимся факелом дождя время одного оборота равно Тмин, а окружная скорость (частота вращения n = 1/Т об/мин). При этом показатель прерывистости дождя
Сп = t/T = t . n = в1/pR (8)
Откуда найдем, что допустимая частота вращения, при которой факел дождя не образует стока, будет равна [3]
n =в1/pRt (9)
После подстановки значения t из (6), получим:
n = в1 rфb /pRA , об/мин.. (10)
То есть, частота вращения должна подбираться с учетом интенсивности дождя в факеле и с учетом параметров А, в гиперболы безнапорного впитывания. Последние зависят как от влажности почвы, так и от диаметра капель дождя. Параметры А, b определяются экспериментальным путем с использованием специальной установки ПДУ [2]. Однако можно использовать любые дождеватели, важно только при эксперименте фиксировать значения диаметров капель дождя. И если параметры гиперболы впитывания А, b получены при диаметре (dиз), то пересчет их значения для дождевальной установки, имеющей диаметр d , производят по формуле [1]:
Аd = Adиз (dиз/d)0,4b (11)
На орошаемую площадь выдается слой дождя
h = rф t, мм (12)
Максимально допустимый слой осадков при этом не должен превышать величины
hдоп = rф tд, мм (13)
В противном случае сток будет формироваться сразу во время первого прохода. Но если выдержать условия (13), то сток может наступить после второго, третьего, или n-го прохода. При этом, если интенсивность водоподачи равна rв, то сток настанет через время tд2.
tд2.= А/rвb, мин (14)
При этом до стока будет выдана поливная норма
m = 10 rв tд2.= 10 A/ rвb-1 (15)
Поскольку аппараты с вращающимся факелом дождя работают с перекрытием, то при расположении аппаратов по углам квадрата значение rв в формуле (3) надо умножить на Кп, равный 1.56, а если аппараты установлены по углам треугольника, то Кп = 1.21.
Если согласно расчетного режима орошения требуется выдать без стока поливную воду m м3/га, то время бессточного полива следует определять по формуле [1]:
t = (m/10)b/(b-1)/ А1/(b-1) /60, час (16)
Если это время больше времени, определенного из формулы (14), то полив необходимо вести в несколько этапов, то есть, поливать до стока, затем делать паузу (t), а затем снова поливать до стока и т.д.
Минимальное количество этапов должно быть:
nэ = t/60 tд2 (17)
При этом этапная норма полива должна быть не более:
mэ = m/ nэ,м3/га (18)
Время одного этапа полива должно быть:
tэ = mэ /600 rв Kп, час (19)
Паузу между этапами полива следует определять по формуле [3]:
t = (t-nэ tэ)/(nэ-1), час (20)
Фактические значения могут отличаться от допустимых в сторону, не вызывающую образование стока.
2. Способ распределения осадков посредством факела дождя, перемещаемого фронтально.
Если факел перемещается фронтально вдоль орошаемого поля и имеет ширину (в)при ширине захвата (длине факела), равной Ш, то интенсивность дождя в факеле определится величиной:
rф = 60Q /в *Ш= D/в, мм (21)
где: D= 60Q /Ш - относительный расход, л/мин*м.
При этом, если орошаемая делянка имеет длину L, то интенсивность водоподачи будет равна:
rв = 60Q /Ш L = D/L (22)
При этом показатель прерывистости дождя будет равен:
rв /rф = в / L =Сп (23)
Если факел перемещается фронтально со скоростью v,м/сек и имеет ширину (в), то время прохода над орошаемой точкой будет равно:
t = в /v, мин (24)
Чтобы за это время не образовался сток, оно должно быть меньше времени tд. Тогда минимально допустимую скорость фронтального перемещения следует определять по формуле:
v = в / tд , м/мин (25)
После подстановки ( tд = А/rфb), получим:
v = в* rфb/А; м/мин (26)
Если вместо rф подставить его значение из уравнения (21), то получим:
v = (Db *в 1-b)/А; м/мин (27)
Время, необходимое для бессточного полива, следует определять по формуле (16).
Максимально допустимый слой осадков за один проход, не вызывающий стока, определим по формуле:
h = rф tд = rф (А /rфb= А/ rфb-1, мм (28)
Он будет соответствовать ЭДПН = 10h = mд.
Если в уравнение (28) вместо rф подставить значение rв из уравнения (22), то получим:
h = A Lb-1 / Db-1, мм (29)
А если из уравнения (29) определим L, то это будет та длина гона (минимально допустимая), на которой можно перемещать факел дождя без стока, пока не будет выдан заданный слой осадков h.
L = D (h /А)1/(b-1) = (m/10A)1/(b-1), м (30)
где: m - требуемая поливная норма в м3/га.
Количество проходов, необходимое для выдачи требуемой поливной нормы, определим из уравнения:
П = m /10h (31)
На почвах средней и пониженной водопроницаемости может оказаться, что расчетная длина гона выше той, которую можно обеспечить, исходя из существующих размеров поливных участков. В этом случае необходимо перейти на этапную технологию водоподачи.
Если фактическая длина года равна l, то интенсивность водоподачи будет равна:
rв = D / l, мм/мин (32)
Время до стока на поливном участке длиною l будет равно:
t = A /rвb = (А lb)/Db, мин (33)
Норма полива до стока будет равна:
mд = 10 rв t = 10A / rвb-1 = (10А lb-1) / Db-1, м3 /га (34)
Количество этапов полива определим из формулы, округлив результат до ближайшего целого числа:
nэ = m / mд (35)
Тогда этапная поливная норма будет равна:
mэ = m / nэ, м3/га (36)
Продолжительность этапа полива будет равна:
tэ = mэ / 600 rв, час (37)
Поскольку время, необходимое для впитывания требуемой поливной нормы (m) нам известно из уравнения (16), найдем продолжительность паузы между этапами полива по формуле (20)
3. Способ распределения осадков посредством неподвижного факела дождя
Такой способ характерен для стационарных систем дождевания и для машин позиционного полива. В этом случае интенсивность в факеле дождя rф и интенсивность водоподачи rв равны. При таком способе водоподачи полив ведется только до момента стока. Чем ниже водопроницаемость почв, тем ниже будут ЭДПН.
Полив неподвижным факелом возможен только на почвах высокой и повышенной водопроницаемости. Однако существующие стационарные системы и позиционно работающие дождевальные машины типа «Волжанка», «Днепр», ДНК-80, - вполне можно использовать для выдачи высоких поливных норм, если перейти на этапную технологию полива. Эффективность такого перехода следует обосновывать.
4. Иные способы распределения осадков по орошаемой площади
В практике дождевания широко распространены шланговые дождевальные машины, имеющие факел дождя, вращающийся по кругу или сектору и одновременно перемещающийся по фронту по мере намотки барабана. За время одного оборота (Т,мин) эти установки проходят расстояние:
вш = Тоб Vш, м (38)
где: Vш - скорость намотки шланга, м/мин.
Из формулы (27) следует, что для бессточного полива от этого расстояния зависит допустимая скорость движения:
Vш = Db вш1-b/А , м/мин (39)
Подставив вместо вш его значение из (1.38), получим:
Vш = [Db (Тоб Vш)1-b ]/А = (D*Тоб(1-b)/b)/А1/b, м/мин (40)
Поскольку Т = 1/n, где n - частота вращения ствола, получим:
Vш = D / А1/в nоб(1-b)/b, м/мин (41)
При этом nоб должно отвечать условиям уравнения (10). Если вместо nоб задается скоростью Vш, то получим допустимое значение частоты вращения:
nоб = Db/(1-b) / {Vшb/(1-b) *А1/(1-b)}, об/мин (42)
Оно должно быть не меньше рассчитанного по уравнению (10).
Для шланговых машин: D = 60Q/2R, л/мин; где 2R - ширина орошаемой полосы, равная двум радиусам полива.
Интенсивность водоподачи определится из уравнения:
rв = D / Lш, мм/мин (43)
где: Lш - длина активной части шланга, м.
Если шланговый дождеватель вращается не по кругу, а сектору более 180о и симметрично оси движения, то интенсивность водоподачи будет выше на величину Кf= 360 / fo, где fo - угол сектора поворота в градусах. Соответственно, на эту величину возрастут допустимые значения Vш и nоб.
Если вращение факела не симметрично оси намотки шланга, то площадь полива необходимо определять путем прочерчивания конкретной схемы водоподачи.
Таков алгоритм расчета технологических параметров бессточного дождевания для основных типов дождевальных машин.
Параметры безнапорного впитывания А, b для почв различной водопроницаемости при различной исходной влажности и среднем диаметре капель dк = 1.5 мм показаны в таблице 1.
Таблица 1. Значения параметра А при диаметре капель dк = 1.5 мм
Водопроницаемость почв
Предполивная влажность в % от ППВ
Сред- няя
65
70
75
80
72,5
А
Сильноводопроницаемые
61
54
50
44
52
Б
Повышенной водопроницаемости
42
38
33
30
36
В
Средней водопроницаемости
26
24
19
18
22
Г
Пониженной водопроницаемости
14
12
10
8
11
Технологические характеристики фронтальных машин показаны в таблице.2; машин с вращающимся факелом дождя - в таблице .3; машин с неподвижным факелом дождя - в таблице .4. Поскольку машины имеют различные диаметры капель дождя, то параметр впитывания А, уточненный по формуле (11), приведен в таблицах .5.-.7.
Таблица 2. Технологические характеристики фронтальных дождевальных машин.
Показатели
ДДА-100МА
Кубань
Кубань-2М
ДДФ-100
ДФД- 80
Расход машины, л/с
130
170
200
72
80
Ширина захвата, м
120
800
800
100
120
Ширина факела дождя, м
17
12
12
10
11
Относительных расход, л/мин *м
65
12,75
15
43,2
40
Интенсивность под факелом, мм/мин
3,8
1,1
1,25
4,32
3,63
Средний диаметр капель, мм
1,26
1,0
1,36
1,33
1,4
Таблица .3. Технологические характеристики машин с вращающимся факелом дождя
Показатели
ДДН-70
ДДН-100
Фрегат
Расход машины, л/с
65
115
72
Радиус полива, м
70
85
444
Ширина факела дождя, м
5
7
36
Относительный расход, л/мин*м
55,7
81,2
9,7
Интенсивность под факелом, мм/мин
11,14
11,6
0,27
Интенсивность водоподачи, мм/мин
0,253
0,304
0,007
Средний диаметр капель, мм
1,7
1,52
1,0
Таблица 4. Технологические характеристики машин с неподвижным факелом дождя
Показатели
ДКШ-64
ДНК-80
ДФ-120
Расход машины, л/с
64
80
120
Ширина захвата, м
800
600
460
Ширина факела дождя, м
18
27
54
Относительный расход, л/мин*м
4,8
8,0
15,65
Интенсивность под факелом, мм/мин
0,27
0,3
0,3
Средний диаметр капель, мм
0,5
1,2
1,0
Таблица .5. Изменение величины параметра А у фронтальных дождевальных машин
Дождевальные машины
Водопро-
Предполивная влажность, %ППВ
ниц.почв
65
70
75
80
А
67,73
59,96
55,51
48,85
ДДА-100МА
Б
46,63
42,19
36,64
33,31
В
28,87
26,65
21,10
19,99
Г
15,54
13,32
11,10
8,88
А
77,8
68,87
63,77
56,12
Кубань
Б
53,57
48,47
42,09
38,26
В
33,16
30,61
24,23
22,96
Г
17,86
15,31
12,75
10,20
А
64,69
57,27
53,03
46,66
Кубань 2М
Б
44,54
40,30
35,00
31,82
В
27,57
25,45
20,15
19,06
Г
14,85
12,73
10,61
8,48
А
65,57
58,04
53,74
47,29
ДДФ-100
Б
45,14
40,84
35,47
32,25
В
27,95
25,80
20,42
19,35
Г
15,05
12,90
10,75
8,60
А
63,58
56,28
52,11
45,86
ДФД-80
Б
43,78
39,61
34,39
31,27
В
27,10
25,01
19,80
18,76
Г
14,59
12,51
10,42
8,34
Таблица .6. Изменение величины параметра А у машин с вращающимся факелом дождя
Дождевальные машины
Водопро-
Предполивная влажность, %ППВ
ниц.почв
65
70
75
80
А
56,59
50,09
46,38
40,82
ДДН-70
Б
38,96
35,25
30,61
27,83
В
24,12
22,26
17,63
16,70
Г
12,99
11,13
9,28
7,42
А
60,52
53,57
49,60
43,65
ДДН-100
Б
41,67
37,70
32,74
29,76
В
25,79
23,81
18,85
17,86
Г
13,89
11,91
9,92
7,94
А
77,80
68,87
63,77
56,12
Фрегат
Б
53,57
48,47
42,09
38,26
В
33,16
30,61
24,23
22,96
Г
17,86
15,31
12,75
10,20
Таблица .7. Изменение величины параметра А у машин с неподвижным факелом дождя
Дождевальные машины
Водопро-
Предполивная влажность, %ППВ
ниц.почв
65
70
75
80
А
117,92
104,39
96,66
85,06
ДКШ-64
Б
81,19
73,46
63,80
58,00
В
50,26
46,40
36,73
34,80
Г
27,06
23,20
19,33
15,47
А
69,74
61,74
57,16
50,30
ДНК-80
Б
48,02
43,44
37,73
34,30
В
29,72
27,44
21,72
20,58
Г
16,01
13,72
11,43
9,15
А
77,80
68,87
63,77
56,12
ДФ-120
Б
53,57
48,47
42,09
38,26
В
33,16
30,61
24,23
22,96
Г
17,86
15,31
12,75
10,20
ЛИТЕРАТУРА
1. Севрюгин В.К. Совершенствование техники и технологии полива дождеванием в условиях Средней Азии. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Т., 1998.
2. Ерхов Н.С. Методика определения безнапорной водопроницаемости почв при дождевании. Ж..«Почвоведение», №9,1975г.,с.94.
3. Севрюгин В.К. Методическое руководство по применению дождевальных машин в Средней Азии и расчету параметров поливных участков. Изд-во ТИИИМСХ, Т.1984, с.106.