Севрюгин В.К.

ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Лекция № 3.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ ПО ОРОШАЕМОЙ ПЛОЩАДИ И ПРИНИЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ БОРОЗДКОВОГО ПОЛИВА

1.Место бороздкового полива в структуре орощаемых земель.

2.Потери воды при бороздковом поливе.

3.Механизм возможного повышения КПД.

4.Безразмерные параметры элементов бороздкового полива.

5.Методика корректировки элементов бороздкового полива.

6.Литература.

 

В Республике Узбекистан основным способом полива является поверхностный. Это полив по бороздам (75%), по полосам (22%) и полив затоплением (3%). Механизированные способы полива (капельное и дождевание) практически не применяются по ряду причин, связанных с высокой стоимостью, энергоемкостью, отсутствием машиностроительной базы и служб сервисного обслуживания. Поэтому поверхностный полив, как самый простой, нашел столь широкое признание.

Однако этому способу, в силу естественных закономерностей, свойственны серьезные недостатки, обусловленные большими потерями воды на поверхностный и глубинный сбросы. Поэтому вопросы изучения этих закономерностей с целью экономного расходования воды были и остаются актуальными в настоящее время.

Во многом потери воды обусловлены тем, что полив ведется без соблюдения оптимальных технологий, когда время полива, длина борозды и расход в борозду назначаются производно, базируясь на интуицию поливальщика. Вопросам оптимизации бороздкового полива всегда уделялось много внимания. Однако до сих пор все оптимизационные задачи решались с использованием целого ряда эмпирических формул и, в основном, численными методами с привлечением вычислительных машин. Поэтому они не дают достаточно обоснованных результатов и выдаются в виде рекомендаций по выбору элементов бороздкового полива в увязке с водопроницаемостью почв и уклонами. Однако выдержать рекомендуемые параметры в силу целого ряда объективных причин не удается. В хозяйствах выбор длины борозды, расхода и времени полива производится в основном на глазок. И, хотя согласно рекомендаций САНИИРИ [1] предусматривается поднять КПД бороздкового полива в среднем до 0.7, - на практике (по данным водных балансов) [2] он составляет 0,43.

 

Механизм возможного повышения КПД техники полива до сих пор оставался не раскрытым, поскольку не решалась математическая задача определения площади эпюры увлажнения вдоль струи. Решение этой задачи стало возможно после замены размерных параметров на безразмерные, между которыми были найдены закономерные связи [3].

Под безразмерными параметрами понимают:

 

1.   Относительное время полива

 Уо = tд /Т (1)

где: tд - время добегания струи до конца борозды;

 T - общее время полива

 

2. Относительную длину борозды

 Ло = lд/ L (2)

где: l - длина борозды,

 L- длина добегания за время полива Т.

 

3. Равномерность полива

 Кр = mк / mн или hк / hн (3)

где: mк, hк - соответственно, норма или слой впитавшейся воды в конце борозды,

 mн, hн - то же, в начале борозды.

 

4. КПД техники полива (h н ) определяется из уравнения:

 h н  = Sн / S  (4)

где: Sн - площадь эпюры увлажнения, характеризующая норму нетто (рис.1)

Sн - площадь квадрата (АЕДС);

S - общая площадь эпюры увлажнения (АОБ)

 

 

 Рисунок 1

 

5. Величина глубинного сброса:

 hг = Sг / S (5)

где: Sг - площадь ОДО

 

6.   Величина поверхностного сброса:

 hп = Sп / S  (6)

где: Sп- площадь ЕДБ (рисунок 1).

 

Указанные безразмерные параметры позволяют выбрать оптимальное соотношение между элементами бороздкового полива (q, T, l), изменяя их в соответствии с требованиями конкретных почвенно-мелиоративных и хозяйственных условий.

 

До сих пор принцип оптимизации сводился к подбору таких сочетаний q, T, l, при которых получался максимальный КПД. На практике, вследствие отклонения от любого от названных параметров от рекомендуемых [ 1 ], происходило снижение КПД. Механизм и варианты повышения КПД производственнику были неясны.

Предложенное нами [3] теоретическое решение раскрыло этот механизм и сделало возможным корректировать на месте оптимальные сочетания элементов техники полива, учитывая при этом особенности конкретного поливного участка.

Установленные закономерности связи между максимальными значениями безразмерных параметров имеют вид:

hн = {(1-Кр) Кр^a/(a-1)}/(1-a) = {(1-Уо ^1-a) Уо^a }/(1-a) (7)

hп = Уо = Ло^1/a = Кр ^{1/(1- a)} (8)

hг = {(1-Кр^{a/(1- a)} - a (1-Кр^{1/(1- a)})}/(1-a) = 1- (hн +hп) (9)

Кр = Уо^{1- a} = Ло^{(1- a)/a}; (10)

Уо = Ло^{1/ a} = Кр^{1/(1- a)}; (11)

Ло = Уо^a = Кр^a/(a-1)   (12)

Эти зависимости позволяют оптимизировать сочетания элементов бороздкового полива, задаваясь любым из них с учетом местных условий. При этом оптимизацию можно проводить, как по максимальному КПД, так и по максимальной равномерности Кр.

В некоторых случаях, если требуется увеличить долю промывного режима, оптимизацию можно проводить по величине глубинного сброса hг.

На сегодня же оптимизация проведена лишь по параметру КПД и в областях с избыточным количеством воды (Ташкентская и др.), это приводит к недобору урожая.

Показанные закономерности (7-12)  дают алгоритм для оптимизации по любому из названных параметров. Графические зависимости между безразмерными параметрами изображены на рисунках 2...5.

Анализ рисунков показывает, что закономерные связи зависят от параметра a , который принято считать почвенной характеристикой. Так, для почв А принято считать, что a = 0,33; почв Б - a = 0,5; почв В - a = 0,6; почв Г -a = 0,7 и почв Д - a = 0,75.

Придерживаясь этой точки зрения, отметим (рис.2), что для почв Б, где a = 0,5 - максимальному значению КПД = hн = 0,5 будет соответствовать значение Кр - тоже равное 0,5. При этом, величина глубинного (hг ) и поверхностного (hп ) стока (рис. 4, 5), будут равны 0,25. И эти максимальные параметры (соответствующие точке перегиба кривой a) возможно получить лишь тогда, когда относительное время полива Уо = tд /Т будет равна 0,25 (рис.3).

Для той же почвы, если изменить величину Уо до значения Уо = 0,1 (а это возможно при заданном расходе (q), при сокращении длины борозды (lд), или при данной длине борозды (lд), путем увеличения расхода (q), то значение КПД снизится до величины:

hн = ((1-Уо ^1-a) Уо^a }/(1-a) = {(1-0,1^0,5)0,1^0,5}/(1-0,5) = 0.432

То же самое произойдет, если Уо будет увеличен. Так, если он стал равен Уо = 0.5, то hн ={(1-0,5^0,5) *0,707}/0.5 = 0.414. Как видим, в обоих случаях КПД снизился и поднять его выше 0,5 не представляется возможным. Но это справедливо только в том случае, если придерживаться мнения о том, что параметр a является строго почвенной характеристикой. На самом же деле, a всего лишь показатель степени, характеризующий водопроницаемость данной почвы в данном состоянии. Стоит изменить структуру почвы путем механической обработки или путем внесения удобрений, или другими способами, как a изменится. Кроме того, a меняется от исходной влажности расчетного слоя почвы. Чем больше его влажность, тем выше a . Наконец, a меняется и от расхода, подаваемого в борозду. Все эти особенности методика [1] не учитывает. Однако накопленный хозяйственный опыт говорит о том, что данные, на базе которых была принята градация почв по a, проводилась при исходной влажности расчетного (метрового) слоя в пределах 65-70% ППВ. То есть, это нижний допустимый предел влажности, при которой начинают полив хлопчатника.

В силу изложенного, и в дальнейшем следует придерживаться принятой градации почв по a, пока не будут проработаны другие предложения.

Итак, анализ рисунка 2 показывает, что по мере снижения водопроницаемости почв (по мере роста a ), равномерность полива растет, а КПД - снижается.

Связи между оптимальными безразмерными параметрами для почв различной водопроницаемости иллюстрирует таблица 1.

Средневзвешенные значения оптимальных сочетаний между элементами техники полива по РУз показаны в строке 7. Из нее следует, что в среднем почвы Республики относятся к категории средней водопроницаемости (В); максимально возможный КПД = 0,47; Кр = 0,59; поверхностный сброс - 28,7%; глубинный сброс - 23,8%. Фактический КПД (по данным водного баланса РУз) в настоящее время равен 0,43. Исходя из этой цифры, другие безразмерные параметры показаны в строке 9.

 

Таблица 1. Оптимальные (максимально-возможные) значения безразмерных параметров для проточных борозд

 

	Тип	Пло-	Пара-		КПД	Равно- мер-	Относи тельное	Относи- тельная	Поверхност-	Глубинный	Удельные затраты
1	почв	щадь тыс.га	метр a	hн		ность Кр	время полива Уо	длина борозды Ло	ный сброс hп	сброс hг	вода доля %	урожай ц/га %
2	А	310	0,33		0,58	0,33	0,191	0,58	0,19	0,23	0,74	19,3
3	Б	750	0,5		0,5	0,5	0,25	0,5	0,25	0,25	0,86	20,0
4	В	1850	0,6		0,465	0,6	0,279	0,465	0,25	0,255	0,924	20.4
5	Г	1290	0,7		0,436	0,7	0,343	0,436	0,34	0,224	0.986	20.8
6	Оптимальные средневзвешенные значения по РУз
7	А-Г	4200	0,59		0,47	0,59	0,287	0,47	0,287	0,238	0,914 -8,6%	20,4 +4,4%
8	Фактический КПД (по данным водного баланса) и рассчитанные на его основании параметры хозяйственных поливов
9	А-Г	4200	0,46*		0,43	0,37*	0,159*	0,43*	0,159*	0,411*	1/0%	19,5/0%
10	Рекомендуемые СНиП средневзвешенные значения по РУз для тщательно спланированных подпорных борозд (Лактаев)
11	А-Г	4200	0,46		0,7	0,72	0,55	0,76	0,1	0,24	0,614 -38,5%	27,06 +19,4%
	Примечание: * Данные рассчитаны по безразмерным параметрам

 

То есть, на сегодня глубинный сброс преобладает над поверхностным и составляет 41.1%, общие потери без учета повторного использования воды составляют 57%. Но если бы поливы  проводились в соответствии с рекомендациями СНиП (Н.Т.Лактаев) по хорошо спланированным полям с подпором борозд в конечной части, то, возможно было бы достичь КПД = 0,7 и Кр = 0,72, сократив поверхностный сброс до 10%.

 

Другой путь повышения КПД и Кр кроется в применении полива по джоякам; полива с применением борозд, уплотненных в начальной части и взрыхленных в конечной, борозд, покрытых перфорированной пленкой, дискретного полива и полива переменной струей. Однако все эти способы требуют дополнительных затрат труда и механизмов, что усложняет и удорожает полив.

Предлагаемый нами метод корректировки элементов бороздкового полива может поднять показатели качества полива с уровня, обозначенного строкой 9 на уровень строки 7 без каких-либо дополнительных затрат. При этом в целом по РУз можно будет сэкономить до 8,6 % воды, подаваемой на поле (2,5км³), и поднять урожайность хлопчатника не менее, чем на 4,4 % (1,3 ц/га).

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.   Н.Т.Лактаев. Полив хлопчатника. Изд-во «Колос», М.,1978.

2.   Т.И.Дерлятка и др. Генеральная схема использования орошаемых земель, водных ресурсов и их охрана в Республике Узбекистан на период до 2005 года

3.   В.К.Севрюгин. Безразмерные параметры бороздкового полива. Сб.научн.трудов ВНПО «Радуга», Коломна, 1990.

Как с нами связаться

Вернуться на главную страницу