В.К.СЕВРЮГИН

ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Лекция №14 

ТЕОРИЯ БЕЗРАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРОЗДКОВОГО ПОЛИВА

 Основные вопросы:

1. Эпюра распределения впитавшейся влаги по длине борозды

2. Безразмерные параметры и их значения

3. Решения дифференциального уравнения, определяющего площадь эпюры распределения влаги по длине борозды

4. Определение соотношений между безразмерными параметрами

5. Пример определения элементов бороздкового полива с использованием теории безразмерных параметров

6. Литература

В теории бороздкового полива в качестве безразмерных параметров в настоящее время используют следующие:

- Коэффициент равномерности полива [1]

где: - норма, впитавшаяся в конце борозды;

  - норма, впитавшаяся в начале борозды.

- Коэффициент полезного действия

где: - норма нетто по эпюре увлажнения (рис.1);

   - то же, норма брутто

.

  Рис.1. Эпюра увлажнения.

Площадь: АВС - сброс за пределы поля;

  BДЕF - потери на испарение во время полива

  ОGБA - приращение влаги после полива.

- Относительное время полива [2]:

или

(3)

  где:  - время добегания (рис.2);

   - время полива;

  - время сброса

Рис.2. Построение эпюры увлажнения в голове борозды

 Если относительное время полива - легкоопределяемая величина, то величины

(Кр) и ( h ) определить довольно сложно, поскольку в настоящее время нет единой методики определения норм, впитавшихся на различных участках борозды.

В самом деле основоположник теории бороздкового полива А.Н.Костяков дал решение для определения впитавшейся нормы лишь в начале борозды:

 где: - активный смоченный периметр;

  - расстояние между бороздами;

 K_o - средняя скорость впитывания в первую единицу времени;

 t - время впитывания (полива).

В указанной формуле параметр (c) в начале борозды отличается от геометрического смоченного периметра в различных частях в 1,5…2,5 раза, как писал А.Н.Костяков. Каким образом точно определить этот параметр А.Н.Костяков не сказал, и сейчас во всех действующих методиках обычно приравнивают (c) его геометрическому значению в начале борозды и, таким образом, искажают результаты расчетов. Однако при определении безразмерного параметра (Кр) все искажения сводятся на нет, поскольку допускаемые ошибки в числителе и знаменателе взаимосокращаются. В этом и состоит ценность безразмерных параметров, которые приобретают силу критериев, с помощью которых можно судить о происходящих процессах, минуя ошибки экспериментальных замеров.

С коэффициентом, характеризующим КПД полива, дело обстоит сложнее, поскольку до настоящего времени площадь эпюры увлажнения с достаточной точностью определять не научились.

Как полагал А.Н.Костяков, средняя скорость впитывания в первую единицу времени (Ко) зависит только от воднофизических свойств почвы и поэтому допускал, что она не изменяется по длине борозды.

Сейчас Г.Е.Тугуши [3] доказал, что средняя скорость впитывания вдоль пути ниже скорости впитывания в начале борозды. Однако концепции Г.Е.Тугуши пока не нашли отражение в действующих методиках, которые основаны на допущениях, высказанных А.Н.Костяковым.

Эпюру увлажнения вдоль борозды строят по створам, время увлажнения которых определяют по параболе добегания:

Впитавшуюся норму определяют по формуле А.Н.Костякова (4) или по другим формулам [5], но во всех случаях параметр (Ko) принимают в качестве почвенной константы. Построив таким образом эпюру увлажнения (рис.1.), можно определить поливные нормы нетто, брутто, норму глубинного и поверхностного сброса, приравнивая их к соответствующим площадям (; ; ) параболы увлажнения вдоль борозды. Однако это было бы справедливо в том случае, если вся подаваемая вода впитывалась бы без сброса, и тогда можно было бы написать, что впитавшаяся вода равна норме, поданной в борозду, т.е.:

 Однако уравнение ( 6 ), как правило, не выдерживается, и левая часть меньше правой в (h) раз. Этой величине А.Н.Костяков дал название коэффициента наполнения и определил пределы его значения от 1 до 1,3.

В этом случае построенная эпюра увлажнения по кривой добегания будет характеризовать впитавшуюся норму, отличающуюся от фактической на величину (h).

Именно это несоответствие не позволило до настоящего времени определить уравнение параболы, характеризующей распределение влаги по длине струи.

Однако, если пользоваться безразмерным параметром (h), то вполне допустимо параболу увлажнения определить, решая систему уравнений (4) и (5). В самом деле, из (5) найдем:

 Подставив в (4), получим: 

 откуда найдем, что:

 где:

Обозначив В^b = С и Vo / C = A, получим уравнение распределения впитавшейся влаги по длине борозды (рис.2).

 Тогда подинтегральная площадь параболы увлажнения будет характеризовать величину поливной нормы брутто, поданной на поле.

То есть:

Площадь, характеризующая норму нетто, определим из уравнения (см.рис.2):

  В свою очередь, норму, характеризующую поверхностный сброс, определим по аналогии с формулой (11):

   Норму, характеризующую глубинный сброс, определим из уравнения:

Безразмерный показатель КПД () определим из выражения:

 Выполним преобразования числителя и знаменателя в отдельности.

Для преобразования числителя сделаем замену переменных (см. 4 и 9.2):

По аналогии с формулой (9) запишем, что:

 Затем введем безразмерную величину относительного времени полива:

  В результате в числителе уравнения (15) получим:

 Преобразуя знаменатель уравнения (15), получим:

 здесь ;

 степень

Тогда уравнение (15) примет вид:

Если вместо  использовать безразмерный показатель , то получим:

 Если уравнение (15) преобразовать иным путем, а именно:

Выразив теперь  через  (см.формулу 9.2.), получим:

Если уравнение (15) преобразовать (см.10) путем замены:

где: - безразмерный параметр, названный относительной длиной борозды.

тогда получим:

После замены  на  получим:

 Безразмерный показатель, характеризующий относительную величину поверхностного сброса, найдем из отношения (см.11, 13):

Используя замену (15.1), (15.2), можно записать:

Используя замену (19.1), (19.2), можно записать:

Безразмерный показатель, характеризующий относительную величину глубинного сброса, найдем из отношения (см.11, 14):

Выполним раздельные преобразования числителя и знаменателя, используя замену (15.1)…(15.4), и тогда получим:

	(24.3)

Теперь преобразуем знаменатель, используя результат уравнения (24.1):

Запишем уравнения (24) в преобразованном виде:

 После сокращения получим:

Если составляющие уравнения (24) преобразовать иным способом, получим:

Сделав замену  на , получим:

Наконец, если уравнение (24) преобразовать, используя подстановки (19.1)…(19.3), то получим:

Cравнивая зависимости (16…28), можно отметить связь между безразмерными параметрами (рис.3…7)

Рис.3. Зависимость между КПД и коэффициентом равномерности полива

Рис. 4. Зависимость между относительным поверхностным сбросом и коэффициентом равномерности полива

Рис. 5. Зависимость между относительным глубинным сбросом и коэффициентом равномерности полива

Рис.6. Зависимость между КПД и относительным временем полива

Рис.7. Зависимость между КПД и относительной длиной борозды

Анализируя зависимости между безразмерными параметрами, следует отметить, что связь между ними не зависит от скорости впитывания (). Она зависит лишь от динамики изменения этой скорости, которая характеризуется показателем (). Этот показатель зависит не только от механического состава почв, но и от ее влажности, от динамики изменения влажности по горизонтам почв, которая, в свою очередь, определяется УГВ, от степени взрыхленности или уплотненности почв, от уклона поверхности, от динамики изменения уклона вдоль борозды, от мутности и температуры воды, от температуры воздуха и почвы, от структуры транспирации воды растениями и других, менее существенных факторов. То есть, для одних и тех же почв параметр () может меняться в широком диапазоне и этим показателем можно управлять. Например, путем изменения режима орошения, путем изменения УГВ, путем рыхления почв или внесения с водой препаратов - структурообразователей и т.п. способами.

Однако параметр () зависит от техники и технологии полива. Например, изменяя расход воды, подаваемый в борозду, мы меняем динамику процесса впитывания, то есть, меняем (). Изменить параметр () можно путем изменения технологии водоподачи (дискретный полив, полив переменной струей). Однако эта область исследований пока мало изучена. Не стоит также забывать про неоднородность почвенной структуры поля, неоднородность распределения влаги, УГВ и всех тех факторов, о которых говорилось выше. Если обо всем этом помнить, то преимущества выражения связей между элементами техники полива посредством безразмерных параметров станут еще нагляднее. При этом методика расчета существенно упрощается. Например, зная значение параметра () по результатам пробных поливов и задавшись одним из элементов техники полива, можно рассчитать все остальные. Так, по данным пробных поливов для лугово-болотных почв поймы р.Чирчик в конкретных условиях получен = 0,75. Исходя из параметров этого поливного участка, допустим, что требуемая длина борозды равна 200 м. Тогда допустимый расход для земель с уклоном 0,0043 согласно методике [5] можно определить по формуле:

л/с

Для промачивания расчетного слоя почвы в этих условиях требуется поливная норма нетто, равная 640 м³/га. Приняв, что этой нормой необходимо увлажнить конец борозды ( = 640 м³/га), найдем норму, которая впитается в начале борозды:

= 640 / 0.75 = 850 м³/га,

где: K_p = 0.75 найдем из рис.3. (Для заданного  = 0.75, K_p = 0.75, а = 0,42).

Норму брутто найдем из соотношения:

= 640 : 0.42 = 1380 м³/га

Условную длину борозды, т.е. расстояние добегания за период полива, найдем из соотношения:

 = 200 : 0.42 = 476 м,

где Л_о - определяется из рис.7. (Для = 0,75 при максимальном =0.42, - Л_о=0,42).

Общее время полива определим из уравнения:

= 405 мин »6,7 ч.

Относительную величину поверхностного сброса определим из соотношения:

Тогда норма поверхностного сброса составит:

= 1380 _* 0.31 = 428 м³/га

Норма глубинного сброса составит:

= 1380 _* 0.25 = 345 м³/га,

где = 0,25 найдем по формуле 34 (рис.5).

На показанном примере можно убедиться в простоте предлагаемой методики расчета основных элементов бороздкового полива.

 ЛИТЕРАТУРА

1. Костяков А.Н. Основы мелиорации.  Изд-во "Колос", М., 1961.

2. Кривовяз С.М. Механизация и районирование техники полива. Изд-во "Узбекистан", Ташкент, 1966.

3. Тугуши Г.Е. Совершенствование теории техники орошения и методов  расчета ее параметров. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., 1984.

4. Лактаев Н.Т. Полив хлопчатника. Изд-во "Колос", М., 1978, с.175.

5. Методические указания по расчету техники полива.  Изд-во "Средазгипроводхлопок", Ташкент, 1963

Как связаться с нами

Об авторе

Работы автора

Вернуться на главную страницу