Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование параметров промывочного устройства для очистки закрытых горизонтальных дрен оросительных систем

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Долматов, Николай Петрович, Новочеркасск

/

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации Новочеркасская государственная мелиоративная академия

Обоснование параметров промывочного устройства для очистки закрытых горизонтальных дрен оросительных систем

Специальность: 06.01.02 - "Сельскохозяйственная мелиорация"

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ

A.A. Коршиков

кандидат технических наук, доцент

B.П. Боровской

На правах рукописи

Долматов Николай Петрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9

1.1. Проблемы современного состояния закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения........................................................ 9

1.2. Существующие способы и технология ухода за закрытым горизонтальным дренажем.................................................................. 20

1.3. Машины и механизмы, применяемые для ухода за закрытым горизонтальным дренажем.......................................................... 23

1.4. Цель и задачи исследований......................................................... 33

ВЫВОДЫ................................................................................................ 34

2. ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО

УСТРОЙСТВА ....................................»^йяззйь....................................................35

2.1. Научно-техническое обоснование ......удля;................................ 35

2.2. Конструктивные элементы устройства по промывке дренажных трубопроводов....................................................................... 37

ВЫВОДЫ................................................................................................ 42

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО

УСТРОЙСТВА ..............................................................................................................................................43

3.1. Определение основных параметров дренопромывочной

головки.......................................................................................... 43

3.1.1. Исходные данные......................................................................... 43

3.1.2. Определение расхода дренопромывочного устройства и количества струеформирующих насадков....................................... 45

3.2. Определение потерь напора в водопроводящих элементах дренопромывочного устройства........................................................ 54

3.3. Обоснование угла наклона струеформирующих насадков.......... 60

3.4. Определение транспортирующей способност............................... 63

3.5. Указания по расчету параметров дренопромывочного

устройства........................................................................................................................................................................69

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................73

4. ЛАБОРОТОРНО-ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................74

4.1. Описание экспериментальной установки, методика лабораторных исследований....................................................................................................................................................74

4.2. Методика проведения полевых исследований..........................................................79

4.3. Результаты лабораторных исследований..........................................................................81

4.4. Результаты полевых исследований................................................................................................92

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................98

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОЙ ГОЛОВКИ К НИЗКОНАПОРНОЙ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОЙ МАШИНЕ......................................................................................................................................................................................99

5.1. Расчет оптовой цены низконапорного дренопромывщика с усовершенствованной дренопромывочной головкой......................................99

5.2. Расчет затрат трудоемкости на 1000 м. промываемого дренажного трубопровода......................................................................................................................................................100

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................................105

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современный подход к использованию природных ресурсов, закрепленный в конституции Российской Федерации, предусматривает комплексное обеспечение всех связанных с ним направлений народного хозяйства и охраны окружающей среды.

Одним из главных направлений в развитии народного хозяйства является сельское хозяйство. Достижения в сельском хозяйстве в первую очередь во многом зависят от состояния почв земельных угодий. Несомненно , что роль сельскохозяйственных мелиораций, как комплекса технических, организационно-хозяйственных и социально-экономических мероприятий, направленных на коренное улучшение неблагоприятных природных условий и повышение плодородия почв с целью получения высоких устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, является приоритетной.

Одним из направлений сельскохозяйственных мелиораций является орошение. Оно регулирует одну из составляющих плодородия - водоснабжение растений, глубоко влияя на другие стороны - химизм, тепловой и воздушный режимы и микробиологическую деятельность почв. В естественных условиях водный фактор обычно не устойчив. Орошение применяют в тех случаях, когда естественные осадки не обеспечивают влажность почвы, необходимую для создания благоприятных условий произрастания сельскохозяйственных культур и получения высоких и устойчивых урожаев. Во многом состояние орошаемых площадей зависит от правильности содержания и своевременного ухода за закрытым горизонтальным дренажем (ЗГД).

По различным причинам (с целью снижения стоимости и ускорения сроков строительства, из-за отсутствия высокопроизводительных средств механизации, противоречивости мнений относительно значимости дренажа на орошаемых землях и др.) на инженерных оросительных системах

Северного Кавказа (Ростовская область, Ставропольский и Краснодарский края), построенных в 50-е годы, отсутствует закрытый дренаж. Это явилось одной из основных причин подъема уровня грунтовых вод. На поверхности орошаемых земель стали появляться солонцовые пятна, указывающие на ухудшение мелиоративного состояния этих земель.

В связи с этим, с 1985 года на орошаемых землях Северного Кавказа начали интенсивно строить закрытый горизонтальный дренаж. Так в 1987 году на Северном Кавказе закрытый пластмассовый дренаж был построен на площади 31,2 тыс. га. а в 1988 году закрытый горизонтальный дренаж был построен на 35 тыс. га при удельной протяженности 36 м. на 1 га. при новом строительстве и 45,5 м. на га. при реконструкции орошаемых земель.

С целью удешевления стоимости строительства закрытого горизонтального дренажа и улучшения условий для работы сельскохозяйственных машин строители, с согласия проектировщиков (Южгипроводхоза н Донводстроя), увеличили расстояние между дренажными колодцами с 250 м (согласно СНИП) до 1000 м. и более. Причину возможного увеличения расстояния между дренажными колодцами проектировщики объясняют применением нетканого защитно-фильтрового материала, который должен был обеспечивать 100 % гарантию защиты дренажных труб от попадания в них частиц грунта.

Однако, отложение наносов в дренажных трубопроводах имеет место, так как на интенсивность заиления дренажных труб влияет не только конструкция защитно-фильтровых материалов, но и наличие в грунтовых водах закисного железа, некачественное строительство дренажа, неэффективные методы его эксплуатации и ряд других факторов. Поэтому построенный закрытый горизонтальный дренаж, особенно в первые годы (3-5 лет) его эксплуатации, нуждается в очистке.

В настоящее время в Российской Федерации закрытым дренажем обеспечено более 0,4 млн. га орошаемых земель. Кроме того, для улуч-

шения мелиоративного состояния орошаемых земель в ближайшие годы необходимо увеличить объем площадей с ЗГД еще на 240 тыс. га.

Для обеспечения ухода за ЗГД разработаны несколько комплексов дренопромывочных машин. С распадом Союза и нарушением хозяйственных и экономических отношений между предприятиями дренопромы-вочная техника в настоящее время в России не производится, а имеющаяся в наличии не обеспечивает проведения необходимого объема работ по уходу за ЗГД. Это обстоятельство в свою очередь вызывает ускоренный выход из строя дренажных систем.

В настоящее время многие организации по уходу за ЗГД в зоне орошения имеют в своем хозяйстве дренопромывщики МР-18, Д- 910, ПДТ-125. Эти машины предназначены для работы по промывке закрытого горизонтального дренажа в зоне осушения. Они оснащены высоконапорными насосами от 2 до 10 МПа, требующие высокие энергозатраты. Из-за отсутствия специальных машин по очистке дренажа для зоны орошения, организации вынуждены использовать вышеупомянутые энергоемкие дренопромывочные машины зоны осушения.

Поэтому возникла необходимость в разработке экономичного, более совершенного дренопромывочного устройства по уходу за ЗГД в зоне орошения. Затраты энергии на работу насоса, для обеспечения рабочего процесса дренопромывочного устройства по очистке дренажной трубы от наилка, во многом зависят от потребности насоса на создание необходимого давления в напорной линии.

Одним из основных элементов дренопромывочной машины является ее рабочий орган - дренопромывочная головка. От эффективности ее конструкции и точности расчета основных параметров зависит оценка ее экономических характеристик. В общей постановке дренопромывочная головка должна обеспечивать равномерную очистку внутренней поверхности дренажного трубопровода, а также обеспечивать транспортирование пульпы, образовавшейся в дрене.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью исследований является повышение эффективности промывки дренажных труб за счет усовершенствования рабочего органа (дренопромывочной головки) низконапорной дрено-промывочной машины зоны орошения.

В соответствии с вышеизложенным, задачей данных исследовании является:

- анализ существующих конструкций дренопромывочных устройств;

- теоретическое обоснование основных параметров дренопромывочной головки;

- разработка методики расчета основных параметров дренопромы-вочного устройства;

- разработка усовершенствованной конструкции дренопромывочного

устройства.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В результате проведенных исследований:

- впервые разработана методика расчета низконапорного дренопромывочного устройства зоны орошения;

- обоснованы геометрические параметры дренопромывочной головки низконапорного дренопромывщика;

- разработана усовершенствованная конструкция дренопромывочной головки низконапорного дренопромывщика (патент РФ № 2081714).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

- разработаны рекомендации по проектированию и расчету дренопромывочного устройства зоны орошения;

- обоснованы основные параметры низконапорного дренопромывочного устройства зоны орошения.

- результаты исследований могут быть использованы проектными и эксплуатационными организациями, а также гидротехниками оросительных систем.

РЕАЛИЗАЦИЯ И АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены на научно-практических конференциях в Новочеркасской государственной мелиоративной академии: " Повышение эффективности закрытого дренажа в зоне орошения " (29.05.93 г.), на Всероссийской научно-практическом семинаре "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (25-28.09.95г.), "Совершенствование дренажных систем в зоне орошения" (29.05.96 г.), на секции эксплуатации РАСХН "Проблемы коллекторно - дренажной сети на оросительных системах" (27-28.10.1998 г.)

По результатам исследований опубликовано 8 научных статей, из них 2 патента РФ.

Результаты исследований внедрены в совхозе "Красный Сад" Азовской оросительной системы Ростовской области на площади 431 га.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Проблемы современного состояния закрытого горизонтального

дренажа в зоне орошения.

Достижения в сельском хозяйстве в первую очередь во многом зависят от состояния почв земельных угодий. В свою очередь состояние мелиорируемых земель зависит от содержания и состояния коллекторно-дренажной сети.

Основным средством предупреждения и ликвидации отрицательных последствий орошения, а также освоения засоленных и склонных к засолению земель является искусственный (инженерный) дренаж предназначенный для осушительной системы агротехнических мероприятий, в т. ч. промывку земель и промывной режим орошения на фоне дренажа. Инженерный дренаж подразделяется на горизонтальный, вертикальный и комбинированный. При необходимости эти типы дренажа сочетают. Горизонтальный и вертикальный дренажи, как правило, дополняются биологическим.

Достаточно полно отвечает современным техническим требованиям горизонтальный дренаж, т. к. не требует затрат электроэнергии, долговечный, простой в эксплуатации, в закрытом (подземном) варианте не препятствует перемещению по полям сельскохозяйственных машин.

Глубина дрен на орошаемых землях находится в пределах 3,0-3,75 м. Это объясняется следующим: 1) на орошаемых землях необходимо опускать на достаточную глубину не только уровень грунтовых вод, но и капиллярную кайму; 2) многие культивируемые на орошаемых землях растения имеют более глубокую корневую систему ; 3) большие глубины позволяют увеличить расстояния между дренажными трубами.

Расстояние между дренами на орошаемых землях зависит от глубины дрен, водопроницаемости почвы, содержания солей в ней, гидрогеологи-

ческих условий и требуемой скорости опускания уровня грунтовых вод после промывки почвы. В зависимости от этих условий расстояние между дренами (при глубине около 2,5-3 м) колеблются от 250 до 800 м.

Закрытые дрены делают обычно из пластмассы диаметром 100-200 мм. Пластмассовые трубы для дренажа отличаются высокой прочностью, долговечностью и устойчивостью к агрессивным водным средам, легкостью и гибкостью, большой длиной, повышенной и равномерно расположенной водоприемной поверхностью, строительной технологичностью. По типу конструкций они делятся на гладкие, гофрированные, пленочные. Гладкие и гофрированные трубы изготовляют в заводских условиях на специальных экструдерах. Пленочные формируют непосредственно на месте укладки или в траншее из упругих пластмассовых лент. Наиболее распространены гофрированные и спирально-навитые дренажные трубы из поливинилхлорида и полиэтилена.

Пластмассовые трубы широко применяются на строительстве дренажа не только в нашей стране, но и за рубежом. В США доля дренажа из пластмассовых труб составляет 50%, в Германии - 85%, В Нидерландах -ЮОУо. В США ежегодно выпускают до 30 тыс.км гофрированных труб из полиэтилена, а также из ПВХ. /1,2,3/

На сегодняшний день в Ростовской области общая площадь орошаемых земель составляет 325 тыс. га, в том числе площадь с хорошим мелиоративным состоянием составляет 225 тыс. га, с удовлетворительным состоянием 41 тыс. га, с неудовлетворительным 58 тыс. га. Из общей площади в 325 тыс. га дренаж построен на площади 152 тыс. га. По данным департамента "Ростовмелиоводхоз11 на Северном Кавказе всего построено 20,6 тыс. км. дренажа, а в Ростовской области 6,1 тыс. км, в том числе закрытый пластмассовый дренаж составляет 69%.

Анализ мелиоративных систем показывает, что около 40%> орошаемых земель в различной степени засолены, осолонцованы и их мелиоративное состояние нуждается в улучшении.

Основными причинами неудовлетворительного состояния мелиорированных земель является отсутствие или низкое техническое состояние дренажных систем, сложность их проектирования, строительства и эксплуатации.

Расширение масштабов и объемов строительства дренажа на орошаемых землях определяет новые требования к его проектированию и строительству, связанные с внедрением в практику строительства новых механизмов и технологий. Переход на длинномерные дренажные трубы и современную дреноукладочную технику позволил повысить темпы строительства дренажа. Однако в условиях просадочных и водонасыщенных грунтов снижается коэффициент земельного использования при применении траншейного способа строительства дренажа. Просадки грунта по трассам дрен препятствуют сельскохозяйственной обработке почв, а также способствуют более интенсивному отложению илистых наносов внутри дренажного трубопровода.

В процессе эксплуатации дренажа в полости дренажной трубы отлагаются илистые отложения. Изучив труды В.А. Духовного, К.Ф. Але-канд, З.Я. Хруцкой, И. Ржига по эксплуатации дренажа, мы пришли к выводу, что наиболее интенсивное отложение ила в дрене происходит в первые 3 года эксплуатации дренажа /4-13/.

Поступление илистых отложений в дренажные трубы обуславливается фильтр�