Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин

Луговой, Андрей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин"

На правах рукописи

ЛУГОВОЙ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В КАНАЛАХ ДЛЯ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 2004

Диссертационная работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Свистунов Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Кузнецов Евгений Владимирович

кандидат технических наук Якуба Николай Петрович

Ведущая организация - Федеральное государственное научное

учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (РосНИИПМ) г. Новочеркасск

Защита состоится 22 декабря 2004 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д220 038 08 ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044 г. Краснодар, ул. Калинина, 13, корпус факультета механизации, ауд № 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 22 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертацио"""™

доктор технических наук, профессор

М И. Чеботарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. В настоящее время в Краснодарском крае широко распространены оросительные системы с применением дождевальных машин (ДМ), которыми орошается 34 тыс. га. В то же время, имеющаяся водохозяйственная инфраструктура позволяет при минимальных затратах на её восстановление увеличить доступную для орошения площадь до 217 тыс. га (уровень 1990 г.) и создать предпосылки для быстрого роста в крае валового сбора овощных и кормовых культур. Только для современных фронтальных ДМ типа «Кубань» и «Valley», позволяющих решить эту задачу, в крае с 1981 года построено 24 тыс. га оросительных систем. Однако, с момента пуска в эксплуатацию первых систем, обнаружились проблемы рассогласования степени автоматизации ДМ и процесса водораспределения. Ручное управление процессом водоподачи и переходом ДМ через подпорные сооружения в открытом оросительном канале требует увеличения количества эксплуатационного персонала и вызывает повышенные потери водных ресурсов (10-20% от потребляемого объема). По данным исследований организационно-технологические простои ДМ «Кубань» составляют в среднем 41% непроизводительных потерь времени. Сложившееся положение объясняется несогласованностью элементов технологии орошаемого земледелия и недостаточным вниманием к возможностям гидравлической автоматизации процесса водораспределения в каналах для дождевальных машин. Актуальность работы подтверждена проведением исследований в рамках госбюджетной тематики №01200113465, тема 9 «Геосистемный мониторинг, охрана вод и водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв».

Цель работы - совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин, как процессов и объектов технологии орошаемого земледелия, обеспечивающих рациональное использование водных ресурсов. Для ее достижения поставлены задачи исследований:

РОС. национальная] пиши |

- разработать способы распределения воды в мало- и среднеуклонных (до 0,001) каналах для дождевальных машин;

- разработать перспективные автоматизированные водовыпускное сооружение и подпорно-перегораживающее устройство (ППУ), реализующие способ распределения воды в каналах для дождевальных машин;

- экспериментально определить влияние на пропускную способность водовыпускного сооружения с затвором клапанным противогидроударным (ЗКП) его геометрических параметров;

- экспериментально определить влияние на пропускную способность ППУ его геометрических параметров, угла открытия щита и параметров поперечного сечения канала для дождевальных машин;

- произвести испытание ППУ в натурных условиях;

- разработать методику расчета параметров ППУ для типовых сечений каналов;

- произвести расчет экономической эффективности применения способа распределения поддержанием дискретных уровней.

Объекты исследования - затвор клапанный противогидроударный (ЗКП) в составе водовыпускного сооружения и подпорно-перегораживающее устройство (ППУ), реализующие способ водораспределения в каналах для дождевальных машин.

Предмет исследования - экспериментальные и функциональные связи, определяющие зависимость пропускной способности ППУ и ЗКП от их геометрических параметров и поперечного сечения каналов для дождевальных машин.

печение Mathcad 2000, MS Office. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается адекватностью масштабных физических моделей и натурного образца, сходимостью полученных теоретических результатов сданными экспериментов и результатами производственных испытаний созданного ППУ, а также результатами исследований других авторов.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- зависимость коэффициента гидравлического сопротивления водовыпуска от величины относительного открытия запорного клапана и отношения его диаметра к диаметру водовыпускного отверстия;

- зависимость пропускной способности подпорно-перегораживающего устройства от его геометрических параметров и угла открытия;

- способ регулирования водораспределения в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин поддержанием дискретных уровней;

- способ регулирования водораспределения по общему каналу гидравлической связи в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин.

Новизна разработок подтверждена 10 авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы. Определенные взаимозависимости гидравлических и геометрических параметров новых конструкций представляют теоретическую основу для расчета подобных устройств, сокращают объем исследований. Разработанные способы водораспределеиия и средства для их реализации в каналах для ДМ, водовыпускное и подпорно-перегораживающее устройства (в т.ч. рабочие чертежи ППУ) снижают затраты материальных ресурсов на внедрение средств автоматизации в каналах для ДМ, а их использование сокращает на 10-15% непроизводительные и на 25-33% фильтрационные потери воды.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены: на фирме «Краснодарагромехполив», где использован способ водоподачи в канал для ДМ (а.с. №1500204); в управлении эксплуатации оросительных систем с использованием ДМ «Кубань» Крымского района на канале-оросителе 2-ЗК, где построен опытный образец ППУ (а.с. №1445638).

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях: «Эффективность использования мелиорируемых земель и водных ресурсов в орошаемом земледелии» (ВСХИ, г. Волгоград, 1984 г. и 1990 г.); «Совершенствование гидротехнических сооружений» (МГМИ, г. Москва, 1985 г.); «Повышение эффективности использования водных ресурсов Северного Кавказа» (НИМИ, г. Новочеркасск, 1988 г.); КубГАУ, г. Краснодар, 1981-1992 гг., 2001-2004 гг. Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 научных работах и 10 авторских свидетельствах на изобретения. На защиту выносятся:

- способ регулирования водораспределения в каналах оросителях для дождевальных машин поддержанием дискретных уровней (ПДУ);

- способ регулирования водораспределения по общему каналу гидравлической связи (ОКГС) в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин;

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 119 наименований, и приложения. Работа изложена на 165 листах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и направлений исследований.

В первой главе «Современное состояние и анализ каналов для дождевальных машин оросительных систем Краснодарского края» определены основные тенденции развития технологий орошаемого земледелия, рассмотрены особенности распределительных и оросичельных каналов для ДМ. Выполнены обзор, анализ способов и технических средств водораспределения, разработанных и описанных российскими учеными: Я.В. Вочкарсвмм, М.З. Панкиным, П.И. Коваленко, Э.Э. Маковским, A.M. Михайлснко, Е.В. Овчаровым. Изучены работы и конструкции: С.Г. Бойко, A.M. Буцыкина, М.С. Григорова, И.В. Гаарамадзе, А.А.Горбунова, A.M. Жарковского, А.Н. Иванова, В.Н. Корнева, А.С. Лугового, М.Ш. Марголина, СВ. Попова, А.А. Пахомова, М.П. Пензина, А.А. Перевезенцева, В.П. Руднева, Ю.А. Свистунова, А.В. Соболева, М.Х. Унаева, В.Н. Щедрина и других инженеров и ученых-исследователей.

Выявлено, что оборудование для автоматического регулирования во-дораспределения в нижнем звене оросительных систем практически не применяется. Пятая часть каналов-оросителей для ДМ построена с подпорными сооружениями ручного управления (шандорного типа).

Определены главные особенности процесса водозабора. Otмечены основные условия и требования, предъявляемые к способам и средствам регулирования водораспределения, сформулированы цель и задачи исследований. Во второй главе «Обоснование и разработка способов и технических средств реализации процесса водораспределения» произведена классификация способов автоматизации водораспределения с учетом применяемых схем поливай особенностей водозабора из каналов-оросигелей. PajpaGoian способ водораспределения поддержанием дискретных уровней (а.с.№ 1500204).

2 1 3 \ У В мни \ \ У И макс г

\ / / ;

\ / -

- -

Ш III III Ш Щ III Ш III ш III III И! III III III III III III Щ III 11{

Рис. 1 -Способ водораспределеиия поддержанием дискретных уровней: 1 - дождевльная машина; 2 - водовыпуск-регулятор уровня воды; 3 - переливная стенка-перемычка; 4 - сбросное сооружение.

При установке нескольких равноудаленных подпорных перемычек, разделяющих капал на п бьефов (рис.1), установка датчика водовыпуска 2 для регулирование уровня воды на отметке гребня перемычки по-

зволяет нижнюю часть канала оставлять сухим. В условиях равновероятностной продолжительности работы ДМ 1 доля сокращения объема естественных потерь Д^ на испарение и фильтрацию определяется по формуле:

При одной перемычке (два бьефа) потери снижаются на 25%, при двух - на треть, в случае установки бесконечного числа подпорных сооружений (или при подвижной перемычке)

Учет особенности ДМ - требование рабочих глубин только в створе водозабора - позволяет применить новое решение. Разработан способ регулирования водораспределения с помощью общего канала гидравлической связи (а.с.№1143800), который заключается в одновременном открытии всех вышележащих затворов после падения уровня воды в бьефе водозабора ниже заданной отметки. Воздействие управляющего сигнала передается на затворы

подпорных сооружении по внешнему малоинерционному каналу связи (рис.2).

Рис. 2 - Система для реализации способа автоматизации водораспределения с общим каналом гидравлической связи при уклоне канала ^0,0001.

1 - канал-распределитель; 2 - водозабор в канал связи; 3 - трубопровод-канал связи; 4 - стабилизатор расхода воды; 5 - регулятор уровня; 6 - ППУ; 7 - датчик уровня; 8 - ДМ; 9 - концевое сбросное сооружение

По сравнению с известным регулированием по нижнему бьефу (РНБ) время добегания дополнительного расхода в последний бьеф канала при п подпорных сооружениях сокращается на величину:

где длина канала связи, м;

скорость распространения волны излива (наполнения) в канале, м/с; время срабатывания одного затвора, с.

Сокращение времени добегания расхода позволяет по сравнений с РНБ увеличить количество подпорных сооружений и увеличить в 1,2-1,7 раза уклон дна автоматизированных каналов распределителей и оросителей.

Для реализации предложенных способов разработаны конструкции водовыпускных (а.с. №№ 1198469, 1332273, 1665345, 1827665) и подпорных устройств (а.с. №№1027329, 1165734, 1261585, 1445638). Составление прогноза значимости технических решений и получение критериев их сравнения с аналогами произведено по методике Гмашинского В.Г. (табл. 1) преобразо-

ванием заложенных в конструкции технических идей в количественные характеристики. Экспертный анализ разработанных конструкций, учитывающий тенденции и направления развития технических систем, позволили выделить среди них наиболее соответствующие решению поставленных задач.

Таблица 1 - Результаты прогнозирования эффективности технических решений

Наименование технического решения, номер авторского свидетельства Код позиций, которым удовлетворяет техническое решение Суммарный вес Категория прогнозирования

Затвор цилиндрический скользящий (ЗЦС), № 1332273 11,13, 14, 15,21,22,23,31,35, 41,42,45,53 0,62 И.

Затвор клапанный проти-вогидроударный (ЗКП), 1665345 11, 12,14,15,21,22,23,25,31, 33,35,41,42,45,53 0,74 И.

/ .

'' Ыаап» \ ¡4* У Рис. 3-ЗКП

Крышевидный пружинный затвор, № 1027329 11,12,14,15,22,24,31,32,33, 34,35,41,42,45,53 0,66 Пс

Крышевидный поплавковый затвор, № 1165734 11,12,14,15,21,22,24,31, 32,33,34,35,41,42,45,53 0,68 П.

Г1ПУ с водонаполняемой оболочкой, 1261585 11,12, 13,14,21,22,31,32, 33,34,35,41,42,44,45,54 0,68 Пс

ППУ с пневматическим приводом, X» 1445638 11,12,14,15,21,22,25,31, 32,33,34,35,41,42,44,45,53 0,75 п.

Из водовыпускных сооружений наиболее перспективен ЗКП (а.с. № 1665345), состоящий из оголовка 2, перекрываемого закрепленным на штоке 10 клапаном 11. Управление ЗКП осуществляется датчиком уровня 13, сооб-

щающим камеру давления 4 с регулируемым бьефом 14. Из подпорных сооружений в дальнейшей работе с целью исследования и применения в каналах-оросителях принято ППУ с пневмоприводом (а.с. № 1445638) (рис.4).

Рис.4-ППУ

1 - наклонная неподвижная стенка;

2 -канал для ДМ;

3 - щит-поплавок; 4,5,7 - воздуховод; 6 - пневмопривод.

В третьей главе «Теоретическое обоснование и исследование технических средств водораспределения» изложены программа исследования, подходы к разработке параметра оптимизации конструкции ППУ и выбора метода планирования эксперимента. Величина параметра оптимизации растет при повышении удерживаемого гидравлического перепада г (рИС. 5) и увеличении герметичности устройства обратно пропорциональной длине

контура уплотнения и материалоемкости. Герметичность определяется величиной усилия прижатия поплавка к наклонной стенке, при этом прямо пропорциональна моменту выталкивающей силы поплавка и обратно пропорциональна моменту создаваемому весом поплавка относительно оси вращения. В расчетах принята величина относительного момента

(3)

Рис. 5 - расчетная схема ППУ

Изменяемые факторы: угол наклона ао, высота Т и консоль S поплавка (рис. 5). Параметр оптимизации II

имеет вид безразмерного отношения:

(4)

где Во — ширина водопропускного отверстия в наклонной стенке, м.

Графическая иллюстрация параметрического поля в кодированных величинах с пунктирной линией оптимальных значений приведена на рис. 6. Величина не оказывает существенного влияния. ,

Высота поплавка,Т

неподвижной стенки,

Рис. б - Проекция параметра оптимизации П на плоскость ОД, Т

В области оптимальных значений Т угол наклона неподвижной стенки лежит в пределах (Хо—44-45°, Таким образом, в дальнейших исследованиях приняты: максимальное значение высоты поплавка угол наклона

неподвижной стенки

ЦПУ - регулятор уровня, работающий на принципе уравновешивания моментов сил, действующих на его подвижные части. Щит устройства имеет одну степень свободы и постоянную массу, что допускает возможность оценки по известному критерию устойчивости затворов-автоматов вращательного движения (по Я. В. Бочкареву):

(5)

где Мс - момент сил сопротивления повороту щита-поплавка, Нм;

Afp-момент движущих сил, Нм;

угол поворота щита-поплавка, град;

Н- напор на пороге неподвижной стенки, м.

Исследования проведены с целью экспериментального определения сил гидродинамического давления на щит. Физическая модель ППУ в масштабе 1:4 исследована в гидравлическом лотке лабораторного корпуса Кубанского ГАУ по общепринятой методике приборами, прошедшими метрологическую поверку. Моделирование выполнено по закону гравитационного подобия Фруда. В результате эксперимента получены зависимости, характеризующие скорость изменения моментов действующих сил. Определены частные производные условия гидродинамической устойчивости затвора:

Неравенство (6) выполняется при углах наклона щита ППУ является устойчивым в режиме наполнения нижнего бьефа. При действии импульса сил, направленного вверх: момент выталкивающих сил поплавка уменьшается, поскольку щит приподнимается над уровнем нижнего бьефа; момент сил гидродинамического сопротивления увеличивается, т.к. щит двигается против течения; и щит возвращается на место под действием разности моментов сил.

В работе ППУ выделено два режима пропуска расхода воды: а) наполнение канала; б) поддержание заданного уровня воды в нижнем бьефе. В первом случае пропускная способность определяется параметрами неподвижной наклонной стенки. Во втором случае пропускная способность ППУ определяется параметрами отверстия, образуемого неподвижной наклонной стенкой и затвором-поплавком. Второй режим в наибольшей степени опре-

деляет свойства системы регулирования водораспределения. Пропуск воды через ППУ представлен как истечение через два симметричных противолежащих подтопленных водослива треугольного профиля с изменением направления потока на 90". В основу теоретического расчета положена известная гипотеза о независимости подтопленной и неподтопленной частей струи.

0=С>|+(32. (7)

где - общий расход через ППУ, м3/с;

(}| - расход неподтопленной части струи, м3/с;

<3г - расход подтопленной части струи, м3/с.

Расход неподтопленной части струи определяется по формуле

где Ц| - коэффициент расхода отверстия;

глубина воды в верхнем бьефе, м;

В - ширина струи по верху, определяемая по формуле:

В^Н^а- Одао), (9)

Ввиду того, что скорость подхода к сооружению весьма мала и составляет величиной скоростного напора в расчетах можно пренебречь. Расход через подтопленную часть отверстия определяется из выра-

жения:

где коэффициент расхода;

Ю - площадь подтопленной части отверстия, м2 Интегрируя выражение (3.13), получим

или с учетом (9)

(10)

(И)

Qi=-jyH,(ctga- ctga„)^g(5tf-32)z!.

Полагая, что

«в = (ctga- ctga0)(H-z) , Q2=2n2(ctga- ctga0)(H-z)2 -Щр,

(12)

(13)

(14)

Граница между подтопленной и неподтопленной частями струи является условной. Струя неразрывна и степень её сжатия в приграничном пространстве если отличается, то незначительно. Поэтому в расчете принято, что

Подставляя полученные значения расходов в исходное

уравнение (7), определим суммарный расход через ППУ

Q=|i(ctga-ctga0) JTgz [2(H-z)2+-i(5tf-3z>].

Преобразуем (15) далее в вид

(15)

(16)

( 4 г 3 2г

Произведение безразмерного коэффициента и удвоен-

ного коэффициента расхода Ц обозначим новым коэффициентом:

.Li Iii

3 Я + 5 Я!

-> t 4 2 '

Окончательно

Q=m(ctga - ctgao)H2 -Jlgi

(17)

(18)

Теоретически выведенная зависимость (18) положена в основу экспериментальных гидравлических исследований модели. С точностью аппроксимирует экспериментальные значения /Лц линейное уравнение:

ца = 0,02а -0,18,

а -

угол наклона щита-поплавка, град.

По результатам экспериментальных исследований определена пропускная способность затвора клапанного противогидроударного (ЗКП). Гидравлические особенности затвора состоят в последовательном размещении двух местных сопротивлений И ¿¡^. Переход от горизонтального подаю-

щего трубопровода к вертикальному оголовку затвора осуществляется с помощью фланцевого колена с поворотом на 90° в соответствии с рис. 7.

Рис. 7 - Гидравлическая схема ЗКП

Анализ влияния величины открытия клапана а на коэффициент выходного сопротивления показал, что график близок к кривой гиперболического

а а

типа с асимптотами

зультатам исследования установлено, что: изменение размеров клапана затвора в диапазоне не оказывает существенного влияния на его пропускную способность; взаимовлияние сопротивлений выхода и колена с плавным поворотом на 90° замедляет рост пропускной способности во-довыпуска с увеличением относительного открытия; удаление клапана от

выходного отверстия на величину более > практически, не оказывает

влияния на коэффициент сопротивления ЗКП; расчет коэффициента сопротивления ЗКП по известной методике с выбором ¡^аых по таблицам для выхода потока на бесконечный экран с вероятностью 95% завысит коэффициент

на среднюю величину 5 —7+2 %. Полученная эмпирическая зависимость (20) произвести расчет

позволяет п

Ьсу.ЧЛ! „

1,82^-0,123

(20)

где ¿¡сумм ~ коэффициент сопротивления водовыпуска;

С копна ' коэффициент сопротивления колена с плавным поворотом на 90°.

Определены ограничения для найденной зависимости (20):

0,2<.~<0,5; 80000 5 Ле< 500000 ; 1,15ййс1< 1,60;

В четвертой главе «Производственные испытания и экономическая эффективность способа водораспределения поддержанием дискретных уровней» разработана программа испытаний и выполнен расчет экономической эффективности технических средств реализации способа.

По программе производственных испытаний подпорно-перегораживающего устройства проведены исследования: гидравлических параметров; режима пропуска дождевальной машины из бьефа в бьеф без прекращения полива; способа водоподачи поддержанием дискретных уровней; приспособленности конструкции подпорно-перегораживающего устройства для пропуска плавающего мусора.

Разработаны номограммы рис. 8, позволяющие подобрать основные геометрические размеры ППУ для заданного перепада уровня г.

В качестве объекта внедрения выбран канал-ороситель 2-ЗК управления эксплуатации оросительных систем с применением ДМ «Кубань» (УЭОС) Крымского района Краснодарского края. Ороситель 2-ЗК (длина 2000 м) выполнен в монолитной бетонной облицовке с заложением откосов Ш =1,5 шириной по дну Ь = 0,8 М и строительной глубиной Ь =1,10 М. Водо-подача в ороситель осуществляется из канала-распределителя через оголовок, оборудованный регулятором уровня воды нижнего бьефа. Концевые

бьефы распределителей снабжены сбросными сооружениями с ручной регулировкой, а оросителя - автоматической неподвижной переливной стенкой. Нвб з 0,90 м

0,25

0,2

N 0,15 с

а 0,1

0,05

......■ а=40

-♦ а=45

~> м- ___*---- -------- * а=50

ч г **

0,1

0,2

0,4

0,5

0,6

0,74 0,73 0,72 0,71 0,7 0,(9 0,М 0,17

« а=50 ■

■ . ■•■« • - -

Ч- N ^ —ц- а=45

ч к

В = 0,80 м ч >ч

0 0,1 0,2 0,1 0,4 0,5 0,8

Относительная высота поплавка-затвора, Т/1.

Рис. 8 - Номограмма расчета основных параметров ППУ

Разработанное ППУ изготовлено в мастерской УЭОС «Кубань» и установлено на пикете ПК 10, разделяющем канал на две равные части (рис. 9). Проведено сравнение расчетных и фактических значений расходов сооружения. Расхождение величин находится в пределах границ доверительного интервала +5%. В результате производственных испытаний разработанных спо-

соба водоподачи и опытного образца ППУ установлены. 1) соответствие натурных значений гидравлического перепада и расхода ППУ расчетным параметрам; 2) возможность перехода ДМ через створ ППУ без прекращения полива; 3) возможность применения способа ПДУ в существующих каналах-оросителях со строительной глубиной приспособленность

конструкции ППУ для пропуска плавающего мусора, 5) целесообразность применения указанных разработок в производстве.

Рис. 9 - Работа ППУ в период заполнения оросителя 2-ЗК

0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2

1 1 1

Расчетный расход ППУ

Граница доверительного интервала 1 1 1

0,12 0,14 0,18 0,18 0,2 0,22 0,24 Расход, мЗ/с

Рис. 10 - Сравнение фактического и расчетного расходов

Основным экономическим результатом внедрения способа водораспре-деления ПДУ является сокращение потерь оросительной воды. В качестве доходности альтернативного вложения капитала - принята ставка рефинансирования ЦБ РФ. Расчеты чистого дисконтированного дохода (ЧДД) и срока окупаемости вложений в строительство ППУ произведены по общепринятой методике: является положительным. Дисконтированный срок окупаемости инвестиций Т0, составляет менее одного года и в 10 раз меньше срока службы ППУ, что свидетельствует об экономической эффективности инвестиций в предлагаемый способ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Современное состояние гидротехнических сооружений в каналах для ДМ на оросительных системах Краснодарского края и применяемых в настоящее время способов водораспределения показывают, что имеются возможности их совершенствования с целью рационального использования водных ресурсов.

2. С учетом особенностей технологии орошаемого земледелия, каналов и ДМ разработаны новые способы водораспределения (а.с. №№1143800 и 1500204), водовыпускные и подпорно-перегораживающие устройства для их реализации (а.с.№№1027329,1165734, 1198469, 1261585, 1332273, 1445638, 1665345, 1827665), позволяющие обеспечить экономию 10-15% воды в каналах ДМ.

3. Экспертным методом прогнозирования установлено, что наиболее перспективными конструкциями для условий Краснодарского края являются: ЗКП (а.с. №1665345) и ППУ (а.с. №1445638), обеспечивающие поддержание эксплуатационных уровней в оросителях с точностью соответственно

и +7 СМ.

4. Установлено исследованиями на физической модели и натурным экспериментом, что расход ППУ необходимо определять по формуле (18), обеспечивающей точность расчета Коэффициент сопротивления ЗКП следует вычислять по формуле (20) при точно-

сти 5 = +5,2 %, или для приближенных расчетов (5 = +9%) определять £...... по

известным таблицам для выхода потока на бесконечный экран.

5. Способ водораспределения с общим каналом гидравлической связи (а.с. 1143800), по сравнению с регулированием по нижнему бьефу, позволяет в 1,2 - 1,7 раза увеличить уклон дна оросителя в зависимости от числа перемычек и сократить объем земляных работ до 10 000 м3, за счет более экономичной врезки профиля канала в рельеф местности.

6. Наибольший экономический эффект достигается при совместном использования способов полива «от середины» и водораспределения поддержанием дискретных уровней (а.с.№ 1500204). ЧДД от применения способа составляет 9,5 тыс. руб./км канала при сроке окупаемости менее одного года.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. На существующих оросительных системах имеется возможность без реконструкции канала-оросителя устанавливать в нем автоматизированные средства водораспределения и регулирования.

2. Подпорно-перегораживающее устройство может быть изготовлено в условиях механических мастерских организаций по технической документации, имеющейся у разработчика.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в 25 работах, в том числе:

1. А. С. 1027329 СССР МКИ Е02В 7/48. Крышевидный затвор / КубГАУ авт. Луговой А. А., Луговой А. С, Матвеев Н. 3. - Бюл. №25,1983.

2. А. С. 1143800 СССР МКИ Е02В13/00. Способ водораспределения на открытом канале и система для его осуществления/ КубГАУ авт. Луговой АА, Луговой А.С, Бочкарев Я.В. - Бюл. №9,1985.

3. А. С. 1165734 СССР МКИ Е02 В 7/48. Крышевидный затвор для оросительных ка-налов/КубГАУ авт. Луговой А.А., Луговой А. С, Матюшин Н. Н. - Бюл.№25,1985.

4. А. С. 1198469 СССР МКИ С05Д 9/00. Устройство для регулирования уровня воды / КубГАУ авт. Луговой АА., Луговой А.С, Мысин И.П., Шишкин Б.И. - Бюл. №46, 1985.

5. А. С. 1261585 СССР МКИ А 01 025/02, Е 02 В 7/48. Устройство для перехода ДМ через подпорное сооружение / КубГАУ авт. Луговой АА., Луговой А.С. - Бюл. № 13,1986.

6. А. С. 1332273, СССР МКИ Е 02 В 13/02. Водовыпуск-регулятор уровня воды / КубГАУ авт. Луговой АА., Луговой А.С., Рой СВ. - Бюл. №31, 1987.

7. А. С. 1445638 СССР МКИ АО 1 025/00. Подпорное сооружение для дождевальных машин / КубГАУ авт. Луговой АЛ., Панов СВ. - Бюл. №47,1988.

8. А. С. 1500204 СССР МКИ А01025/02, Е02В13/02. Способ водоподачи в канал для ДМ / КубГАУ авт. Луговой А.А., Луговой А.С., Панов СВ. - Бюл. №30,1989.

9. А. С. 1665345 СССР МКИ Е 02В13/02. Регулятор уровня воды в бьефах ГТС/Куб-ГАУ авт. Луговой А.А., Луговой А.С., Рой СВ. -Бюл .№27,1991.

10. Луговой А.А. Регулирование режима работы канала для ДМ «Кубань» / А.С. Луговой, А.А. Луговой // Сб. науч. тр. Прогрессивная техника полива с/х культур. -Новочеркасск: НИМИ, 1984. - С. 41-45.

11. Луговой А. А., Система водораспределения на открытом канале / А.А. Луговой // Сб. науч. тр. Совершенствование конструкций гидротехнических сооружений. -Краснодар: КСХИ, 1984. - Вып. 250. - С 44-48.

12. Луговой А. А. Технологические схемы и технические средства автоматизации во-дораспределения на оросительных системах с ДМ "Кубань"/ А.А. Луговой // Деп. Ж-л. Орошение с-х культур. Осушение с-х угодий. - Москва: ВНИИТЭИ, 1986.-Хо373ВС-86№11.-29с.

13. Луговой А. А. Автоматизированный водовыпуск для закрытой оросительной сети / А.А. Луговой, СВ. Рой // Сб. науч. тр. Гидротехнические сооружения мелиоративных систем. - Краснодар: КСХИ, 1987. - Вып. 274. - С. 79-85.

14. Луговой А. А. Совершенствование водораспределения на оросительных системах

с применением ЭДМФ « Кубань». / А.А. Луговой, А.С. Луговой // Материалы науч. конференции. Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве. -Новочеркасск:НИМИ, 1989.-С.158-159.

15. Луговой А. А. Пути совершенствования водораспределения на оросительных системах с использованием МДЭФ Кубань/ А.А. Луговой, СВ. Панов // Сб. науч. тр. Совершенствование конструкций гидротехнических сооружений. - Краснодар: КГАУ, 1989. - Вып. 298. - С. 35-38.

16. Луговой А. А. Оптимизация параметров подпорно-перегораживающего устройства для оросителей ДМ «Кубань»./ АА. Луговой, Н.И. Аксёнова, Л.Н. Гаврюхова // Сб. науч. тр. Автоматизация и водомерность гидротехнических сооружений. -Краснодар: КГАУ, 1990. - Вып. 311. - С.10-14.

17. Луговой А.А. Конструкции каналов-оросителей для ДМ "Кубань" / А.А. Луговой, А.С. Луговой // Сб. науч. тр. - Краснодар: КГАУ, 1992. - Вып. 326. - С. 36-40 -

18. Луговой А.А. Оценка перспективности конструкций затворов и подпорно-перего-раживающих устройств/А.А. Луговой, ЮА. Свистунов // Материалы науч. конференции. Гидротехнические мелиорации и повышение эффективности технических средств орошения в Краснодарском крае. - Краснодар: КГАУ, 2003. - С.34-35.

19. Луговой А. А. Расчет подпорно-перегораживающего устройства для ДМ "Кубань"/ А.А. Луговой // Материалы 6 межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития мелиорации на Северном Кавказе». -Краснодар: Научный журнал КубГАУ, 2004. - Вып. №1. Ырр://е.|.kubagro.ru

20. Луговой А.А. Динамика производства овощей на орошаемых землях Краснодарского края/А.А. Луговой, А.С. Луговой // Материалы 6 научно-практической конференции. Проблемы и перспективы развития мелиорации на Северном Кавказе. -Краснодар: Научный журнал КубГАУ, 2004. - Вып. № 1. Мрр://е] .kubagro.ru

Лицензия ИД 02334

14.07.2000

Подписано к печати 22.11.04 Формат 60x80 /16

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л. 1 Заказ 713

Тираж 100_

Отпечатано в типографии КубГАУ, 350044, Краснодар, Калинина, 13

126108

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Луговой, Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ КАНАЛОВ ДЛЯ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

1.1 Характеристика и анализ каналов дождевальных машин

1.1.1 Характеристика и анализ каналов-оросителей

1.1.2 Характеристика и анализ процесса орошения во взаимосвязи с другими процессами сельскохозяйственной технологии

1.1.3 Технические условия и требования к способам и средствам регулирования водораспределения в каналах-оросителях

1.2 Обзор и анализ способов регулирования водораспределения

1.3 Обзор и анализ средств регулирования водораспределения

1.4 Цель и задачи разработок и исследований

2 ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ 37 СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1 Схемы автоматизации водораспределения на каналах оросительных систем

2.1.1 Классификация схем автоматизации водораспределения

2.1.2 Согласование схем полива и способов автоматизации водораспределения

2.2 Способы автоматизации водораспределения

2.2.1 Способ автоматизации водораспределения поддержанием дискретных уровней

2.2.2 Способ автоматизации водораспределения с помощью общего канала гидравлической связи

2.3 Технические средства регулирования водораспределения

2.3.1 Напорные водовыпуски-регуляторы уровня

2.3.2 Крышевидные затворы

2.3.3 Подпорно-перегораживающие устройства непрямого действия

2.4 Оценка перспективности разработанных конструкций

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТА И

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 3.1 Разработка программы исследования подпорноперегораживающего устройства

3.2 Определение оптимальных параметров подпорноперегораживающего устройства

3.3 Исследование гидродинамического взаимодействия подпорноперегораживающего устройства с потоком

3.4 Теоретическое обоснование расчета и исследование пропускной способности подпорно-перегораживающего устройства

3.4.1 Теоретическое обоснование расчета подпорно- юд перегораживающего устройства

3.4.2 Экспериментальные исследования пропускной способности «| «15 подпорно-перегораживающего устройства

3.5 Теоретическое обоснование расчета и исследование пропуск- -|-|д ной способности затвора клапанного противогидроударного

3.5.1 Теоретическое обоснование расчета пропускной способности 1 -( затвора клапанного противогидроударного

3.5.2 Модель и методика проведения эксперимента

3.5.3 Анализ экспериментальных данных

4 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СПОСОБА ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОДДЕРЖАНИЕМ ДИСКРЕТНЫХ УРОВНЕЙ

4.1 Расчет параметров конструкции подпорно-перегораживающего устройства для реализации способа водораспределения под- 127 держанием дискретных уровней

4.2 Программа и результаты испытаний

4.3 Экономическая эффективность использования способа и технических средств водораспределения

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин"

В настоящее время в Краснодарском крае широко распространены оросительные системы с применением поливной техники. Орошается, в основном, дождевальными машинами - 34 тыс. га. В то же время, имеющаяся межхозяйственная оросительно-сбросная сеть и другая водохозяйственная инфраструктура позволяют при минимальных затратах на восстановление увеличить доступную для орошения площадь до 217 тыс. га (уровень 1990 г.) и создать предпосылки для быстрого роста в крае валового сбора овощных, кормовых культур. Только для современных фронтальных дождевальных машин типа «Кубань» и «Valley» [92, 119], позволяющих решить эту задачу, в крае с 1981 года построено 24 тыс. га оросительных систем. 6,5 тыс. га эксплуатируется и будет реконструировано на территории Динского района до 2008 года.

Однако, с момента пуска в эксплуатацию первых систем, обнаружились проблемы рассогласования степени автоматизации современной дождевальной машины и процесса водораспределения. Высокий уровень автоматизации поливной техники не использован в полной мере. Ручное управление процессом водоподачи и переходом поливных машин через подпорные сооружения в открытом оросительном канале потребовало содержания дополнительного (сверхнормативного) эксплуатационного персонала. Вызвало повышенные потери водных ресурсов (до 15-20% от потребляемого объема [20, 71]), увеличило затраты на их приобретение. По данным исследователей [46] организационно-технологические простои, дождевальной машины «Кубань», составляли в среднем 41% непроизводительных потерь времени. Сложившееся положение объясняется несогласованностью элементов технологии орошаемого земледелия и недостаточным вниманием к возможностям гидравлической автоматизации процесса водораспределения в каналах для дождевальных машин.

Гидроавтоматизации сооружений для открытых каналов посвящены работы известных ученых: Я.В. Бочкарева [22-24], М.З. Ганкина [29], П.И. Коваленко [44], Э.Э. Маковского [63], A.M. Михайленко [67], Е.В. Овчарова [24], В.И. Сергеева [88] и других авторов. Систематические исследования существующих и разработка новых технических средств водораспределения для открытых каналов-оросителей с использованием автоматизированной поливной техники начались с середины 80-х годов. Некоторые авторы рассматривали возможность применения существующих способов для водораспределения на каналах с использованием дождевальных машин: A.A. Горбунов [33, 34], В.Н. Корнев [46], М.П. Пензин, B.C. Касицын [72], A.A. Переве-зенцев [75], В. П. Руднев [78-80], А. В. Соболев [92], М. X. Унаев [92], Л. А. Федорякова, А. Е. Чернова [102], В. Н. Щедрин [109]. Другие предлагали новые способы: А. М. Буцыкин [25], И. В. Гварамадзе [30], А. М. Жарков-ский, М. Ш. Марголин [38], Ильмер [42], в т. ч. для каналов-оросителей с уклонами более 0,001. Автоматизации перегораживающих сооружений в каналах прямоугольного профиля посвящены работы С. Г. Бойко [20, 21]. Для подачи воды из открытого распределительного канала разработаны автоматизированные водовыпуски А. А. Пахомовым [71].

Однако, указанные работы не содержат комплексного решения для условий Краснодарского края, где каналы-оросители для дождевальных машин выполнены трапецеидального профиля и с уклонами менее 0,0004, а распределительные каналы - закрытыми, в виде напорного трубопровода. Таким образом, проблема совершенствования способов и технических средств водораспределения в каналах для ДМ является актуальной, а её решение имеет научно-прикладное значение.

Изложенный в настоящей работе материал посвящен исследованию указанной проблемы и является итогом научно-исследовательской работы автора, которая выполнялась в 1981-2002 гг. в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских и хоздоговорных работ Кубанского ГАУ. Актуальность темы подтверждена проведением исследований в рамках госбюджетной тематики №01200113465, тема 9 «Геосистемный мониторинг, охрана вод и водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв».

Цель диссертационной работы - совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин как объектов технологии орошаемого земледелия, обеспечивающей рациональное использование водных ресурсов. Для ее достижения поставлены задачи исследований:

- разработать способы распределения воды в мало- и среднеуклонных (до 0,001) каналах для дождевальных машин;

- экспериментально определить влияние на пропускную способность водовыпускного сооружения, с затвором клапанным противогидроударным (ЗКП), его геометрических параметров;

- произвести испытание ППУ в натурных условиях;

- разработать методику расчета параметров ППУ для типовых сечений каналов;

- произвести расчет экономической эффективности применения способа распределения воды поддержанием дискретных уровней.

Предмет исследования - экспериментальные и функциональные связи, определяющие зависимость пропускной способности ППУ и ЗКП от их геометрических параметров и параметров поперечного сечения канала для дождевальных машин.

Результаты исследования, составляющие научную новизну:

- зависимость коэффициента гидравлического сопротивления водовы-пуска от величины относительного открытия запорного клапана и отношения его диаметра к диаметру водовыпускного отверстия;

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях гидравлики, экспериментальных данных, полученных на специальных лабораторных установках и моделях. Применены: теория планирования эксперимента, методы математической статистики, программное обеспечение Mathcad 2000, MS Office. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается адекватностью масштабных физических моделей и натурного образца, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов и результатами производственных испытаний созданного ППУ, а также результатами исследований других авторов.

На защиту выносятся:

- способ регулирования водораспределения по общему каналу гидравлической связи в каналах распределителях и оросителях для дождевальных машин;

В части разделов диссертации использованы материалы, полученные автором совместно с доктором технических наук, чл. корреспондент РАСХН Я. В. Бочкаревым, доктором технических наук, профессором Ю. А. Свисту-новым, профессором А. С. Луговым, инженерами: Н. 3. Матвеевым, С. В. Роем, С. В. Пановым, Н. Н. Матюшиным, И. П. Мысиным, Б. И. Шишкиным.

Автор выражает благодарность техническим экспертам научно-исследовательских и водохозяйственных организаций Краснодарского края, давшим оценку значимым составляющим характеристик средств водораспределения, которые сведены в генеральные определительные таблицы (подраздел 2.4).

Автор искренне признателен сотрудникам гидромелиоративного факультета Кубанского ГАУ, ОАО «Компрессорный завод», УЭОС «Кубань» принимавшим участие в разработке, изготовлении моделей устройств и проведении экспериментальных исследований, оказавшим консультационную помощь.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Луговой, Андрей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

2. С учетом особенностей технологии орошаемого земледелия, каналов и ДМ разработаны новые способы водораспределения (а.с. №№1143800 и 1500204), водовыпускные и подпорно-перегораживающие устройства для их реализации (а.с.№№1027329, 1165734, 1198469, 1261585, 1332273, 1445638, 1665345, 1827665), позволяющие обеспечить экономию 10-15% воды в каналах ДМ.

4. Установлено исследованиями на физической модели и натурным экспериментом, что расход ППУ необходимо определять по формуле (18), обеспечивающей точность расчета +5% в диапазоне расходов 0,15-0,22 м3/с (разработаны расчетные номограммы). Коэффициент сопротивления ЗКП следует вычислять по формуле (20) при точности 5 =±5,2 %, или для приближенных расчетов (5 = +9%) определять £вых по известным таблицам для выхода потока на бесконечный экран.

5. Способ водораспределения с общим каналом гидравлической связи (а.с.1143800), по сравнению с регулированием по нижнему бьефу, позволяет в 1,2 - 1,7 раза увеличить уклон дна оросителя в зависимости от числа перемычек и сократить объем земляных работ до 10 000 м3, за счет более экономичной врезки профиля канала в рельеф местности.

6. Наибольший экономический эффект достигается при совместном использования способов полива «от середины» и водораспределения поддержанием дискретных уровней (а.с.№ 1500204). ЧДД от применения способа составляет 9,7 тыс. руб/км канала при сроке окупаемости менее одного года.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Луговой, Андрей Александрович, Краснодар

1. А. С. №1027329 СССР, МКИ Е02В 7/48. Крышевидный затвор / А. А. Луговой, А. С. Луговой, Н. 3. Матвеев // Бюл. №25, 1983

2. А. С. №1063920 СССР, МКИ Е02В 7/44. Устройство для регулирования уровня воды в открытом канале с откосами /В. Н. Щедрин,

3. B.Б.Ковшевацкий и Г.Г. Куковский // Бюл. №46, 1983

4. А. С. №1143800 СССР, МКИ Е02В 13/00. Способ водораспределения на открытом канале и системе для его осуществления./ А. А. Луговой, А. С. Луговой, Я. В. Бочкарёв // Бюл. №9, 1985

5. А. С. №1165734 СССР МКИ Е02 В 7/48. Крышевидный затвор для оросительных каналов / А. А. Луговой, А. С. Луговой, H. Н. Матюшин // Бюл. №25, 1985

6. А. С. №1198469 СССР МКИ G 05Д 9/00. Устройство для регулирования уровня воды / A.A. Луговой, А. С. Луговой, И. П. Мысин, Б. И. Шишкин // Бюл.№46, 1985

7. А. С. №1261585 СССР МКИ А 01 G25/02, Е 02 В 7/48. Устройство для перехода дождевальной машины через подпорное сооружение. / A.A. Луговой, А. С. Луговой // Бюл. № 13, 1986

8. А. С. №1289426 СССР МКИ A01G25/00. Подпорная перемычка гидротехнического сооружения /A.B. Соболев, В.А. Столбушкин //Бюл.№6, 1987

9. А. С. №1323649 СССР МКИ Е 02В 13/00, A01G25/16. Способ управления водоподачей в оросительный канал с ДМ и устройство для его осуществления / Ю. И. Гринь, А. М. Жарковский, М. Ш. Марголин и Ф.Н.Гончаров // Бюл. №26, 1987

10. А. С. №1332273, СССР МКИ Е 02 В 13/02. Водовыпуск-регулятор уровня воды. / A.A. Луговой, А. С. Луговой, С. В. Рой // Бюл. №31, 1987

11. А. С. №1363149, СССР МКИ Е 02 В 13/02. Регулятор уровня в бьефах гидротехнических сооружений / Ю. А. Свистунов, Б. И. Сергеев и др. // Бюл. №2, 1988

12. А. С. №1416949, СССР МКИ Е 02 В 13/02. Регулятор уровня в бьефах гидротехнических сооружений / Ю.А. Свистунов, И.М. Макаренко // Бюл. №29, 1988

13. А. С. №1445638 СССР МКИ А01 G25/00. Подпорное сооружение для дождевальных машин. / А. А. Луговой, С. В. Панов // Бюл. №47, 1988.

14. А. С. №1500204 СССР МКИ А01 G 25/02, Е02 В13/02. Способ водопода-чи в канал для дождевальной машины / A.A. Луговой, А. С. Луговой,

15. C.B. Панов // Бюл. №30, 1989.

16. А. С. №1562405, СССР МКИ Е 02 В 13/02. Автоматизированный водо-выпуск./ Ю.А. Свистунов // Бюл. №17, 1990.15

Информация о работе

Луговой, Андрей Александрович
кандидата технических наук
Краснодар, 2004
ВАК 06.01.02

Диссертация

Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы