Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов

Челахов, Василий Царукович

Автореферат диссертации по теме "Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов"

На правах рукописи

ЧЕЛАХОВ ВАСИЛИЙ ЦАРУКОВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ОТКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и

охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в отделе контроля поливной техники и технологии орошения Федерального государственного научного учреждения «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации».

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, академик РАСХН Щедрин Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Кошкин Николай Михайлович - кандидат технических наук, доцент Кравчук Алексей Владимирович

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Донской государственный

аграрный университет»

Защита состоится «17» ноября 2005 г. в 1200 на заседании диссертационного совета К 220.061.01 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Автореферат разослан «//>> октября 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ФК. Абдразаков

^ "V ^

Актуальность работы. Интенсивная эксплуатация открытой сети на оросительных системах без ее комплексной оценки надежности, преобладание экономических целей над экологическими, способствовала развитию деструктивных процессов на орошаемых землях Ростовской области. Эти отклонения могут быть столь значительными, что дальнейшая эксплуатация всей оросительной системы становится экологически опасной. Существующие методы оценки надежности временной и постоянной открытой оросительной сети основаны на детерминистическом подходе к решению проблемы и практически не учитывают воздействие экологических факторов.

В настоящее время отсутствует комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети. Продолжение и развитие идей оценки надежности определяют теоретическую и прикладную актуальность данной работы.

Исследования по теме диссертации выполнены в рамках тематического плана межведомственной координационной программы «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» обеспечивающей развитие агропромышленного комплекса РФ на 2001 - 2005 г г, поз. 01.04 «Разработать адаптивные ресурсосберегающие способы орошения, технологии и технику полива сельскохозяйственных культур».

Цель работы - разработка комплексной системы оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка комплексной системы оценки надежности оросительной сети с учетом показателей технического состояния, подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса, ирригационной эрозии, видового состава ландшафта;

- изучение факторов, влияющих на надежность временной открытой оросительной сети;

- проведение статистической оценки надежности облицованных и лотковых каналов оросительных систем на водосборах Нижнего Дона;

- оптимизация интервала проведения ремонтных и восстановительных работ для предупреждения снижения

^аджрюотонлльнля

ВИБЛИОТКХА

- определение экономической оценки результатов исследований и разработка рекомендаций производству.

Научная новизна заключается в следующем:

- выявлены и обоснованы экологические факторы и критерии, влияющие на надежность оросительных сетей на водосборах Нижнего Дона;

- разработана комплексная система оценки надежности оросительной сети с учетом экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель;

- произведена оценка экологической надежности открытой оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов, выноса гумуса, подъема уровня грунтовых вод и засоления почв;

- разработана усовершенствованная ярусная иерархическая модель надежности элементов открытой оросительной сети с учетом экологических факторов и методика моделирования;

- получены экспериментально-статистические модели надежности функционирования открытых оросительных сетей для оптимизации решения рецептурно-технологических задач комплексной системы оценки надежности и проведения профилактических мероприятий;

- предложены научно обоснованные усовершенствованные методы оценки временной открытой оросительной сети и способы повышения надежности противофильтрационных облицовок на каналах

Объект исследований - открытая оросительная сеть Багаевско -Садковской и Нижне - Донской оросительных систем Ростовской области.

Методы исследований. Задачи, поставленные в диссертации, решались путем проведения комплексных полевых, лабораторных и теоретических исследований. В основу теоретических исследований легли: теория вероятностей, математическая статистика, теория оценки надежности гидромелиоративных систем и объектов, теория планирования эксперимента. Обработка опытных данных велась статистическими методами с привлечением стандартных пакетов прикладных программ STATISTICA, EXCEL и MATHCAD.

Достоверность полученных результатов обеспечена статистическими методами оценки эксперимента, вероятностной проверкой адекватности полученных математических моделей и сопоставимостью результатов теоретических и натурных исследований.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по применению предложенных способов комплексной оценки надежности оросительных сетей, обеспечивающих возможности: применения рациональных методов профилактических работ, снижения затрат на ремонт и реконструкцию, обоснование единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности, сохранения посевных площадей, поддержания благоприятной экологической обстановки на орошаемых массивах расположенных в зоне действия открытой оросительной сети.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в проектную документацию ГУ «Южводпроект» (г. Ростов-на-Дону) в составе проектов реконструкции открытых оросительных сетей. Использованы ГУ «Ростовводмелиорация» (г. Ростов-на-Дону) в практике эксплуатации межхозяйственных и внутрихозяйственных оросительных систем орошаемых хозяйств Багаевского, Веселовского, Семикаракорского районов Ростовской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно - практической конференции ученых ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, 2003 г.), на научно - практических семинарах ФГНУ РосНИИПМ (Новочеркасск 2003-2005 г.г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах. Общий объем публикаций составляет 1,4 печ. л. из них лично соискателя 1,1 печ. л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 212 стр. машинописного текста, включает в себя 44 таблицы и 29 рисунков. Список используемой литературы включает 160 наименований.

Личный вклад автора заключается в обосновании цели и задач исследований, методике их проведения и формулировке научных положений и

производственных рекомендаций по повышению эффективности оценки надежности оросительных систем, проверке результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «введении» обосновывается актуальность работы, приводится цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса исследований в области оценки надежности открытой оросительной сети. На основе трудов акад. Ц.Е. Мирцхулавы, B.C. Алтунина, Т.А. Алиева, И.А. Долгушева, JI.H. Картвелишвили, A.B. Колганова, Ю.М. Косиченко, И.И. Науменко, М.Ф. Натальчука, В.И. Ольгаренко, С.С. Савватеева, A.JI. Цырульникова, В.Н. Щедрина, Б.Б. Шумакова и др. проведен анализ показателей и критериев надежности работы открытых оросительных систем. Рассмотрены основные виды воздействий оросительной сети на компоненты окружающей среды и существующие подходы к оценке экологической устойчивости оросительных сетей. Выявлена необходимость разработки комплексной системы оценки с учетом экологических факторов.

Во второй главе приводится характеристика природных условий района исследований и изучаемых объектов. На территории Нижнего Дона практически не осталось земель, которые бы не испытали антропогенное воздействие, преимущественно негативного характера. На сельскохозяйственных угодьях наблюдается прогрессирующее распространение следующих негативных процессов: ирригационная эрозия, дегумификация, засоление, осолонцевание, подъем уровня грунтовых вод, переуплотнение, переувлажнение, подтопление.

В третьей главе излагается программа и методика проведения исследований. Разработана программа исследований, выбраны методы исследований, составлена структурная схема проведения исследований. Методологической основой проводимых исследований являются комплексные полевые, лабораторные и теоретические методы.

Изучение показателей технического состояния открытой оросительной сети проводилось с помощью методик разработанных в РосНИИПМ, НГМА, ВНИИГиМ, РАСХН, с учетом рекомендаций Ц.Е. Мирцхулавы,

А.В. Колганова, В.Н. Щедрина, Ю.М Косиченко, В.И Ольгаренко, И.А. Долгушева, М.Ф. Натальчука.

Четвертая глава посвящена разработке комплексной системе оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов и усовершенствованию ярусной иерархической модели надежности оросительной сети. Для проведения исследований определены критерии, определяющие продолжительность нормальной эксплуатации открытой оросительной сети, оценочные показатели которых, в результате детального анализа исследований многих авторов сведены в структурную схему,

представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема долговечности оросительной системы где: N - общее количество участков одного элемента; Тр, - наработка г-того элемента до капитального или среднего ремонта; Тра - наработка /-того элемента до списания; tp - время работы системы за период эксплуатации;

- суммарное время простоев за период эксплуатации по причине отказов, ремонтных и профилактических работ; tLfl(t) - среднее время между отказами оборудования; 7> среднее время восстановления; P(to) - вероятность безотказной работы.

Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов составлена на основе накопленного опыта и

аналича последних работ по вопросам оценки надежности и экологической устойчивости оросительных систем (рисунок 2).

Рисунок 2 - Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов где Рэ = 7/т]тр, г/ - фактический КПД оросительной сети; г]тр- требуемый КПД оросительной сети; <т - коэффициент допустимого снижения КПД оросительной сети; ДА,„,„- допустимое повышение уровня грунтовых вод; Дй „ - общее среднее повышение уровня грунтовых вод на орошаемой площади за время Сат - допустимая концентрация солей в почвогрунте; С -концентрация солей в точке па глубине /г в момент ? ; <©„„„„,- допустимое

уменьшение запасов гумуса; ЗВ изменение вымывания гумуса из почвы; с]ао„ - допустимая норма эрозии почв; д - величина водной эрозии почв за счет склонового стока, размыва борозды или полосы и разрушающего действия капель дождя на почву; Лест - комплексная оценка (показатель) видового состава естественного ландшафта; Лантр - показатель видового состава

антропогенного ландшафта (при орошении); а - допустимая степень снижения видового состава ландшафта.

Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети включает оценку условий по показателю технического состояния открытой оросительной сети, засолению и эрозии почв, подъему уровня грунтовых вод, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя и преобразования ландшафта орошаемых земель.

Основные результаты проведенной комплексной оценки технического состояния ОС приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Комплексная оценка технического состояния ОС

Наименование канала О В £ Длина, км Глубина, м Грунты основания Глубиназалегания уровня грунтовых вод КПД Вероятность обеспечения технической надежное™

1 2 3 4 5 6 7 8

Багаевский ЪЛК зо,о 36,45 3-4,5 тина 1,5 -3 0,75 0,83

Бг-Р-7 8,7 22,62 1.6 суглинки 3-5 0,75 0,84

Вг-Р-8 <5,5 7,80 1 ,5 - 1,85 су глин ки, глины 3-5 0,80 0,84

донской :мк 25 0,0 112,2 6,5-8,0 сугл 0,5-0,8 0,89 0,86

НижнеДонской МК 25,6 73,90 2,0-3,0 тина ДО 3 0,90 0,88

Пролетарский МК 54,0 33,4 4,5 сугл 0,5-5 0,35 0,87

Результаты комплексной оценки технического состояния каналов оросительных систем (таблица 1) позволяют говорить о относительно высоком уровне технической надежности Донского, Нижне-Донского и Пролетарского магистральных каналов.

Проведенная оценка экологической надежности открытой оросительной сети, в зависимости от обеспечения допустимого повышения уровня грунтовых вод показала, что открытая оросительная сеть, Багаевско-Садковской ОС, характеризуется низкой экологической надежностью. Для Багаевско-Садковской ОС Ргв, в зависимости от глубины залегания грунтовых вод на орошаемых землях, вероятность обеспечения экологической

надежности по требуемым показателям составляет 0,492 - 0,562, а для Нижне - Донской ОС, Рга - 0,458 - 0,487.

По результатам расчетов можно заключить, что вероятность выполнения условия работоспособности открытой оросительной сети по засолению почв, вследствие подъема УГВ характеризуется более высокими показателями, чем вероятность выполнения условия работоспособности по допустимому подъему УГВ (Багаевско - Садковская ОС - Ртст = 0,62 для хозяйственной открытой оросительной сети и 0,68 для государственной открытой оросительной сети; Нижне - Донская ОС - 0,59 и 0,71 - соответственно).

Для оценки влияния открытой оросительной сети на протекающие процессы ирригационной эрозии была разработана усовершенствованная иерархическая схема. Показатель экологического влияния для каждого элемента рассматриваемой оросительной системы рассчитывался по формуле:

K3 = (n/N) + (s/Son), (1)

где п - число элементов, надежность которых зависит от работы рассматриваемого элемента; N— общее количество элементов в системе; Son -площадь орошаемых земель, находящихся на балансе рассматриваемого участка оросительной системы; s - число площадей, качество орошения которых зависит от экологической надежности рассматриваемого элемента.

Изучаемый участок открытой оросительной сети в составе Багаевско-Садковской оросительной системы обеспечивает полив на площади 20 тыс. га и включает в себя следующие элементы: Багаевский магистральный канал, два межхозяйственных распределителя БГ-Р-7 и БГ-Р-7-1 и четыре хозяйственных канала; вода в систему подается из Донского магистрального канала; полив осуществляется дождеванием. Для построения иерархической модели рассчитывали коэффициенты эксплуатационного влияния для каждого из ключевых элементов.

Полученные данные, были проанализированы с помощью программы MS EXCEL 2002. В результате анализа была построена иерархическая схема участка открытой оросительной сети (рисунок 3).

Иерархическая схема подразделена на несколько уровней: 1-й уровень включает в себя элементы, экологическая надежность которых является главенствующим показателем для безопасного функционирования системы в целом; 2-й уровень содержит элементы экологической надежности, которые отражаются на межхозяйственные участки; 3-й уровень объединяет элементы, влияющие экологической надежностью эксплуатации на эрозионную опасность открытой внутрихозяйственной сети.

У2.1

У1 1

У 1.2

У 1.4

У2.Э

У2.2

У2.4

1 уровень

2 уровень

3 уровень

Рисунок 3 - Иерархическая схема участков оросительной сети

Каждый из рассмотренных элементов участков открытой оросительной сети включает в себя факторы, влияющие на снижение экологической надежности. Уровень влияния элемента на работоспособность определяем, исходя из его расположения в иерархической схеме.

Очевидно, что уровень влияния магистрального канала на экологическую надежность составит в процентном соотношении - 100 %, а при наличии нескольких распределительных каналов на рассматриваемом участке, влияние каждого соответственно составит

р„ы„к=юо%/тс, (2)

где Мк - количество распределительных каналов.

Уровни влияния межхозяйственных распределителей Ржм „х найдутся в

зависимости от показателя Р„ обследуемом участке:

и числа межхозяйственных каналов ЛЛ,Т на

р = р /м

1 же 7 и.т 1 эк вл и к ' "ив

(3)

При таком подходе можно получить значение экологической надежности в % и сделать вывод о ее состоянии.

Определена шкала степени влияния снижения экологической надежности элементов участка открытой оросительной сети Багаевско -Садковской оросительной системы:

У1 = 40%; У 1.1 = 40%; У 1.2 = 20%; У1 3 = 20%; У 1.4 = 20%;

У2 = 60%; У2.1 = 60%; У2.2 = 30%; У2.3 = 30%; У2.4 = 30%.

Следовательно, если, например, элемент У 1.4, не обеспечивает допустимые значения экологических показателей на орошаемом участке то можно сделать вывод о том, что экологическая эффективность работы участка сети У1 снизилась на 20%.

Основное негативное влияние ирригационной эрозии заключается в нарушении режимов работы временной и постоянной внутрихозяйственной оросительной сети. В обследованных хозяйствах Багаевского, Веселовского, Семикаракорского, Мартыновского районов, на территориях которых расположены изучаемые объекты, смыв с одного погонного метра временной оросительной сети достигает 0,4 - 0,9 м3 в год, а в некоторых случаях свыше 2 м3. По полученным данным определено влияние уклонов на количество смываемого грунта (рисунок 4).

ООъем смытого грунта, м^ V= 0.0556-19 3705*х-1 5076-y+8394,0S79~x^+0.CI226-X"y-8.33d5-y"y

■■О 3 м3

НО 26м3

ГО 0,22м3

□□О.10М3

□ 0.14м3

№ 0.1м3

ШШ о.обм3 /

Рисунок 4 - Влияние уклонов внутрихозяйственной открытой ОС на объем V смываемого грунта в зависимости от уклонов и расстояний от водовыпусков.

И2 = 0,995.

Анализируя полученные результаты можно установить, что в настоящее время на орошаемых по бороздам полях обеспечивается низкий уровень

экологической надежности работы временной оросительной сети Р„„ = 0,14 -0,56. В 80 % случаев будет происходить отказ сети.

Полив дождеванием в рассматриваемых районах получил наиболее широкое распространение, как средство наиболее эффективное в отношении механизации в условиях сложного рельефа. По результатам обработки экспериментальных данных построена поверхность регрессии, позволяющая производить оценку экологической надежности открытой оросительной сети в части водной эрозии при поливе дождеванием (рисунок 5).

Рисунок 5 - Поверхность регрессии Ра =/(/ ,<?), при поливе дождеванием Ра = 21,6259-1849,7783*г+0,5122*^+39250,2421*/*г-5,2399*г*<?-0,0411*<7*4 Коэффициент достоверности Л =0,986 При поливе дождеванием экологическая надежность работы оросительной сети составит Рд = 0,17 - 0,45, что свидетельствует о завышенных поливных нормах и происходящей деградации орошаемых почв.

Проведенные расчеты свидетельствуют о довольно низкой вероятности безотказной работы открытой оросительной сети по допустимому уменьшению запасов гумуса, особенно при поверхностных способах полива. Вероятность безотказной работы по допустимому изменению запасов гумуса в корнеобитаемом слое при поливе дождеванием, в зависимости от типа почв, составляет Рг = 0,47 - 0,70, а при поверхностном поливе - Я = 0,31 - 0,65.

Для проведения экологической оценки ландшафтов орошаемых земель определяли вероятности совместного выполнения всех условий

работоспособности и коэффициенты корреляции фактических значений и функций работоспособности.

Проведенные исследования позволили построить эколого-ладшафтные карты орошаемых земель по Багаевско - Садковской и Нижне - Донской ОС (рисунок 6, а, б).

Пролетарским канал

Условные обозначения | | - стадия экологического кризиса

вр^) . стадия экологического риска | | - стадия экологической нормы

Р С ал Условные обозначения

| - стадия экологического кризиса | стадия экологического риска I I - стадия экологической нормы

Рисунок 6 - Эколого-ландшафтные карты деградации орошаемых массивов: а) Багаевско-Садковская ОС; б) Нижне-Донская ОС По полученным данным сделан вывод о том, что вероятность выполнения условий работоспособности открытой оросительной сети, по комплексу показателей, обеспечивает изменение естественного состояния

ландшафта в рамках стадии экологического риска для Багаевско-Садковской ОС - Р„= 0,61, для Нижне-Донской ОС - Я,^0,34; в стадии экологического кризиса соответственно: Р,=0,19 и />,=0,45. Вероятность выполнения условий работоспособности по другим стадиям незначительна (не превышает 10 %).

В пятой главе приведена статистическая оценка надежности открытой оросительной сети.

На основании оценки статистических показателей (таблица 2) следует, что в любой произвольно выбранный момент времени водопроводящая сеть в виде облицованных каналов и лотков Багаевско-Садковской ОС имеет большую вероятность безотказной работы (коэффициенты технического использования соответственно: 0,933 и 0,953 против 0,91 для облицованных каналов Нижне - Донской ОС). Сравнение числовых значений наработок на отказ подтверждает сделанный вывод. Период между двумя последовательными отказами на открытой сети Багаевско - Садковской ОС: 44,78 и 55,46 часа, а на открытой сети Нижне - Донской ОС - 37,8 часа. Открытая сеть Багаевско - Садковской ОС требует примерно в 1,5-2 раза меньше времени на восстановление по причине нерегламентированных простоев, необходимых для поиска места отказа и его устранения.

Таблица 2 - Данные по эксплуатационной надежности облицовок каналов на открытой оросительной сети

Объект Глубина воды в канале, м Г £ 3 е Количество элементов Отказ

1 1 Си си « X ® 3 п О & 6 ё от В- 1 э о § Плиты, шт Стыки, шт Всего, шт | Плиты, 1 шт Стыки, шт

КФХ 1,5 19 3,0 1477 1200 1198 2398 432 564

«Семи кар акор-ский»

КФХ 1.2 19 0,96 834 384 382 766 148 171

«■Новей опого-

вский»

КФХ 1,3 19 4,3 2238 1720 1704 3424 316 209

«Донской»

Для статистической оценки надежности железобетонных плит облицовки и стыковых соединений использовали натурные показатели по каналам, относящимся к 1 и 2 ярусам иерархической схемы открытой оросительной сети. Получены данные по эксплуатационной надежности облицовок каналов открытой оросительной сети.

В рамках работы одной из задач был поставлено повышение надежности оросите пьных систем за счет оптимизации интервала проведения ремонтных и восстановительных работ.

Анализ ранжированных кривых показал, что наибольшее влияние на проницаемость и прочность плит оказывают: время эксплуатации (Х|); протяженность облицовки (х2); расход воды в канале (хД Влиянием остальных факторов можно пренебречь. Незначительное влияние фактора х4 в исследуемом интервале варьирования позволило стабилизировать его на нулевом уровне Такой подход позволил перейти от трехфакторных к двухфакторным моделям вида:

Y1 = 158,1 + 14,9xi- 67,1х2- 138,Зх2, + 74,3х22 + П,7х,х2, (4) Y2 = 27,3 + 2,4Х| + 3,4х2 - 4,1х2, - 4,5xV 2,7х,х2, (5)

В результате проведенных исследований установлено, что на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км, при расходе воды 0,5 - 0,7 м3/с и времени эксплуатации 6-8 лет (от пуска в эксплуатацию после последнего капитального ремонта) научно обосновывается время проведения предупредительных ремонтов (заштрихованная область рисунка 7) обеспечивающих экологическую надежность работы с вероятностью Р = 85 %.

0,>5 0,8 1,0 Протяженность, км

Рисунок 7 - Критическое сочетание факторов по двум функциям откликов для исследуемой оросительной системы

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по контролю технического и экологического состояния открытых оросительных

систем, которые учтены при разработке схемы функционирования службы контроля состояния ОС.

Шестая глава содержит экономическую оценку результатов исследований и предлагаемого комплекса мероприятий по улучшению экологически неблагополучных земель. Расчеты эколого-экономической эффективности орошаемого земледелия осуществляются на основе полученного экономического и экологического конечного результата с учетом суммарных объемов ущерба и привлеченных затрат на его ликвидацию.

Проведение агротехнических мероприятий в заданном соотношении позволит минимизировать величину ущерба от снижения эрозии почв на 43,5 % и от совокупного проявления данного фактора с выносом гумуса на 24,1 % в общей величине ущерба, вызванного экологическим неблагополучием орошаемых земель. Внедрение результатов исследований позволило получить экономический эффект в Семикаракорском филиале ФГУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» в размере 38278,5 руб. и в ЗАО «Нива» Веселовского района Ростовской области - 182180,33 руб. на весь объем внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании экспериментально-теоретических исследований разработана комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель.

2. Для проведения комплексной оценки разработана усовершенствованная иерархическая модель экологической надежности открытой оросительной сети, которая заключается в разбивке открытой оросительной сети на участки, ограниченные точками водовыдела и расчете показателей экологического влияния для каждого участка.

3. Изучены факторы, влияющие на экологическую надежность открытой оросительной сети, которая при поверхностных способах полива на различных видах почв составляет Р„„ = 0,14 - 0,56, при поливе дождеванием Рд = 0,17 -0,45; Вероятность перехода £ орошаемых земель в стадию экологического

риска для Багаевско-Садковской ОС - Р,= 0,61, для Нижне-Донской ОС - Рл= 0,34; в стадии экологического кризиса соответственно: Рл=0,19 и Р., =0,45.

4. Установлено, что надежность железобетонных плит облицовки на оросительных каналах в значительной степени обеспечивается защитными свойствами бетона по отношению к стальной арматуре. Предложенные теоретические зависимости позволяют делать прогноз долговечности службы облицовки каналов Багаевско-Садковской и Нижне-Донской ОС. Вероятность обеспечения технической надежности - 0,83 - 0,87; вероятность обеспечения экологической надежности - 0,68.

5. Определены и научно обоснованы вероятностные значения интенсивностей отказов элементов Багаевско-Садковской и Нижне - Донской оросительных систем, которые позволили заключить, что наиболее вероятный интервал интенсивности отказов, для практического его использования составит 0.25-0.9 1 а среднее значение интенсивности отказов

км • год

0.528 ' с вероятностью Р = 68,6 %.

км год

6. С учетом теории надежности разработан новый подход к обоснованию оптимального времени проведения предупредительных ремонтов. Установлено, что на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км, при расходе воды 0,5 - 0,7 м3/с и времени эксплуатации 6-8 лет, по предлагаемой технологии проведения обследований, научно обосновывается оптимальное время проведения предупредительных ремонтов.

7. Внедрение научно-обоснованных положений по комплексу проводимых агромероприятий, с учетом влияния экологических факторов позволяет существенно повысить экономический эффект при эксплуатации оросительных систем Ростовской области. Фактический экономический эффект за счет предотвращения деградации земель и потерь урожая составил 220458,83 руб. на весь объем внедрения с площади 3730,7 га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Комплексную оценку надежности открытой оросительной сети следует проводить по предлагаемой методике, с учетом следующих экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта

орошаемых земель. Порядок организации и проведения оценки следующий: визуальные и инструментальные обследования для оценки технического и экологического состояния ОС должны проводится 3 раза в год: - весной, перед заполнением ОС водой; - летом (в период наиболее интенсивной эксплуатации); - осенью, после удаления воды из ОС; внеочередные осмотры ОС проводятся после отказов экологически надежной эксплуатации ОС или отдельных ее элементов.

2. Предупредительные ремонты на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км и при расходе воды 0,5 - 0,7 м3/с следует проводить по истечении 6-8 лет от пуска в эксплуатацию после последнего капитального ремонта.

3. С целью наивысшей отдачи от комплексно проводимых агромероприятий капитальные вложения по каждому виду почвенно-восстановительных работ и группе хозяйств необходимо, соответственно, осуществлять в следующем процентном соотношении: а) на мелиоративную обработку земель 18,62; 18,13; 15,88 %; б) на внесение химических мелиорантов 45,5; 43,86; 46,15 %; в) на внесение органических удобрений 35,88; 38,01; 37,97%.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Челахов В.Ц. Оценка противоэрозионных мероприятий в Ростовской области. // Проблемы водного хозяйства и мелиорации: Матер, науч. практ конф. ученых. Вып. 1. Новочеркасск, 2003. С. 147-149

2. Челахов В.Ц. Усовершенствование ярусной иерархической модели надежности открытых ОС. // Проблемы водного хозяйства и мелиорации: (Матер, науч. практ. конф. ученых. Вып. 1 Новочеркасск, 2003. С 149-152.

3. Васильев СМ., Челахов В.Ц. О скорости карбонизации защитного слоя бетонных облицовок оросительных каналов // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации». - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2004. - № 5-6. - С 123-126 (Автор - 70 %)

4. Челахов В.Ц. К вопросу эффективности эксплуатации оросительных систем Ростовской области. // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации» - М/ ЦНТИ «Мелиоводинформ» - 2004. - № 5-6. - С. 53 - 58

5. Челахов В.Ц. Оценка надежности бетонных облицовок на оросительных системах в зависимости от кинетики разрушения защитного слоя. // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации». - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2004. - № 5-6. - С. 127- 129.

6. Челахов В.Ц., Васильева Е.А. Оптимизация оценки загрязнения коллекторно-дренажного стока оросительных систем Багаевского, Веселовского и Аксайского филиалов Ростовоблмеливодхоза. // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации». - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2004. - № 3-4. - С. 70 - 78. (Автор 60 %).

7. Челахов В.Ц. Оценка экологической надежности открытой оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов. Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения: Сборник научных трудов ФГНУ «РосНИИПМ» / Под. Ред. В.Н. Щедрина - Новочеркасск, 2005. - С. 138-144.

8. Челахов В.Ц. Оценка экологической надежности открытой оросительной сети по условиям подъема уровня грунтовых вод. Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения: Сборник научных трудов ФГНУ «РосНИИПМ» / Под. Ред. В.Н. Щедрина - Новочеркасск, 2005. - С. 144 - 150.

9. Челахов В.Ц. Статистическая оценка показателей повышения надежности оросительной сети. // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации». - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2005. - № 3-4. - С. 77 - 82.

10. Челахов В.Ц. Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической надежности открытой оросительной сети. // Инф. бюл. «Вопросы мелиорации» - М . ЦНТИ «Мелиоводинформ». - 2005. - № 3-4. — С. 82 - 89.

Подписано в печать Тираж 100 экз._Заказ №

Типография ФГОУ ВПО «НГМА», ул. Пушкинская, 111, г Новочеркасск

»21175

РНБ Русский фонд

2006-4 20908

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Челахов, Василий Царукович

ВВЕДЕНИЕ

1. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ОС.

1.1. Основные направления исследований, понятия и показатели теории надежности.

1.2. Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность открытой оросительной сети.

1.3. Основные виды воздействия открытой оросительной сети на компоненты окружающей среды.

1.4. Критерии оценки эксплуатационной надежности ОС.

1.5. Существующие подходы к оценке экологической устойчивости ОС.

Выводы.

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗУЧАЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ.

2.1 Природно-климатические условия.

2.2 Геоморфология, геология и гидрогеология.

2.3 Состояние почв сельскохозяйственных угодий.

2.4 Объекты исследований.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Разработка программы исследований.

3.2 Выбор методов исследований.

3.3 Структурная схема проведения исследований.

3.4 Описание принятой методики исследований.:.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ ОТКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ С УЧЕТОМ

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

4.1 Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов. t 4.2 Разработка усовершенствованной ярусной иерархической модели экологической надежности открытой оросительной сети.

4.3 Оценка эксплуатационной надежности и долговечности бетонных противофильтрационных облицовок оросительных каналов.

4.4 Особенности формирования ирригационной эрозии на водосборах Нижнего Дона.

4.5 Оценка экологической надежности открытой оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов.

4.6 Оценка экологической надежности открытой оросительной сети по условиям подъема уровня грунтовых вод и засоления почв.

4.7 Экологическая оценка ландшафта орошаемых земель.

Выводы.

5. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ОТКРЫТОЙ

ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ.

5.1 Статистическая оценка показателей интенсивности отказов открытой оросительной сети.

5.2 Статистическая оценка показателей надежности облицовок оросительных каналов.

5.3 Оценка проницаемости тонкостенных бетонных конструкций на открытой оросительной сети.

5.4 Оптимизация интервала проведения ремонтных и восстановительных работ.

5.5 Рекомендации по контролю технического и экологического состояния открытых оросительных сетей.

Выводы.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов"

Актуальность темы. Интенсивная эксплуатация открытой сети на оросительных системах без ее комплексной оценки надежности, преобладание экономических целей над экологическими, способствовала развитию деструктивных процессов на орошаемых землях Ростовской области. Произошел подъем уровня грунтовых вод на значительных площадях, подтопление и засоление земель. Только за последние годы было списано более 20 тыс. га орошаемых земель из-за потери надежности эксплуатации магистральных и распределительных каналов, прогрессирующей ирригационной эрозии, засоления и заболачивания. В процессе эксплуатации оросительной сети все ее элементы подвержены воздействию различных факторов. Влияние этих факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от расчетных значений, изменения за время эксплуатации уровня грунтовых вод, пропускной способности, высоты командования и т.д. Эти отклонения могут быть столь значительными, что дальнейшая эксплуатация всей оросительной системы становится экологически опасной. Техническое состояние и эксплуатация оросительных систем в Ростовской области оцениваются как критические [75, 89]. Построенные 25-30 лет назад водозаборы и каналы, обслуживающие сложное мелиоративное хозяйство, требуют реконструкции [75]. Существующие методы оценки надежности временной и постоянной открытой оросительной сети основаны на детерминистическом подходе к решению проблемы и практически не учитывают воздействие экологических факторов. Отсутствие комплексной оценки надежности открытой оросительной сети с учетом прогрессирующей деградации почв отрицательно влияет на обоснованность административных решений в сфере сельскохозяйственного производства.

Комплексная оценка необходима для решения наиболее остро стоящих перед эксплуатационниками задач: разработки рациональных методов профилактических работ, изучения влияния надежности на эффективность эксплуатации, определения требований к надежности с

4 технических и экологических позиций, разработки и обоснования единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности и т.д. Перечисленный круг задач свидетельствует о необходимости дальнейшего всестороннего изучения факторов влияющих на надежность функционирования открытой оросительной сети. Продолжение и развитие идей в области оптимизации комплексной оценки надежности определяют теоретическую и прикладную актуальность данной работы.

Цель работы - разработка комплексной системы оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка комплексной системы оценки надежности оросительной сети с учетом показателей технического состояния, подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса, ирригационной эрозии, видового состава ландшафта;

- изучение факторов, влияющих на надежность временной открытой оросительной сети;

- проведение статистической оценки надежности облицованных и лотковых каналов оросительных систем на водосборах Нижнего Дона;

- оптимизация интервала проведения ремонтных и восстановительных работ для предупреждения снижения надежности;

- определение экономической оценки результатов исследований и разработка рекомендаций производству.

Научная новизна заключается в следующем:

- выявлены и обоснованы экологические факторы и критерии, влияющие на надежность оросительных сетей на водосборах Нижнего Дона;

- разработана комплексная система оценки надежности оросительной сети с учетом экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель;

- произведена оценка экологической надежности открытой оросительной сети в условиях развития эрозионных процессов, выноса гумуса, подъема уровня грунтовых вод и засоления почв;

- разработана усовершенствованная ярусная иерархическая модель надежности элементов открытой оросительной сети с учетом экологических факторов и методика моделирования;

- получены экспериментально-статистические модели надежности функционирования открытых оросительных сетей для оптимизации решения рецептурно-технологических задач комплексной системы оценки надежности и проведения профилактических мероприятий;

- предложены научно обоснованные усовершенствованные методы '0 оценки временной открытой оросительной сети и способы повышения надежности противофильтрационных облицовок на каналах.

Объект исследовании - открытая оросительная сеть Багаевско — Садковской и Нижне - Донской оросительных систем Ростовской области.

Методы исследовании. Задачи, поставленные в диссертации, решались путем проведения комплексных полевых, лабораторных и теоретических исследований. В основу теоретических исследований легли: теория вероятностей, математическая статистика, теория оценки надежности гидромелиоративных систем и объектов, теория планирования эксперимента.

Обработка опытных данных велась статистическими методами с привлечением стандартных пакетов прикладных программ STATISTICA, EXCEL и MATHCAD.

Достоверность полученных результатов обеспечена статистическими методами оценки эксперимента, вероятностной проверкой адекватности полученных математических моделей и сопоставимостью результатов теоретических и натурных исследований.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по применению предложенных способов комплексной оценки надежности оросительных сетей, обеспечивающих возможности: применения рациональных методов профилактических работ, снижения затрат на ремонт и реконструкцию, обоснование единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности, сохранения посевных площадей, поддержания благоприятной экологической обстановки на орошаемых массивах расположенных в зоне действия открытой оросительной сети.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в проектную документацию ГУ «Южводпроект» (г. Ростов-на-Дону) в составе проектов реконструкции открытых оросительных сетей. Использованы ГУ «Ростовводмелиорация» (г. Ростов-на-Дону) в практике эксплуатации межхозяйственных и внутрихозяйственных оросительных систем орошаемых хозяйств Багаевского, Веселовского, Семикаракорского районов Ростовской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены па научно - практической конференции ученых ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, 2003 г.), на научно -практических семинарах ФГНУ РосНИИПМ (Новочеркасск 2003-2005 г.г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах. Общий объем публикаций составляет 1,4 печ. л. из них лично соискателя 1,1 печ. л.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 212 стр. машинописного текста, включает в себя 44 таблицы и 29 рисунков. Список используемой литературы включает 160 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Челахов, Василий Царукович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании экспериментально-теоретических исследований разработана комплексная система оценки надежности открытой оросительной сети с учетом экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель.

2. Для проведения комплексной оценки разработана усовершенствованная иерархическая модель экологической надежности открытой оросительной сети, которая заключается в разбивке открытой оросительной сети на участки, ограниченные точками водовыдела и расчете показателей экологического влияния для каждого участка.

3. Изучены факторы, влияющие на экологическую надежность открытой оросительной сети, которая при поверхностных способах полива на различных видах почв составляет Рпп = 0,14 - 0,56, при поливе дождеванием Р^ = 0,17 -0,45; Вероятность перехода орошаемых земель в стадию экологического риска для Багаевско-Садковской ОС - Рл= 0,61, для Нижне-Донской ОС - Рл= 0,34; в стадии экологического кризиса соответственно: Рл=0,19 и Рл=0,45.

4. Установлено, что надежность железобетонных плит облицовки на оросительных каналах в значительной степени обеспечивается защитными свойствами бетона по отношению к стальной арматуре. Предложенные теоретические зависимости позволяют делать прогноз долговечности службы облицовки каналов Багаевско-Садковской и Нижне-Донской ОС. Вероятность обеспечения технической надежности - 0,83 - 0,87; вероятность обеспечения экологической надежности - 0,68.

5. Определены и научно обоснованы вероятностные значения интенсивностей отказов элементов Багаевско-Садковской и Нижне - Донской оросительных систем, которые позволили заключить, что наиболее вероятный интервал интенсивности отказов, для практического его использования составит 0,25*0,9 ' , а среднее значение интенсивности отказов си • год

0.528 ' с вероятностью Р - 68,6 %. км ■ год

6. С учетом теории надежности разработан новый подход к обоснованию оптимального времени проведения предупредительных ремонтов. Установлено, что на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км, при расходе воды 0,5 - 0,7 м3/с и времени эксплуатации 6-8 лет, по предлагаемой технологии проведения обследований, научно обосновывается оптимальное время проведения предупредительных ремонтов.

7. Внедрение научно-обоснованных положений по комплексу проводимых агромероприятий, с учетом влияния экологических факторов позволяет существенно повысить экономический эффект при эксплуатации оросительных систем Ростовской области. Фактический экономический эффект за счет предотвращения деградации земель и потерь урожая составил 220458,83 руб. на весь объем внедрения с площади 3730,7 га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Комплексную оценку надежности открытой оросительной сети следует проводить по предлагаемой методике, с учетом следующих экологических факторов: подъема уровня грунтовых вод, засоления почв, выноса гумуса из корнеобитаемого слоя, ирригационной эрозии и преобразования ландшафта орошаемых земель. Порядок организации и проведения оценки следующий:

Визуальные и инструментальные обследования для оценки технического и экологического состояния ОС должны проводится 3 раза в год:

- весной, перед заполнением ОС водой;

- летом (в период наиболее интенсивной эксплуатации);

- осенью, после удаления воды из ОС.

Внеочередные осмотры ОС проводятся после отказов экологически надежной эксплуатации ОС или отдельных ее элементов.

2. Предупредительные ремонты на участках оросительных каналов протяженностью 0,4 - 0,5 км и при расходе воды 0,5 - 0,7 м3/с следует проводить по истечении 6-8 лет от пуска в эксплуатацию после последнего капитального ремонта.

3. С целью наивысшей отдачи от комплексно проводимых агромероприятий капитальные вложения по каждому виду почвенно-восстановительных работ и группе хозяйств необходимо, соответственно, осуществлять в следующем процентном соотношении: а) на мелиоративную обработку земель 18,62; 18,13; 15,88%; б) на внесение химических мелиорантов 45,5; 43,86; 46,15 %; в) на внесение органических удобрений 35,88; 38,01; 37,97 %.

176

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Челахов, Василий Царукович, Саратов

1. Аверьянов С.Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грунтовых вод. М.: Изд-во АН СССР, 1956. - с. 26-40.

2. Адлер Ю.П. и др. Об одном методе информации при планировании эксперимента. // Планирование эксперимента. М.: Наука 1966.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий М.: Наука, 1476

4. Айдаров И.П., Голованов А.И. Мамаев М.Г. Оросительные мелиорации. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Колос, 1982.-176с.

5. Айдаров И.П., Голованов А.С., Никольский Ю.Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель. М.: Агропромиздат.1990-58с.

6. Алексеев С.Н. Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат 1976.-208с.

7. Алиев Т.А. и др. Прикладные исследования гидротехнических сооружений. -М.: ЦБНТИ «Водстрой» 1992. 258с.

8. Алиев Т.А., Картвешвили А.Н. Экологическая надежность гидромелиоративных систем. -М.: ЗАО «Мэйн», 2001 -50с.

9. Алимов А.Г. Эффективность и надежность оросительных каналов «Гидротехника» мелиорация, 1982, № 4 с.31-38.

10. Антонов Е.А. и др. Неразрушающий контроль воздухопроницаемости и пористости бетона // Реф. инф. «Промышленность сборного железобетона» -М.: ВНИИ ЭСМ,1975.-вып.7.-с. 10-11.

11. Аптиева Е.В., Иванова Н.А., Санников В.П. Обоснование водного режима корнеобитаемого слоя почвы. Меж. вуз. сб. науч. Трудов т.5. с-117-119

12. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970.-487с.

13. Батурин Г.В., Горшков Н.И. К вопросу повышения эксплуатационной надежности закрытых дренажных систем. Ташкент, 1980 - 235 с.14.