Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование технологических и технических решений по распределению стоков дождевальными машинами кругового действия

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических и технических решений по распределению стоков дождевальными машинами кругового действия"

На правах рукописи

РГ5 ОД

/ г..«,,1 •• I

Михалев Николай Вадимович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ СТОКОВ ДОЖДЕВАЛЬНЫМИ МАШИНАМИ КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 06.01.02. - сельскохозяйственная мелиорация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по сельскохозяйственными использованию сточных вод «Прогресс»

Научный руководитель

- кандидат технических наук Овцов Л.П.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор

Рязанцев А.И.

- кандидат технических наук Ильин С.П.

Ведущая организация — ИНПЦ «Союзводпоект»

Защита диссертации состоится «10» июля 2000г. в 10 часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 020.95.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова по адресу: 127550, г.Москва, ул. Большая Академическая, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « 9 » нюня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование больших объемов воды в промышленности, для нужд населения и в животноводстве, приводят к накоплению значительного количества сточных вод (СВ) и животноводческих стоков (ЖС),. СВ и ЖС (далее стоки) представляют большую опасность для окружающей среды. В тоже время они содержат органическое вещество и питательные элементы, и рациональное использование их в растениеводстве обеспечивает не только природоохранный эффект, но и решает проблему создания прочной кормовой базы животноводства. Кроме этого стоки являются одним из дополнительных резервов экономии водных ресурсов.

Технологический процесс орошения стоками оказывает удобрительное действие на почву и увеличивает урожай многолетних трав до 40%. На оросительных системах стоки в основном распределяются способом дождевания с применением следующей поливной техники: ДКН-80, ТКУ-100, ДФС-120, ДЦН-100, ДЦ-30-1. Как показал опыт их эксплуатации машины работают надежно при распределении подготовленных стоков, однако при этом наблюдается загрязнение окружающей среды и требуются значительные затраты ручного труда.

Наиболее соответствуют санитарно-гигиеническим, агромелиоративным и природоохранным требованиям многоопорные дождевальные машины для орошения в движении по кругу (МДМК). Была разработана МДМК для стоков свиноводческих комплексов дождевальная машина «Фрегат» ДМУ-Асс. Однако полностью автоматизируя процесс полива, машина не соответствовала требованиям экологической безопасности. Поэтому актуальной научно-технической проблемой является проведение исследований, позволяющих разработать технические и технологические решения, обеспечивающие экологически безопасное применение МДМК для распределения стоков на оросительных системах с использованием СВ и ЖС.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является обоснование и разработка технологических и технических решений по применению многоопориых дождеватьных машин, проводящих орошение в движении по кругу (МДМК), для экологически безопасного распределения стоков на сельхозугодьях.

В задачи исследований входило: определение и оценка свойств стоков, наиболее влияющих на гидравлические и мелиоративные характеристики насадок и машин, а также экологическое состояние орошаемого участка; установление экологических требований при дождевании стоками; разработка и определение характеристик насадок, позволяющих осуществлять близпочвенное распределение стоков (БРС); определение достоковых норм и

дальности распространения ветром капель и газообразных веществ стоков; разработка технических решений, повышающих технологическую надежность МДМК и устраняющих негативное воздействие колеи.

Методика исследований. Исследования проводились в Научно-исследовательском институте по сельскохозяйственному использованию сточных вод «Прогресс» в соответствии с планом НИР (Федеральная целевая программа «Плодородие почв» и отраслевая НГП «Мелиорация и гидротехника» по темам: 05.10.01. «Разработать технологию использования удобрительной ценности различных фракций навоза животноводческих комплексов и технологию увлажнительно-удобрительных поливов ими»; 1.10.4. «Разработать мероприятия по охране водных ресурсов и окружающей среды от загрязнения при эксплуатации оросительных систем с использованием сточных вод и навозных стоков на орошение».

Гидравлические и агротехнические исследования насадок проводили на специальных лабораторных и лабораторно-полевых стендах, спроектированных и изготовленных согласно общепринятым методикам и рекомендациям. Нолевые исследования и испытания проведены согласно РД 10.11.1 -89. Обработка результатов исследований проводилась на основе методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлены закономерности впитывания стоков с учетом хольматации почвы в зависимости от содержания в них сухого вещества; предложены методы определения достоковых норм;

- установлено влияние свойств стоков на процесс орошения дождевальными машинами кругового действия, определены экологические требования при дождевании стоками, дана методика определения санитарно-защитной зоны;

- разработаны методы расчета параметров дождевальных насадок для близпочвенно-го распределения стоков, установлены зависимости для определения их гидравлических и мелиоративных характеристик;

- получены технические решения для повышения технологической надежности дож-девачьных машин кругового действия.

Практическая значимость и внедрение. Разработаны рекомендации производству, позволяющие модернизировать дождевальные машины кругового действия для экологически безопасного распределения стоков на многоцелевых оросительных системах.

Результаты исследований использованы при составлении нормативного документа: «Оросительные системы с использованием сточных вод и животноводческих стоков» ВНТП-01-98 и при создании опытных образцов ДМУ «Фрегат» и «Кубань-ЛК-1», проводящих близпочвенное орошение животноводческими и промышленными стоками.

Многоопорные дождевальные машины для орошения стоками в движении по кругу внедрены на оросительных системах при Лакинском комплексе по откорму КРС во Владимирской области, и на Чапаевском животноводческом комплексе в Запорожской области, а также для внесения стоков Оренбургского газоперерабатывающего комплекса и Щебекин-ского биохимического завода в Белгородской области.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Научно-технических конференциях ВНИИССВ 1986-1993 гг.; ГрузНИИГиМ -1989 г., ВНИИГиМ - 19X6 г., 2000 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей (в соавторстве) и 4 авторских свидетельства.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности впитывания стоков и методы определения достоковых норм и размеров санитарно-защитной зоны при орошении МДМК;

- расчет параметров насадок для близпочвенного распределения стоков и зависимости по определению их гидравлических и мелиоративных характеристик;

- технические решения для обеспечения технологической надежности МДМК и исключения негативного воздействия колеи, образуемой круговыми машинами;

- рекомендации по модернизации МДМК для проведения экологически безопасного распределения стоков.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка литературы и 16 приложений.

В диссертации 136 страниц машинописного текста, включая 38. таблиц и 68. рис, список используемой литературы включает 112 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и положения, выносимые на защиту, а также результаты и практическая ценность работы.

В первой главе «Современное состояние вопроса полива сельскохозяйственных культур с использованием стоков» выполнен анализ применения различных способов орошения животноводческими стоками» Показано, что дождевание наиболее распространенный способ полива стоками, так как он высокопроизводителен и позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс орошения. Дана оценка свойств стоков, применяемых в орошаемом земледелии, приведены схемы оросительных систем и характеристика дождевальной техники для распределения стоков.

На основании разработок (Б.М.Лебедева, А.П.Исаева, Ф.И.Колесник, С.Х.Гусейн-заде, К.В.Губера, А.И.Рязанцева, Н.С.Ерхова, С.П.Ильина и других), а также исследований по свойствам жидкого навоза, навозных стоков, животноводческих стоков и сточных вод и закономерностей течения их в трубах, истечения из насадок и аппаратов (Е.Г.Алехин, И.И.Лукьянов, В.М.Новиков., Л.П.Овдов., В.А.Никитин., А.М.Буцыкип., В.И.Харковский., Г.И.Личман., А.Б.Юн. и других) была разработана технология гидротранспорта стоков по трубам на орошаемые участки и распределение их способом дождевания. Для выполнения этой технологии созданы следующие типы дождевальной техники:

фронтальные машины позиционного действия - ДКН-80, ТКУ-100Д и ДФС-120; дальнеструйные машины и аппараты: ДДН-100С, ДД-30-1 и др.; шланговые дождеватели полосового действия: ДП-ЗОС.

Эксплуатация этих машин показала, что они обеспечивают нормативную надежность, но имеют высокую траекторию полета струи (санитарно-защитная зона (СЗЗ) составляет 500800 м), требуют применения ручного труда. Структура дождя приводит к быстрому образованию поверхностного стока, что не обеспечивает подачу расчетной поливной нормы. Существующие дождевальные машины не удовлетворяют требованиям экологической безопасности.

Исследования и производственный опьгг показывают, что наиболее рациональной техникой для распределения стоков являются МДМК. Первая машина этого типа - «Фрегат» ДМУ-Асс позволяет автоматизировать технологический процесс и выдерживать заданную поливную норму, но применение на машине среднеструйных и дальнеструйных аппаратов приводит к загрязнению территории, прилегающий к орошаемому участку и быстрому образованию поверхностного стока. Для экологически безопасного применения МДМК на них должны быть использованы технические и технологические решения, позволяющие проводить близпочвенное распределение стоков и исключающие загрязнение почв, грунтовых и поверхностных вод. Тем самым подтверждается необходимость совершенствования технологических и технических решений по подаче и распределению стоков на орошение.

Во второй главе «Обоснование применения многоопорных дождевальных машин для полива стоками в движении по кругу» определены требования к экологически безопасному дождеванию стоками и рассмотрены теоретические предпосылки их выполнения.

На основе анализа возможного загрязнения воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод при дождевании стоками сформулированы следующие требования к экологически безопасному распределению стоков МДМК:

- близпочвенное распределение стоков с высотой полета капель дождя до 3 м. При этом равномерность полива должна быть не ниже 0,65 (Кэфф.>0,65), средняя крупность капель <1,5 мм, средняя интенсивность дождя - <0,8 мм/мин;

- полив должен проводиться без образования поверхностного стока или сброса жидкости с орошаемого участка, не допускается локальное накопление стоков, в т.ч. в колее от колес самоходных тележек;

- стоки должны быть подготовленными в соответствии с технологическими требованиями и размер твердых частиц в mix не должен превышать 10 мм. Коэффициент технологической надежное™ МДМК при распределении подготовленных стоков должен составлять не менее 0,98;

- должна строго выдерживаться расчетная норма полива и доза удобрений.

Условием максимальной равномерности орошения МДМК является постоянство слоя

осадков за проход (h) по всей площади полива - h«const (Кэфф.—>1). Для выполнения этого условия расходов насадок (q,) по длине машины нами рекомендуется следующая зависимость:

R, • Ь, ■ т„ В

q.= —-!-р— (1)

ю5-тт,„

где - R, - расстояние от неподвижной опоры до какой-либо насадки, м; Ь, - ширина полива этой насадкой с учетом перекрытия, м; тр - расчетная норма полива, м3/га; р - коэффициент потерь на испарение; Ттп - минимальный межполивной период, сут.

При пользовании формулой (1) значения R„ р и Тт,„ известны для конкретных условий и определяющими являются «bi» и тр. Параметр «Ь,» зависит от дальности полета капель (Rc) и можно принимать, что b,=aRc|. Известно, что Rcj и qj определяются свойствами стоков (С), диаметром сопла насадки (d^), напором в трубопроводе машины (Н,) и расходно-напорной характеристикой насадки, которая обобщается коэффициентом расхода (и). Эшора напоров (Н,) по длине трубопровода машины устанавливается с помощью стандартных гидравлических зависимостей, а Rci=/(c,dci, Hi) и «¡л», для решения уравнения qi=0,785dJj'HA/2gH~, могут быть определены только экспериментальными исследованиями. При этом необходим поиск типа насадок с низким ц, чтобы даже малые расходы (q=0,2...0,5 л/с) можно было выдавать при dc>10 мм, что повышает технологическую надежность МДМК.

Расчетная норма полива должна удовлетворять условию:

mc>mp<m,.c (2)

где тс - норма стоков для выдачи дозы удобрения, м3/га; шд с - достоковая норма при поливе СВ или ЖС.

Норма стоков т^ определяется по стандартным методикам, принятым в агромелиоративной практике. Рассмотрим более подробно тд.с поскольку полив без образования поверхностного стока является важным требованием экологической безопасности.

При поливе водой достоковая норма (тдв) в основном зависит от свойств почвы и структуры дождя (интенсивности и крупности капель). Наиболее обобщающей является методика, предложенная Н.С.Ерховым. Однако все предложенные методы определения тд и не учитывают свойств искусственного дождя. При орошении стоками это недопустимо из-за содержания в них твердых и длинноволокнистых частиц, кольматирующих поверхностный слой почвы, что приводит к уменьшению ее впитывающей способности. Толщину кольмати-рующей пленки (6) можно оценить следующей зависимостью:

6=Кв-ЬС, (3)

где К5 - коэффициент пропорциональности; Ь - слой осадков, мм; С - содержание в стоках сухого вещества, в долях единицы.

Поскольку при С—>0 и 5—>0, а шд с-> тдто целесообразно тдс представить в следующем виде:

=17Щ (4)

Если экспериментальные исследования позволят найти вид /(С), то, имея значения нормы до стока воды, можно будет пересчитывать ее для случая полива стоками. Для определения тдв необходимо экспериментальное определение структуры дождя насадок: интенсивность дождя 0ср) и средняя крупность капель (с1кф).

При орошении с применением МДМК локальные накопления стоков могут происходить даже если полив ведется нормой шдс. Это обуславливается двумя причинами: 1 - образование колеи колесами ходовых опор машины; 2 - низкая технологическая надежность машины.

В колее от ходовых опор из-за уплотнения почвы стоки не впитываются, и объем жидкости в ней (Ус) может быть определен по формуле:

Ус=2т1КтВкЬ, м3 (5)

где: Кт - расстояние от неподвижной опоры до какой-либо оси тележки, м; Вк - ширина образовавшейся колеи, м; 11 - слой осадков за проход, м.

Ориентировочные расчеты показывают, что только в одной колее накопление может составить более 4 м3. Это количество стоков не рассредотачивается по периметру колеи, а стекает по ней вниз по уклону, образуя локальное накопление стоков: возможно загрязнение

почв и грунтовых вод. Следовательно, нужны технические решения, исключающие негативное воздействие колеи.

Низкая технологическая надежность машины наблюдается, если происходит забивание насадок твердыми частицами или образуется осадок в трубопроводе и концевой части МДМК. При этом происходит перераспределение слоя осадков по длине машины: там, где насадки или трубопровод засорены, наблюдается недополив площади, а другие участки орошаются с переполивом, образуется поверхностный сток и локальные накопления поливной жидкости.

Забивание насадок исключается, когда диаметры сопл превышают размеры твердых частиц (<3Ч), т.е. с!с>сЗч, заиление же трубопровода предотвращается, если скорость течения стоков (у ) такова, что соблюдается условие -У1р > у^. Критическая скорость определяется из зависимости (Буцыкин, 1975)

% = = м/с (6)

где а - эмпирический коэффициент,^-^-; а=17; Сга - массовая концентрация взвесей; -иУ- гидравлическая крупность частиц, м/с; с^р - диаметр трубопровода, м.

Особенно подвержены заилению и забиванию концевые частиц машин (консоли), так как скорости течения в них минимальны и основная доля крупных частиц сносится потоком к тупиковым участкам трубопровода. Необходимы технические и технологические решения, предотвращающие образование осадка в консолях машин.

При орошении стоками машины оцениваются не только качеством полива и структурой дождя, но и возможностью загрязнений среды каплями и газообразными веществами.

Дальность распространения капель дождя (Ьдк) машины зависит от скорости ветра и времени падения капель:

Ьдк=Ка Ьк=Кв уср— (7)

V«

Где уср - средняя скорость ветра за время падения, м/с; Ъ - высота полета капель, м; V* - установившаяся скорость падения, м/с; Кв - коэффициент, учитывающий турбулизацию воздушного потока.

\гАЪ

Средняя скорость определяется уравнением угр = —-.

Учитывая, что скорость ветра в приземном слое воздуха (до Z=30 м) по высоте распределяется по логарифмическому закону, получаем:

= К.-—а--(8)

у^п—(г-г.)

Ло

где - высота шероховатости, при которой у2 =0; у2 - скорость ветра на высоте 2=2

Без учета К„ который определяется экспериментально, и принимая 2=3 м, а Уг=7 м/с, расчет по формуле 8 показывает, что мелкие капли (<1к=0,1 м/с) распространяются до 75 м от машины.

Газообразные вещества, а при орошении стоками это аммиак, являются загрязнителями, если их концентрация в воздухе превышает ПДК (для аммиака ПДК=0,2 мг/м3). Следовательно, за дальность распространения аммиака следует принимать расстояние от машины, перемещаясь на которое аммиак разбавляется воздухом до ПДК. Это расстояние (Ьдд) определяется следующей зависимостью:

= КА • ЬА = кА .е • -1 ^ = кд .1 ■ (Р • уА -1) = Кд/(5уа -1), (9)

где I • размер факела дождя машины по направлению ветра, м; уа - концентрация газообразного аммиака в «дождевом облаке» машины, мг/м3; Кд - коэффициент рассеивания

аммиака из «дождевого облака» при его движении; р = —^—, — (для аммиака р = 5—).

ПДК мг мг

Значения уА определяются по формуле: ОуК,* /3

уА = —-—, мг/м (10)

V. -V, ■ д

Где С? - расход машины, м3/с; у - концентрация аммиачного азота в стоках, мг/м3; К„ -коэффициент перехода аммиачного азота в газообразную форму (потери на испарения); V,-скорость ветра, м/с; Уд - объем дождевого облака, м3. Уд=/М • £а ■ Ъ, где (м - длина факела дождя (вдоль трубопровода), м; £ю - ширина факела дождя, м; Ъ - высота подъема капель, м.

Анализ формул 9 и 10 показывает, что наибольшая степень загрязнения воздуха аммиаком будет, если (■-■(■„, т.е. когда ветер направлен вдоль трубопровода машины, а наименьшее - при £ = ветер ± трубопроводу. Следует отметить, что с уменьшением высоты подъема капель (2) сокращаются потери на испарение (Кп) и, следовательно, уменьшается исходная концентрация аммиака у машины ( уд ).

Для уточнения вида полученных зависимостей и их практического применения, а также разработки технических решений по насадкам для БРС , для устранения негативного влияния

м

колеи и повышения технологической надежности МДМК необходимы экспериментальные исследования, в том числе по свойствам стоков с определением влияния их на коэффициент расхода ц, радиус полива насадок Яс, достоковую норму тдс. и структуру дождя.

В третьей главе «Условия и методика проведения экспериментальных исследований» указывается, что работа выполнена на лабораторных базах НИИССВ «Прогресс» и ВНИИ «Радуга», оросительных системах при комплексах: Лакинский (Владимирской обл.), Чапаевский (Запорожской обл.), Панкратовский (Пензенской обл.), Лузинский (Омской обл.), а также ОС для сточных вод Оренбургского газоперерабатывающего комплекса и Щебекин-ского биохимического завода Белгородской области.

Опыты включали: определение физико-механических и химических свойств стоков и почв (по стандартным методикам); изучение процесса образования стока; гидравлические и агротехнические исследования насадок для БРС; полевые испытания насадок и машин с определением санитарно-защитных зон.

Гидравлические и агротехнические исследования насадок проводили на специальных лабораторных и лабораторно-полевых стендах, спроектированных и изготовленных согласно общепринятым методикам и рекомендациям. Расходы измеряли объемным способом и турбинными расходомерами, а напоры - образцовыми манометрами. Радиус полива, интенсивность дождя и крупность капель определяли по стандартной методики с помощью дождемеров и фильтровальной бумаги.

Норма до стока изучалась с применением стенда и стоковых площадок.

Повторность опытов в исследованиях - трехкратная. Параметры установок и приборов выбраны так, что средняя квадратичная относительная погрешность не превышала 2,5%, а надежность результатов экспериментальных данных составляет 0,95.

Полевые исследования и испытания проведены согласно РД 10.11.1-89. «Машины и установки дождевальные. Программа и методы испытания».

Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ с использованием методов математической статистики.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» рассмотрены свойства стоков и почвы, поисковые опыты по выбору типа насадок для БРС и их расходно-напорные и дождевые характеристики, образование стока, размеры санитарно-защитной зоны, технические предложения по исключению негативного воздействия колеи и повышению технологической надежности МДМК.

Основными свойствами стоков, влияющими на БРС с помощью МДМК являются: содержание сухого вещества (или влажность), вязкость, плотность, поверхностное натяжение, фракционный состав твердых и длинноволокнистых частиц.

Подготовленные стоки КРС имеют влажность от 97 до 98%, а свиней - более 99%. При такой влажности ЖС значения динамической вязкости не превышает 8,5-10"3ПаС. По фракционному составу твердых частицы до 10 мм составляют: стоки КРС - 99,9%, свиней -100%, а длинноволокнистые размером до 30 мм - 95,7%. При этом плотность - до 1040 кг/м3, поверхностное натяжение - 65 мН/м, гидравлическая крупность частиц - 10...26 мм/с, массовая концентрация взвесей - 0,001...0,05.

По физико-механическим свойствам сточные воды идентичны воде: вязкость -102...104-10"5Па-С; плотность-998...1002 кг/м3; поверхностное натяжение 72...78 мН/м, содержание сухого вещества - до 0,05%, размер частиц 1...2 мм. СВ имеют низкую удобрительную ценность.

ЖС является ценным органическим удобрением (No6ui <1300 мг/л, К20<1000 мг/л, Рг05<800 мг/л, органическое вещество <2,3%). Дождевание стоками КРС обыкновенных черноземов в течение 3-х лет показало, что содержание питательных веществ в почве увеличилось: Кобщ на 31,3%, Р2О5 на 62,4%, КгО на 24,8%, гумуса на 6,2%, водопрочных агрегатов в 1,7 раза. Плотность почвы на 3,4% меньше, чем при поливе водой.

Поисковые опыты по выбору типа насадки для БРС позволили установить, что распределение СВ должно осуществляться дождевальным аппаратом с ложкообразным дефлектором (рис.1) - ДАд (А.С.№ 1516064, 1989 г.), а животноводческих стоков - центробежной насадкой с конусным дефлектором (рис.2) - ЦНд. ДАд разработан на базе серийных ДА № 2 и № 3 для ДМ «Фрегат» и может оборудоваться соплами с dc=5... 12 мм. Параметры ЦНд могут быть определены по формуле:

d.>2--1 (11)

1-tqOtq-

Должно соблюдаться требование, что do, d

с> И мм.

Угол 0 (рис.2) не превышает 15°. Учитывая, что а=85...120°, диаметр дефлектора должен быть ёд>80 мм, а Ьв=20 мм. Чем меньше с!я, тем ниже потери энергии при движении капель по боковой поверхности дефлектора, поэтому на ЦНд применялся дефлектор с ёд=80 мм.

Рис.1. Дождевальный аппарат с ложкообразным дефлектором:

1 - корпус; 2 - ствол аппарата; 3 - сопло; 4 - ложкообразный дефлектор; 5 - поворотное коромысло; 6 - возвратная пружина; 7 - ось вращения коромысла; 8 - ось вращения аппарата.

Расходно-напорные характеристики ДАд и ЦНд определялись на воде и стоках. Установлено, что свойства стоков не влияют на значение коэффициента расхода, т.е. цв=Цс (рис.3). ДАд имеет довольно высокий |д(ц=0,88...0,90). При исследованиях ЦНд получено, что дефлектор не оказывает влияния на р.(рис.4), если мм. Значения ц зависят от параметров Я, (10, <3С и могут быть определены по формуле:

0,36

ц = -

,0,47

А Ш "Д.

где А =----критерии геометрического подобия насадок.

Ни

* —

4 ¿/У ✓

ф

** —

Рис.3. Расходно-напориая характеристика центробежной насадки (11=23 мм; с1с=14 мм; ¿о=20 мм)

• - влажность стоков 98,73% Л - влажность стоков 99,37% □ - влажность стоков 99,61%

* - вода

г! -^ г*

у /

) У

/ У

л/с

Рис.4. Расходно-напорная характеристика центробежных насадок

• - насадка с дефлектором 1 - с!с=10 мм 2 - с1с=10 мм 3 - (1с=16 мм

+ - насадка без дефлектора 11=40 мм Я=23 мм 11=40 мм

¿0=23 мм с!о=23 мм с]0=23 мм

Установлено, что для комплектации насадками МДМК значения Л, с!0, (1с должны находиться в следующих пределах: 11=25...60 мм, (Ц= 10...30 мм, <1о=10...24 мм. Минимальные значения ц получены при 11=50 мм. Формула 12 показывает, что с ростом с!0 увеличивается и ц, ас увеличением с1с ц уменьшается. Минимальный расход, который обеспечивают ЦНд, составляет -0,2 л/с (Н=10 м, (Зс=с1<,=10 мм, Я=50 мм).

Дождевые характеристики ДАд и ЦНд определены при высоте установки насадок 2,0...2,5 м, когда капли имеют подъем до 7.-3 м. СВ и вода при распределении ДАд имеют идентичные характеристики. Радиус действия аппарата по крайним каплям определяется по формуле:

Я. .=-

н

45 + 9-10"4 —

, м

(13)

где — Н и <1с, соответственно, напор перед аппаратом и диаметр сопла, м. Номинальный напор для ДАд - Н=30.. .40 м.

Средняя интенсивность дождя, создаваемого ДАд, составляет 0,25...0,35 мм/мин: при этом минимальная интенсивность - 0,15 мм/мин, а максимальная - 0,45 мм/мин. Средний диаметр капель дождя по длине струи - 1,0 мм. Эпюра распределения слоя осадков за проход под одиночной насадкой близка к трапеции, и при расстановке ДАд по длине машины «в,» (формула 1) определяется по формуле:

ЬСВ=1,56К,„ (14)

Центробежная насадка с дефлектором создает дождь с асимметричным распределением радиусов полета каиель относительно центра сопла (рис.5), поэтому в опытах определялись радиусы по лучам, а также средний радиус Г^р (8 = я - где Б - площадь, покрываемая дождем насадки по крайним каплям, м2). При поливе водой Яср определяется по формуле:

И

И

1 + (0,001 + 0,065 <1С) —

(15)

Номинальный напор (Н) для ЦНд - 20...30 м.

Опыты по распределению ЦНд животноводческих стоков показали уменьшение среднего радиуса (Яжс) полива по сравнению с водой (рис.6). ЛЖс следует определять по формуле: К» =(1-7,5-10-2С)1* (16)

Рис.5. Радиус полива центробежной насадки на воде (11=40 мм, с!с=12 мм, с!о=20 мм, скорость ветра 0,8-1 м/с)

Средняя интенсивность дождя ЦНд - 0,36...0,6 мм/мин, при этом минимальная - 0,073 мм/мин., а максимальная — 0,73...1,3 мм/мин. Средняя крупность капель не превышает 0,9 мм. Можно отметить, что ЦНд создает дождь структура которого соответствует требованиям экологической безопасности.

Рис.6. Сравнительная характеристика радиуса полива центробежной насадки на воде и животноводческих стоках (11=40 мм, (1С=18 мм, <1о=20 мм, Н=30 м)

При расстановке ЦНд по длине МДМК «Ь,» (формула 1) принимается равной: 8^=1,46(1-7,510"2С)КСр.а (17)

Насадки располагаются на ферме так, чтобы входные патрубки были обращены к неподвижной опоре, а Яз накладывался на Я; (рис.5 и 6). ЦНд должны иметь как левостороннее, так и правостороннее расположение входного патрубка.

Норму до стока (шдс) при близпочвенном дождевании ЖС следует рассчитывать по формуле, в которой а=1,5, т.е.:

ш„ = (18)

дс' 1 + 1.5С

тдь для формулы 18 определяется опытным путем или по методике предложений М.С.Ерховым. Таким образом, если известна норма полива до стока водой, то, определив в ЖС содержание сухого вещества, можно узнать тдс. Исследования показали, что когда С«2%, даже на песчаной почве, сток образуется при норме полива близкой к 200 м2/га. Для увеличения Шд.с необходимо или разбавлять стоки, или рыхлить почву перед каждым поливом.

Для исключения локальных накоплений стоков в колее, образуемой колесами ходовых опор, предлагается для МДМК типа ДМ "Фрегат" установка возле неподвижной опоры 8-образной вставки (А.С.№ 1323041, 1987 г.), которая позволяет периодически изменять траекторию движения ходовых опор. Машины с пневмошинами и электроприводом следует оснащать заравнивателями колеи конструкции ВНИИ «Радуга».

Образование стока из-за забивания насадок и заиления трубопровода МДМК исключается повышением технологической надежности машин за счет оборудования их ЦНд, которые в концевой части трубопровода имеют ёс=25...30 мм, а также оснащения консолей машин дополнительным трубопроводом (для ЖС) или уловителем крупных частиц (для СВ).

Снос ветром капель дождя и аммиака при блмзпочвенном распределении стоков может определяться по полученным в главе 2 зависимостям 8 и 9, но для этого в формуле 8 Кв=1,22, а в формуле 9 Ка=0,82. При испытаниях одиночных насадок получено, что когда У„=6,3 м/с, а высота подъема капель Ъ=Ъ м, то дальность распространения мелких капель составляет к 76м.

Во время полевых испытаний «Фрегат» ДМУ-Асс, оборудованной среднеструйными и дальнеструйными аппаратами (расход машины 0=30 л/с, длина захвата дождем 313 м, Z=8 м, стоки свиней с С=1% и у=0,3 кг/м3, Ув=5 м/с и Кп=0,15), при направлении ветра вдоль трубопровода получено следующее распределение концентрации аммиака:

Расстояние от машины, м 0 200 300 400 500 700 1000

Содержание аммиака удмг/м3 1,05 0,80 0,65 0,50 0,45 0,40 0,21

Расчет по формуле 9 с Кд=0,82 дает концентрацию аммиака, равную ПДК (0,2 мг/м3) на расстоянии 1050 м, что подтверждает ее практическую применимость.

Расчет машины «Кубань-ЛК-1с» длиной 212 м, расходом 20 л/с, Z=3 м, показал, что дальность распространения аммиака до значений ПДК составляет 150 м.

В пятой главе «Реализация результатов исследования и экономическая эффективность МДМК для близпочвенного распределения стоков» предложены рекомендации по технической и технологической модернизации МДМК для экологически безопасного распределения стоков и показаны результаты полевых испытаний двух типов МДМК для БРС.

На основании проведенных исследований (глава 4) разработаны рекомендации, которые позволяют проводить оснащение МДМК насадками, заравнивателями колеи и «S» образной вставкой, дополнительным трубопроводом и уловителем крупных частиц. Согласно рекомендациям были модернизированы две машины: 1-МДМК типа ДМ «Фрегат» оснащена насадками ДАд, уловителем крупных частиц и «Sw-образной вставкой; 2 - МДМК «Кубань-

ЛК-1» оборудована насадками ЦНд, заравнивателем колеи и дополнительным трубопроводом консоли.

Первая МДМК применяется для распределения сточных вод Оренбургского газоперерабатывающего комплекса, а вторая - животноводческих стоков КРС от Чапаевского комплекса. Получены следующие результаты испытаний.

Агротехническая оценка показала, что у первой МДМК Кэфф=0,68...0,76 (рис.7), а второй - 10^=0,65... 0,71. Коэффициент технологической надежности обеих машин Кт=0,985. При скорости ветра У„>7 м/с получено резкое снижение КЭфф, который может достигать значения 0,35...0,40, поэтому скорость ветра при БРС должна быть не более 7 м/с. Как показали испытания «Кубань-ЛК-1с» снос капель достигает 88 м, а дальность распространения аммиака до ПДК составляет 145... 150 м, поэтому СЗЗ при близпочвешюм распределении стоков должна быть не менее 150 м.

Свои оса)ко(

И, *гм]про*оЗ

за-

К-

и

15

*>

Г

номер тележки

Рис.7. Распределение слоя дождя ДМ «Фрегат», оборудованной органами БРС.

За один проход норма полива при С=1...2% не должна превышать 200 м3/га. Уклон участка не более 0,035.

При поливе многолетних трав можно применять «Бл-образную вставку для уменьшения глубины колеи, а в остальных случаях целесообразно применять заравниватель колеи конструкции ВНИИ «Радуга». Полевые испытания позволяют сделать вывод, что проведенные исследования решают проблему применения МДМК для экологически безопасного распределения СВ и ЖС.

Эколого-экономическая эффективность технических и технологических решений за счет предотвращения сброса загрязняющих веществ в водные объекты (предотвращенный экономический ущерб) составляет 344,62 руб/год.

Выводы и предложения

1. В результате исследований разработаны методы расчета параметров дождевальных насадок для близпочвенного распределения стоков, установлены зависимости для определения их гидравлических и мелиоративных характеристик, позволяющие осуществлять полив без образования поверхностного стока, обеспечивать технологическую надежность многоопорных дождевальных машин кругового действия.

2. В результате лабораторных и полевых исследований, выполненных на различных объектах, установлены химический состав и физико-механические свойства животноводческих стоков, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, обеспечивающие экологическую безопасность поливов (сухое вещество - до 3%, поверхностное натяжение - 65 мН/м, твердых частиц размером не более 10 мм - 99,9%, N„611^1300 мг/л, органическое вещество <2,3%).

3. Установлено, что для проведения близпочвенного распределения стоков многоопорные дождевальные машины кругового действия необходимо оборудовать дождевальными аппаратами с поворотным дефлектором и центробежными насадками с дефлектором. Получены их технические характеристики (средняя интенсивность — 0,36-0,60 мм/мин., средний диаметр капли - 0,9-1,2 мм, рабочий напор - 30-40 м) и установлен ряд эмпирических зависимостей для расчета радиуса полива и расстояния между насадками и дождевальными аппаратами при расстановке их на машине.

4. Получена зависимость для расчета поливных норм до образования поверхностного стока дождевальных машин кругового действия, учитывающая процессы кольматации почвы стоками в зависимости от содержания сухого вещества.

5. Для повышения технологической надежности получены технические решения для машин с гидроприводом и Байтовой подвеской трубопровода и машин с электроприводом и напряженной фермой, суть которых для первых состоит в оборудовании консоли уловителем твердых частиц и «8»-образной вставкой, а для вторых - оборудованием дополнительного трубопровода в концевой части и заравнивателем колеи.

6. Разработаны рекомендации производству, позволяющие модернизировать дождевальные машины кругового действия для экологически безопасного распределения стоков на многоцелевых оросительных системах.

7. Разработана методика и ряд инженерных формул для определения размеров санитар-но-защитной зоны при орошении дождевальными машинами кругового действия с близпоч-венным распределением стоков.

8. Выполнена эколого-экономическая оценка разработанных технологий и технических решений, подтверждающих эффективность дождевальных машин кругового действия за счет

предотвращения непосредственного сброса загрязняющих веществ в водные объекты (предотвращенный экономический ущерб).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лапшина H.A., Михалев Н.В. - Надежность оросительных систем при орошении животноводческими стоками: Сб. научн.тр. ВНИИССВ/ Очистка и использование стоков животноводческих комплексов. - М.: 1981. - с.32-36.

2. A.C. 1235476, М.кл.А0Ю25/09. Тележка многоопорной дождевальной машины кругового действия /В.С.Никитин, Л.П.Овцов, А.Г.Мартынов, Н.В.Михалев (СССР). -3850760/30-15; Заявл. 20.12.84,0публ.07.06.86„ Бюл.№ 21.

3. Михалев Н.В., Никитин B.C. Способы повышения надежности процесса распределения сточных вод дождевальными машинами кругового действия: Тезисы докладов Всесоюзного совещания /Научное обоснование повышения эффективности использования мелиорируемых земель. М.: 1987. - с.92-93.

4. A.C. 1323041, М.кл. A01G 25/09. Многоопорная дождевальная машина кругового действия /B.C. Никитин, Н.В.Михалев, А.Г.Мартынов, А.М.Ларионова (СССР). -4015469/30-15; Заявл. 30.01.86; Опубл. 15.07.87, Бюл.№ 26. . . . ., .

5. Рекомендации по применению машины кругового действия «Фрегат» ДМУ,-Асс для орошения подготовленными сточными водами. ВНИИМиТП. Коломна;;Д987. - 18 с.

6. A.C. 1468475, М. Кл.АОЮ 25/09, Дождевальная машина /. В.В.Болдин, Н.В.Михалев, В.С.Никитин (СССР). - 4210734/30-15; Заявл. ,05.02.87; Опубл. 30.03.89, Бюл.№ 12.

7. Михалев Н.В. Факторы, влияющие на надежность оросительных систем с использованием сточных вод /мелиорация и водохозйственное строительство //Тезисы докладов научно-технической конференции; Тбилиси: 1989. - с.135.

8. A.C. 1516064, М.кл.АОЮ 25/09. Дождевальный аппарат для приземного полива /Н.В.Михалев, В.С.Никитин, А.ПМартынов, А.М.Ларионова (СССР). - 4353334/3015; Заявл. 31.12.87; Опубл. 23.10.89, Бюл. № 39. ,,

9. Овцов Л.П., Цырульников А.Л., Михалев Н.В., Никитин В.Г. О некоторых закономерностях наступления отказов элементов оросительных .систем на сточных водах: Сб. науч. Тр. АПД «Югмелиорация» /Планирование и, анализ водохозяйственных систем. Новочеркасск: 1989. -с.102-112. . , . ,

10. Овцов Л.П., Михалев Н.В., Никитин B.C., Ларионова A.M. Особенности процесса распределения сточных вод дождевальными машинами кругового действия: Сб. на-

учн.тр. ВНИИССВ /Экологические аспекты утилизации сточных вод и животноводческих стоков. М.: 1990.-стр.62-80.

Н.Михалев Н.В., Никитин B.C. Оценка надежности функционирования элементов оросительных систем при распределении сточных вод газоперерабатывающего комплекса: Сб.научн.тр. ВНИИССВ /Сельскохозяйственное использование животноводческих стоков - эффективный способ охраны водных источников от загрязнения. М.: 1991. - с.75-82.

12. Овцов Л.П., Никитин B.C., Михалев Н.В. Совершенствование многоопорных дождевальных машин кругового действия при распределении сточных вод и животноводческих стоков: Сб.научн.трудов НИИССВ. - М.: 1998. - с.113-134.

13. Овцов Л.П., Михалев Н.В. Основные показатели качества распределения сточных вод дождевальными машинами /Сб.научн.тр. НИИССВ. - М.: 1998.- с.49-58.

14. Овцов JI.П., Михалев Н.В. Факторы, влияющие на качество полива дождевальными машинами кругового действия/Сб.научн.тр. НИИССВ. -М.: 1998. -с.58-69.