Совершенствование способов и технических средств распределения воды в каналах для дождевальных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат технических наук Луговой, Андрей Александрович

• Луговой, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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;

- 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 воды 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 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;

- 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.

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 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;

- 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;

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 диссертации по теме «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», Луговой, Андрей Александрович

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 +5 см и +7 см.

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

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Луговой, Андрей Александрович, 2004 год

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