Обоснование применения мобильных оросительных систем для целей периодического орошения

Процесс выщелачивания загипсованного основания повлияет также на эффективность гашения напора на цементационной завесе. Потери напора в пределах завесы снижаются на 22-30 %. Соответственно изменится и максимальный градиент напора в пределах завесы 3 тах ^ . Средняя скорость на выходном уча-

стке v

сР cd

а также средняя скорость фильтрации и

градиент напора в трещинах скального основания

v

ей, ]

И J

est, j

после выщелачивания будут увеличиваться более чем вдвое.

Согласно расчету продолжительность полного выщелачивания загипсованного основания в пределах всех трех фрагментов (верхового, среднего и низового) составит 572 года. При этом наиболее продолжительным время выщелачивания будет для верхового фрагмента, где оно составит ^ = 545 лет. Это объясняется замедленным процессом движения фильтрационного потока до выщелачивания основания в пределах всего верхового фрагмента.

Проведенное сравнение результатов расчета для I этапа с экспериментальными данными метода ЭГДА (см. таблицу) показало удовлетворительную сходимость как для удельных расходов, напоров по подземному контуру, потери напоров на цементационной завесе, так и для средних скоростей фильтрации на выходном участке. Отклонение результатов не превышает 10-12 %, за исключением напоров в точках 2 и 3. Большее отклонение в указанных точках, по-видимому, объясняется существенным влиянием дренажа и возрастанием погрешности на напоры в этих точка, полученных методом ЭГДА.

В целом, несмотря на повышение средней скорости на выходном участке основания, средней скорости и градиента напора в трещинах и ухудшение условий фильтрационной прочности скального основания, обеспечивается необходимая фильтрационная безопасность скального основания плотины на основных трех этапах выщелачивания, что гарантирует надежную работу плотины Миатлинской ГЭС на длительный период, значительно превышающий расчетный срок службы для сооружений I класса капитальности.

Выводы

1. Разработана методика оценки фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений на трещиноватом загипсованном основании, включающая пять этапов расчета по определению основных фильтрационных характеристик до выщелачивания и после выщелачивания солей в пределах трех фрагментов и проверке местной фильтрационной прочности заполнителя трещиноватых массивов основания.

2. На основании разработанной методики проведены расчеты фильтрационной безопасности загипсованного скального трещиноватого основания арочной плотины Миатлинской ГЭС, которые свидетельствуют об обеспечении необходимой фильтрационной прочности после выщелачивания гипсоносных пород в основании, что гарантирует надежную работу плотины на длительный период, значительно превышающий расчетный срок службы.

3. Проведенное сопоставление расчетных, экспериментальных (методом ЭГДА) и натурных данных фильтрационных характеристик в скальном основании плотины Миатлинской ГЭС показало удовлетворительную их сходимость.

Литература

1. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. М., 1988.

2. Гришин М.М., Слисский С.М., Антипов А.И. и др. Гидротехнические сооружения. Ч. 1 / Под ред. М.М. Гришина. М., 1979.

3. Гольдин А.Р., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М., 2001.

4. Недрига В.П., Демьянова Э.А. Расчет фильтрации под плотиной на скальном основании при наличии завесы и вертикального дренажа // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений / ВНИИ ВОДГЕО. Сб. № 5. М.,1973.

5. Жиленков В.Н., Магомедов К.Г. Гидравлические факторы

суффозии трещиноватого песчаника на гипсовом цементе // Гидротехническое строительство. 1991. № 10.

6. Павловская Л.Н. Руководство по расчету и моделированию фильтрации в основании высоких бетонных плотин (П 43-75 / ВНИИГ). Л., 1976.

Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

19 марта 2005 г.

УДК 626

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ОРОШЕНИЯ

© 2005 г. С.М. Васильев

Современная ситуация в ЮФО характеризуется не только сокращением финансирования и числа сельскохозяйственных предприятий, но и деградацией

существующих оросительных систем, сильным износом поливной техники и резким снижением орошаемых площадей.

Неудовлетворительное техническое состояние оросительных систем требует комплексной реконструкции на значительных площадях.

Неизменность аграрной политики и неустойчивое экономическое положение хозяйств, недостаток квалифицированных кадров не обеспечивают эффективную деятельность работников сельскохозяйственных предприятий, владельцев крестьянских и личных подсобных хозяйств, в проведении реконструкции, ремонта мелиоративных систем и приобретении традиционной поливной техники, а повышение затрат на проведение поливов приводит к нарушению режимов орошения сельхозкультур.

По данным исследователей [1, 2], на единицу имеющейся в Ростовской области поливной техники нагрузка составляет 165 га, что превышает нормативные показатели в 2 раза; за последние 15 лет закрытые напорные сети, обеспечивающие работу поливных машин, на 70 % выработали свой технический ресурс; наиболее широко используемые дождевальные машины «Фрегат», ДФ 120 «Днепр», ДШК - 80 «Волжанка» и др. слишком металлоемки в изготовлении и энергоемки в эксплуатации, учитывая существующие тарифы на энергоносители и сельхозтехнику [2-4] (табл. 1); почти все дождевальные машины трудно монтируются и демонтируются, вследствие чего многие из них остаются в поле, что резко снижает их сохранность; факт привлечения для эксплуатации, монтажа и демонтажа высококвалифицированных специалистов или специализированных организаций усугубляет ситуацию и поэтому использовать их при периодическом орошении нецелесообразно.

Таким образом, данные табл. 1 подтверждают вывод о том, что выбранная в 70 - 80-е гг. прошлого века ориентация на увеличение запасов прочности, с целью повышения гарантий безопасности, отражается не только в росте затрат на производство поливной техники, значительном увеличении габаритов, а также материалоемкости, но и усложняет эксплуатацию и снижает экономическую эффективность находящихся в пользовании хозяйств дождевальных машин.

Основные экономико-эксплуатационные показател

Анализ использования оросительной воды, при современной эксплуатации оросительных систем и поливной техники, также малоутешителен. С выходом в свет закона РФ «О плате за пользование водными объектами» у сельхозпроизводителей появился дополнительный стимул к использованию ресурсосберегающих мобильных оросительных систем. Потери воды в межхозяйственной и внутрихозяйственной сети составляют 40 % и на полях - 20 % головного водозабора. Лишь 40 % воды используется на эва-потранспирацию.

В результате эксплуатационного износа оросительных систем фактически средневзвешенный коэффициент полезного действия сети составляет менее 0,47, что ниже соответствующего коэффициента, принимаемого при планировании водопользования, на 20 %, а общий коэффициент полезного использования оросительной воды на системе в среднем составляет 0,33 [4].

Одним из возможных решений поставленной проблемы является периодическое орошение сельскохозяйственных культур при помощи мобильных оросительных систем.

Нужно отметить, что в целом ряде хозяйств сельхозпроизводителей гарантия устойчивого земледелия обеспечивается комбинированным использованием орошаемых и богарных земель с применением мобильных оросительных систем, обладающих довольно высокой экологичностью. Экологичность мобильных оросительных систем заключается в следующих положениях: они легко поддаются биологизации с помощью методов экологической инженерии; характеризуются ограниченным вмешательством в природные процессы и рационально используют интегральные ресурсы; отличаются более адаптированной технологией полива (соответствие интенсивности водо-подачи и водопотребления, подача воды в биологически важные фазы развития растений, исключение эрозии, вторичного засоления и снижения плодородия почв).

Таблица 1

некоторых используемых дождевальных машин

Показатель Дождевальные машины

Фрегат Б 434-90 Днепр Кубань Волжанка Фрегат ДМУ 199 Кубань ЛК1

Материалоемкость, т 39,6 40,4 47,8 26,7 19,7 44,4

Материалоемкость на 1 га обслуживаемой площади, т 0,6 0,45 0,43 0,27 1,23 0,61

Стоимость оборудования, тыс. р. 2773 3308 1200 2394 1319 2654

Удельная стоимость, тыс. р. на 1 га обслуживаемой площади 41,9 36,8 10,9 23,9 82,4 36,4

Удельная стоимость тыс. р. на 1 л / с 30,8 27,6 6,49 29,9 47,1 36,2

Затраты, кВт 88,1 82,6 125 55,1 37,2 75,8

Затраты кВт на 1 га 1,33 0,92 1,14 0,55 2,33 1,04

Затраты кВт на 1 л / с оросительной воды 0,98 0,69 0,68 0,69 1,33 1,03

Принцип периодического орошения сельскохозяйственных культур в севооборотах реализуется многими хозяйствами Северного Кавказа. Если в прошлом такой подход использовался в основном для орошения дополнительных площадей, то в настоящее время он применяется с целью экономии энергоресурсов и восстановлении почвенного плодородия. В таком аспекте внедрение периодического орошения сельскохозяйственных культур с применением для полива устаревшей и дорогостоящей поливной техники вряд ли можно считать целесообразным и обоснованным.

Мобильные оросительные системы, используемые при периодическом орошении сельхозкультур, наиболее полно учитывают качественные и количественные характеристики экологических отличий орошаемых территорий, возможности и объемы применения ме-лиораций различных видов. Известно, что буферная емкость экосистемы орошаемой территории зависит от вида мелиораций, определяется характеристикой природных и техногенных процессов. Применение мобильных оросительных систем, в отличие от традиционных, которые имеют типовые конструкторские решения и не обеспечивают адаптивно-ландшафтный подход, позволяет увеличить буферную емкость и на основании ее динамики нивелировать негативные изменения.

За счет регулирования основных показателей увлажнения, оросительных норм и режима грунтовых вод мобильные оросительные системы максимально вписываются в природные ритмические изменения конкретных ландшафтно-географических зон. На основании установленных критериев по основным составляющим водного, теплового и солевого балансов для конкретных ландшафтно-географических зон, использование мобильных оросительных систем позволит находиться в рамках допустимых антропогенных воздействий, исключающих возможность возникновения экологического кризиса.

Применение современных мобильных оросительных систем при периодическом орошении, взамен используемых на данный момент, позволяет:

1. Снизить удельные показатели расхода энергоресурсов на единицу орошаемой площади, а также металла и других конструкционных материалов, что позволяет уменьшить стоимость и эксплуатационные затраты.

2. Получать стабильный запланированный урожай с единицы площади при меньших затратах, одновременно сохраняя, а в некоторых случаях и повышая плодородие почв.

3. Сократить длительный период изысканий, исследований и проектирования, утверждений проект-но-сметной документации, упрощать и удешевлять конструкцию и строительство оросительных систем [2].

4. Увеличивать сохранность и реализовывать возможность проведения качественного ремонта, так как все оросительное оборудование и передвижные насосные станции в межполивной период убираются с полей на базовое предприятие.

5. Уменьшить затраты при корректировке общего технологического режима орошения или при изменении структуры посевных площадей, вследствие несовпадения периодов орошения и богарного использования.

6. Применять простые технологии в хозяйствах с низкой доходностью, слабым кадровым обеспечением и использующих поливную технику с рынка вторичного использования.

7. Использовать координатные системы управления с использованием информации о агрохимических, агрофизических, гидромелиоративных и др. характеристиках.

8. Применять унифицированные модульные технические узлы и средства многоцелевого назначения с замкнутыми и полузамкнутыми системами и программами управления, обеспечивая экономически обоснованные затраты при производстве сельскохозяйственных культур (создание блок-модулей с использованием поливных машин нового поколения, которые за счет снижения металлоемкости и энергоемкости позволят сделать их доступными для широкого круга сельхозпроизводителей [2]).

Кроме этого мобильные оросительные системы способствуют соблюдению ряда следующих основополагающих, при периодическом орошении, экологических принципов:

1. Обеспечение сохранения близкого к вековому экологически благоприятного гидрогеохимического режима с допустимыми отклонениями основных составляющих балансов ландшафта, обусловленных природными ритмами.

2. Адаптивность к рельефу и растениям.

3. Экологичность относительно почвы, окружающей воздушной и водной среды [6].

4. Широкое использование компьютерной техники и программного обеспечения для исключения или минимизации субъективного воздействия человека на окружающую среду при управлении технологическими операциями.

В практике периодического орошения применялись передвижные насосные станции, быстросборные трубопроводы и другое мобильное поливное оборудование. Опыт показывает, что в большинстве случаев реконструкция оросительных систем с применением мобильного поливного оборудования более рациональна [2]. Использование передвижных насосных станций и быстросборных полимерных трубопроводов в сочетании с дождевальными машинами и установками нового поколения позволит наиболее эффективно проводить периодическое орошение наиболее рентабельных сельскохозяйственных культур, а в будущем ввести в строй действующие оросительные системы на площадях от 100 до 1000 га.

Технологические схемы работы мобильных систем при периодическом орошении дождеванием сельскохозяйственных культур представлены в табл. 2. Основные технологические схемы работы мобильных систем при поверхностных способах полива отражены в табл. 3.

Таблица 2

Технологические схемы работы мобильных систем при периодическом орошении дождеванием

Схема расстановки и перемещения машин

Схема работы

Достоинства

Недостатки

Шланговый дождеватель Агрос - 4, 32, 63; ДТТТ-8

Машины работают на одном поле по обычной схеме: в двух направлениях осуществляется полив, в следующем -холостой перегон на следующую позицию

Основные преимущества (в том числе и экономические) - это отсутствие оператора при длительной работе машины (до 36 ч), что подразумевает возможность их круглосуточного использования, отсутствие необходимости дозаправки топливом и смазочными материалами, возможность быстрой переброски нескольких единиц поливочной техники любыми транспортными средствами, возможность работы от передвижных насосных станций; один и тот же привод может работать с различными типами насадок, двухконсольным дождевальным агрегатом, что позволит хозяйствам использовать одну и ту же технику при чередовании культур. Подача воды возможна из временного оросителя

Уменьшен коэффициент использования сменного времени из-за холостых перегонов.

Наблюдается максимальная продолжительность полива поля

Дождевальный шлейф ШД-25-300

КД-10

НС

Полив по кругу. Расположение позиций прямоугольное. Размещение дождевальных аппаратов КД-10 по длине трубопровода через 50 м друг от друга

Возможность применения передвижных дизельных или электрифицированных насосных станций. Повышается коэффициент использования рабочего времени. Относительно низкая стоимость оборудования

Хорошее качество полива только при скорости ветра до 2...3 м/с

Мобильные комплекты дождевального оборудования КИ-50 и КИ-25 «Радуга»

Перемещается вручную вдоль временного оросителя. Полив осуществляется по кругу

Возможность применения передвижных дизельных или электрифицированных насосных станций. Один и тот же привод может работать с различными типами насадок. Комплект легко монтируется, конструктивно прост и не требует специальной подготовки персонала. Подача воды возможна из временного оросителя_

Все операции выполняются вручную. Уменьшен коэффициент использования сменного времени

Дождевальная машина РР-67

Намоточное устройство

Дождевальный аппарат перемещается автоматически при ведении полива. Полив осуществляется по кругу. Шланг разматывается трактором.

Позволяет поливать культуры высотой до 90 см на площадях неправильной конфигурации. Трубы снабжены быстроразбор-ными соединениями, допускающими отклонения линии трубопровода от продольной оси в любом направлении на угол 12°

Уменьшен коэффициент использования сменного времени из-за холостых перегонов

Комплект КСИД -10А

Импульсные аппараты работают одновременно на всей площади в режиме непрерывно чередующихся пауз накопления воды и периодов ее выплесков

Максимальное рассредоточение поливного тока. Влажность активного слоя почвы и приземного слоя воздуха постоянно поддерживается на оптимальном уровне. Высокий коэффициент использования сменного времени. Автономное управление режимами работы_

Высокая стоимость комплекта

c

L

b

d

Таблица 3

Технологические схемы работы мобильных систем при поверхностном поливе

Схема расстановки и перемещения машин Схема работы Достоинства Недостатки

Поливной трубопровод ВТРШ-180, КДП-К

_______ М"_______

+1 ♦1

U +ж TI

—

+«+ ++++

ti II

TI tw 14 ++++

—>

Полив проводят по-зиционно по группам поливных борозд. Трубопровод перемещается в продольном направлении параллельно магистральному трубопроводу

Дает возможность осуществлять однотактные и много-тактные поливы при продольной и поперечной схемах расположения временной оросительной сети. Гибкие трубопроводы дают возможность заменить всю временную сеть. Автоматизация распределения воды между бороздами

Применение в основном на тяжелых почвах. Повышенный износ взаимодействующих частей

Шланговое поливное устройство АШУ-32 и аналоги

Политая площадь

&

Работает позиционно по группам поливных Поливные исходную расклады-

борозд. шланги в позицию вают с трактора

помощью

Минимальная продолжительность полива. Отсутствие сброса воды, уменьшенное число перенастроек. Увеличенный коэффициент использования рабочего времени

Необходимость устройства в середине поля полосы отчуждения

Поливной трубопровод ТКП-50

Полив осуществляется позиционно с забором воды от гидрантов временной закрытой оросительной сети

Полевой трубопровод рассчитывают на один рабочий расход. Хорошие условия для контроля за поливом. Увеличенный коэффициент использования рабочего времени

Повышенный износ взаимодействующих частей

При периодическом орошении дождеванием с помощью мобильных дождевальных агрегатов и с соблюдением соответствующих рекомендаций в почве поддерживается наиболее благоприятные водно-воздушный и питательный режимы растений, благодаря чему обеспечивается развитие и урожайность, прежде всего овощных культур. По сравнению с обычным дождеванием урожайность может повыситься на 10 - 20 % и более [2].

Расчет норм и сроков полива рекомендуется проводить по специально разработанным методикам [5] которые основываются на изменении динамики влаго-запасов корнеобитаемого слоя и с учетом коэффициентов корреляционных соотношений. На основании этих методик определены экологически безопасные нормы для сельскохозяйственных культур в севооборотах на южных черноземах.

Выбор схемы работы мобильного трубопровода, при поверхностных способах полива, зависит от соот-

ношения продольного и поперечного уклонов. Поперечные схемы поливки по бороздам длиной 300.. .400 м с расходом струи 1,5.2,0 л/с применяют на уклонах менее 0,003 и расстояниях между бороздами не менее 1,0 м. На хорошо спланированных участках, возможно, использовать гибкие трубопроводы с армированными отверстиями постоянного диаметра. Эти трубопроводы позволяют осуществлять полуавтоматическое распределение воды по продольной схеме на уклонах 0,002.0,006.

Предлагаемые технологические схемы работы мобильных систем целесообразно использовать для периодического орошения полей малых и средних фермерских хозяйств в зонах неустойчивого увлажнения на территории ЮФО.

Периодическое орошение создает зоны гарантированного производства кормов, овощных и других культур, позволяет увеличить количество продукции, получаемой с единицы площади, и снизить ее себе-

стоимость. Мобильные способы полива в наибольшей степени отвечают условиям периодического орошения при быстрой смене дождливых периодов засушливыми, сокращают затраты ручного и машинного труда.

Полив с помощью мобильных оросительных систем направлен не только на увеличение сельскохозяйственной продукции, но и на сохранение и улучшение плодородия почв, обеспечение благоприятных режимов химической трансформации почвенных и поро-вых растворов зоны аэрации и грунтовых вод. Режимы увлажнения в условиях орошения мобильными оросительными системами обеспечивают благоприятные условия жизнедеятельности бактерий, гумусооб-разования, высокую продуктивность и стабильность, как в формировании урожая, так и благоприятного гидрогеохимического режима орошаемых и прилегающих к ним земель.

В процессе формирования водных ресурсов особое место занимает водосборная территория того или иного бассейна. В зависимости от хозяйственной деятельности и формируемых ими загрязнений водосборные территории подразделяются на четыре типа [1], к одному из которых относятся урбанизированные территории.

Урбанизированные территории являются мощным фактором, влияющим на качественные показатели водных ресурсов. Малоэффективные инженерные системы защиты водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий или их отсутствие приводят к значительному загрязнению, а в отдельных случаях, и деградации речных систем в районах больших городов и промышленных предприятий. Создание новых или совершенствование существующих инженерных систем для отвода поверхностных вод с рельефных участков урбанизированных территорий служат целям предотвращения эрозионных процессов на незакрепленных участках земной поверхности, заиления продуктами эрозии водоприемников, подтопленных застроенных территорий и населенных пунктов. Проектирование таких систем особенно актуально в

Литература

1. Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Аронов Э.Л. Тенденции развития мирового сельского хозяйства в начале XXI века: Аналитический обзор. М., 2004.

2. Щедрин В.Н. Орошение сегодня: проблемы и перспективы. М., 2004.

3. Вопросы контроля технического состояния и безопасности гидротехнических сооружений / В.Н. Щедрин, Ю.М. Косиченко, Г.А. Сенчуков // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения: Сб. науч. тр. ФГНУ «РосНИИПМ»: В 2 ч. / Под ред. В.Н. Щедрина. Новочеркасск, 2003. Ч.1. С. 207 - 220.

4. Оценка состояния элементов гидромеханического и электротехнического оборудования насосных станций ОС Ростовской области / В.Н. Щедрин, Ю.Ф. Снипич, Г.А. Сенчуков: Сб. науч. тр. ГУ «ВолжНИИГиМ». М., 2001. С. 82-88.

5. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. М., 1990.

г.

населенных пунктах; промышленных зонах; на склонах, прилегающих к инженерным коммуникациям (дорогам, путепроводам, трубопроводам и т.п.), пляжам, рекам; а также на косогорных участках местности, используемых для сельскохозяйственного производства.

Далеко не все известные технические системы для водозабора или отвода поверхностных вод имеют специальные сооружения и устройства перехвата, задержания и удаления наносов и мусора от попадания их в закрытую водоотводящую или водопроводя-щую сеть.

Значительную роль в обеспечении надежной работы таких систем играют их гидротехнические сооружения, и, в первую очередь, водоприемники.

Анализ конструкций водоприемных сооружений для забора и отвода поверхностных вод, патентного поиска показал, что большинство из них не защищают водоотводящие системы от попадания в них мусора и наносов, засоряются и заиляются, имеют небольшую пропускную способность.

В результате анализа за основу для дальнейших разработок были приняты конструкции водоприемников, приведенные на рис. 1[2] и 2 [3].

Новочеркасская государственная мелиоративная академия 24 февраля 2005

УДК 625.745.4

ПОВЫШЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ СООРУЖЕНИЙ ВОДООТВОДНЫХ И ВОДОЗАБОРНЫХ СИСТЕМ

© 2005 г. Т.Е. Попова, В.Л. Бондаренко