Научные принципы проектирования оросительной сети при циклическом орошении

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 626.82.001.63:631.67«5»

НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ОРОШЕНИИ

М.В. Власов, кандидат физико-математических наук

A.В. Акопян, аспирантка

B.В. Васильев, соискатель

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

В статье изложены научные принципы проектирования оросительной сети при циклическом орошении с использованием аппарата математической логики и теории множеств. На основании данных принципов рассмотрен процесс проектирования при циклическом орошении в ОПХ «Семеновод» Багаевского района.

Ключевые слова: проектирование, циклическое орошение, оросительная сеть, севооборот, дождевальная машина.

Исходя из парадигмы мелиоративных агроландшафтов, основная цель функционирования гидромелиоративных систем и реализации технологий орошения - это управление мощностью и направлением перемещения потоков вещества, воды, энергии и информации, обеспечивающее рациональное использование интегральных ресурсов, максимальную замкнутость водного баланса, высокую биологическую продуктивность и экологическую безопасность агробиоценозов [5].

Соблюдение принципа расширенного воспроизводства природного и ресурсного потенциала при развитии орошения в Ростовской области является непременным условием правильного природопользования. Наиболее полно этому принципу с учетом зональных природных и организационно-хозяйственных особенностей, по нашему мнению, отвечает технология циклического орошения.

Циклическое орошение - вид орошения земель, предусматривающий поочередное использование полей севооборота в орошаемом и неорошаемом режимах.

Исследованиями сотрудников ФГБНУ «РосНИИПМ» доказано, что экономически наиболее выгодно при циклическом орошении применение элементов мобильного оросительного оборудования - дождевальных машин, разборных трубопроводов, передвижных насосных станций и другого оборудования [6].

В этом аспекте следует отметить, что строительство и освоение стационарных оросительных систем осуществляется, как правило, в течение 3-5 лет и более. Использование мобильного оросительного оборудования позволяет уменьшить срок освоения земель до 1 года, так как с технической точки зрения для устройства мобильной оросительной сети (ОС) необходим минимальный объем проектно-изыскательских и строительных работ.

Сформулировать основные научные принципы проектирования ОС, используя аппарат математической логики и теории множеств, можно, опираясь на следующие компоненты процесса проектирования:

А = (а1, а2,..., ат} - множество целей; Р = {р1,р2,...,рп} - множество признаков;

Х = (х1, х2,., х^ - множество решений;V = ^]_, v2,..., V} - множество оценок.

Множество целей А - это целесообразность проектирования ОС (необходимость построения ОС для данной климатической зоны, разработанного севооборота и др.).

Множество признаков Р - это множество показателей (степень естественной дренированности территории, уровень залегания грунтовых вод, уровень минерализации грунтовых вод, плодородие почв, уклоны поверхности орошаемого массива, качество оросительной воды и др.).

Множество решений Х - это множество вариантов устройств системы циклического орошения (подача воды, материалы труб, способы полива и др.). Все варианты анализируются и выбирается оптимальный с учетом множества оценок.

Множество оценок V - это стоимостные характеристики, характеристики полезности и т. д.

Тогда функция проектирования может быть выражена следующим образом:

F: (/-р(л))^V,

где р - отношение между элементами множеств А и Р;

// - отношение между элементами множеств Р и Х (при этом р С (Л X P) ; рс(Р x X); Л0 с Л ).

Следовательно, если для проектирования ОС на конкретном объекте циклического орошения выбрано подмножество А0 множества целей А, то можно найти срез через А0:

р

аналогично: /

где Р0 - срез множества P по подмножеству А0.

Произведение отношений (1) и (2):

/ -р = (v(a, x),3р е Р | (а, р)ерл(p, x)е /),

представляет собой множество упорядоченных пар (a, x), таких, что для них существует элемент р множества Р, с которым а находится в отношении р , а сам он вступает в отношение / с элементом х. Срез произведения отношений по подмножеству А0 выразим следующим образом:

/ -р

Отображение среза произведения отношений на множество оценок означает функцию, определенную на множестве р - / (A0 ) и принимающую значения на множестве V. Каждый элемент множества V при этом представляет собой в общем случае и-мерный вектор, компонентами которого являются, в том числе, стоимостные характеристики элементов мобильной ОС и ряд других. Таким образом, выражение (3) можно рассматривать как целевую функцию проектирования ОС, которую в результате выполнения определенных операций необходимо оптимизировать:

(f :(/-р(Л0))^ Vopt.

Рассмотренный подход представляется приемлемым в связи с тем, что он позволяет эффективно применять при формировании структуры ОС формализованные методы и обоснованно устанавливать границы эффективного использования ОС.

Воспроизвести в проекте оптимальную структуру всей оросительной системы возможно, если в качестве основных элементов мобильной ОС принять конечное мно-

жество действующих технологических элементов, при этом необходимо выполнение условия:

tq - 1эф ,

где ^ - время функционирования элементов ОС (т.е. длительность орошаемого периода); 4ф - максимально возможное время функционирования элемента ОС.

Учитывая, что при проектировании ОС необходимо достичь наибольшего суммарного потенциала при прохождении всех циклов (орошение - без орошения) для решения проблем управления и развития производства сельхозпродукции на полях циклического орошения, может быть использована следующая математическая зависимость:

2 (ху , Ру ) ^ Ртах ,

7=1

где Ру - продуктивный потенциал (урожайность на полях, обслуживаемых данной ОС) на у-том цикле орошения; (Ху - весовой коэффициент продуктивного потенциала; п - число циклов орошения, осуществляемое ОС или ее элементом; Ртах - максимально возможные результаты сельхозпроизводства при циклическом орошении.

Учитывая вышеизложенное, рассмотрим пример проектирования мобильной ОС при циклическом орошении на участке площадью 512 га, апробированный в ОПХ «Семеновод» Багаевского района.

Из множества севооборотов выбираем разработанный учеными ФГБНУ «Рос-НИИПМ» специальный восьмипольный севооборот при циклическом орошении (табл. 1) с учетом соотношения орошаемых и неорошаемых полей (50 %).

Таблица 1 - Восьмипольный севооборот п ри циклическом орошении

Культура Цикл

1. Многолетние травы орошаемый

2. Многолетние травы орошаемый

3. Озимая пшеница неорошаемый

4. Кукуруза на зерно неорошаемый

5. Озимая пшеница орошаемый

6. Морковь орошаемый

7. Соя неорошаемый

8. Ячмень с подсевом многолетних трав неорошаемый

При этом ежегодно орошается только 4 поля, а другие 4 поля эксплуатируются в условиях неорошаемого земледелия. Таким образом, из каждых восьми лет ротации каждое поле второго года отдыхает 2 года от орошения, а затем снова вводится в двухгодичный орошаемый цикл. В рассматриваемой схеме ежегодно под орошение вводится два поля севооборота и два поля выводится из орошения.

Для расчета режима подачи оросительной воды на севооборотный участок был построен график гидромодуля (рис. 1). Значение ординаты гидромодуля q определялось по формуле [5]. Для сельскохозяйственных культур, находящихся в цикле орошения данного севооборота, определялись нормы, сроки и число поливов по разработанным для Ростовской области рекомендациям [4].

***** ИЗВЕСТИЯ *****

№ 2(26), 2012

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА

Щ многолетние травы ^ озимая пшеница Щ морковь

Рисунок 1 - Укомплектованный график гидромодуля

Ранее специалистами ФГБНУ «РосНИИПМ» уже были рассмотрены типовые схемы расположения мобильного оборудования с использованием дождевальной техники фронтального типа. Также приведена типовая схема с использованием дождевальной машины (ДМ) «Фрегат», но она не является в полной мере мобильной, т.к. её работа обеспечивается с помощью стационарных распределительных трубопроводов, устраиваемых на всех полях, на которых предполагается орошение. Мобильный трубопровод, располагающийся на поверхности поля, подключается к стационарному распределительному, который выполняется закрытым [6].

Мы предлагаем принципиально мобильную оросительную систему с использованием этой ДМ. Дождевальная машина «Фрегат», в силу своей конструктивной особенности, может работать как на одном, так и на нескольких полях севооборота. Площадь участка, равная сезонной нагрузке на дождевальную машину, минимальный меж-поливной период и потребный расход машины определяются по методике [2].

Для полей с принятыми размерами 800x800 м из множества ДМ, согласно каталогу [3], выбираем ДМУ А-392-50. Для этой дождевальной машины с учетом коэффициента использования времени суток [2], максимальный потребный расход составил 24,68 л/с. Учитывая общий расход воды и возможность работать на нескольких полях севооборота, можно сделать вывод о рациональном использовании одной машины на двух орошаемых в сезон полях. Исходя из того, что за один сезон орошается 4 поля севооборота, очевидным является использование двух дождевальных машин, то есть мобильных оросительной сети и оросительного оборудования.

Далее вычисляем время работы дождевальной машины на одной позиции с учетом коэффициента использования времени суток [2]. Например, для поливной нормы тнетто= 500 м3/га, получаем їп = 197,44 ч или 8,23 суток. По истечении этого времени

дождевальная машина перемещается на новую позицию трактором. Перед буксировкой машины колеса на всех её тележках поворачивают на 90°, а рычаги толкателей приподнимают и закрепляют на рамах (рис. 2).

Размещаем дождевальные машины так, чтобы каждая из них работала на закрепленной за ней площади от своего разборного транспортирующего трубопровода. После полива закрепленного участка разборный транспортирующий трубопровод и дождевальные машины перемещают на новые позиции.

Для наилучшего соответствия трубопровода принципу мобильности, на множестве труб был выполнен сравнительный анализ (срез) основных характеристик металлических труб и пластиковых труб низкого давления 3-го и 4-го поколений. Для сети были выбраны пластмассовые трубы ПЭ100 SDR17 ГОСТ 18599-2001 [1]. После нахождения расчетных внутренних диаметров по полному напору и расходу из множества насосных станций выбрали станцию марки ДНУ-360/83, которая предназначена для эксплуатации на открытых площадках и для частого перемещения [3].

В табл. 2 приведены расчетные и принятые параметры мобильной оросительной сети для дождевальной машины «Фрегат» ДМУ А-392-50, позволяющие произвести полив любого поля рассматриваемого севооборота. На основе вышеприведенных расчетов на рис. 3 представлена разработанная типовая конструктивная схема расположения мобильного оборудования с использованием дождевальной машины ДМУ «Фрегат» при циклическом орошении восьмипольного севооборота.

Таблица 2 - Параметры мобильной о росительной сети

Элементы мобильного Восьмипольный севооборот с

оросительного оборудования четырьмя орошаемыми полями

Передвижная насосная станция ДНУ-360/83, подача 160-460 л/с, напор 95-65 м

Материал трубопровода - полиэтилен

Диаметр магистрального трубопровода:

- принятый, мм 355

- расчетный, мм 357

Диаметр распределительного трубопровода:

- принятый, мм 280

- расчетный, мм 253

Материал трубопровода - сталь

Диаметр всасывающего трубопровода:

- принятый, мм 244,5

- расчетный, мм 226

Длина магистрального трубопровода, м < 800

Длина распределительных разборных трубопроводов, м < 3200

1 год и 5 год

2 год и 6 год

4 год и 8 год

=И

Рисунок 3 - Типовая схема расположения мобильного оборудования с использованием дождевальной машины ДМУ «Фрегат»

Высокая экономическая и технологическая эффективность применения мобильной оросительной сети обусловлена использованием передвижных насосных станций и закрытых мобильных трубопроводов, так как КПД закрытой сети составляет 0,99, а мобильность позволяет перемещаться оросительной сети вслед за орошаемым полем в структуре севооборота и по окончании вегетационного периода сниматься с участка. Благодаря этому, уменьшается протяженность оросительной сети, а следовательно, и капитальные затраты на строительство. Для проведения поливов в этих условиях эффективно использование дождевальных машин кругового типа, так как они являются механизированным, мобильным и высокопроизводительным средством для проведения поливов сельскохозяйственных культур.

Таким образом, рассмотренные научные принципы проектирования оросительной сети при циклическом орошении позволяют определить общие подходы к алгоритмизации проектирования, однако успех применения этого метода в значительной степени зависит от опыта разработчика.

Библиографический список

1. ГОСТ 18599-2001. Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия. Введ. 2003-01-01[Текст]. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов, 2008. -34 с.

2. Гусейн-Заде, С. Х. Многоопорные дождевальные машины [Текст]/ С. Х. Гусейн-заде, Л. А. Перевезенцев, В. И. Коваленко. - М.: Колос, 1976. - 176 с.

3. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение [Текст]: справочник / Под ред. Б. Б. Шумакова. - М. : Колос, 1999. - 432 с.

4. Нормы водопотребности и экологически безопасные режимы орошения сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе [Текст] : рекомендации / Под ред. А. В. Колганова, В. Н. Щедрина; ГУ «ЮжНИИГиМ». - М.: Мелиоводинформ, 2000. - 152 с.

5. Ольгаренко, Г. В. Эффективное природопользование [Текст] / Г. В. Ольгаренко // Мелиорация вчера, сегодня, завтра. - 2011. - № 1. - С. 15.

6. Щедрин, В. Н. Теория и практика альтернативных видов орошения черноземов юга Европейской территории России [Текст] : монография / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 435 с.

Е-mail: RosNIIPM@yandex.ru