Особенности построения гидравлической модели системы капельного орошения с модулем электрохимической обработки воды

УДК 626.8:631.67

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ С МОДУЛЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

CONSTRUCTION SPECIFIC FEATURES OF THE TRICKLE IRRIGATION SYSTEM HYDRAULIC MODEL WITH A MODULE OF ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT

С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук

А.Н. Чушкин, кандидат технических наук М.Н. Лытов, кандидат сельскохозяйственных наук Е.И. Чушкина, кандидат сельскохозяйственных наук

S.Y. Semenenko, A.N. Chushkin, M.N. Lytov, E.I. Chushkina

ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград

Federal scientific center for Agroecology, land reclamation and protective afforestation

RAS (PNIIMT - FRPC branch ofAgroecology Russian Academy of Sciences), Volgograd

Материалы статьи посвящены результатам исследований, проводимых в развитие теории и методов проектирования систем капельного орошения с расширенным функционалом полива электрохимически обработанной природной водой и приготовленными на ее основе растворами. Настоящий этап исследований посвящен разработке гидравлической модели системы капельного орошения, реализованной на основе использования таких же общих принципов и подходов, как и при построении прогнозной модели параметров состояния электрохимически обработанной воды в системе напорных водоводов капельного орошения. Особенностью построения указанной гидравлической модели является общая направленность на решение задачи синхронизации компьютерных расчетов в рамках предложенного ранее алгоритма за счет использования единых координат расчетной схемы. Расчетная схема пошагового определения гидравлических потерь напора базируется на использовании линейной системы пара-метризированных координат. При определении потерь напора в системах капельного орошения учитывается, что потери напора по длине прямо пропорциональны скорости движения воды, а следовательно, расходу воды по сечению, а также что расход воды в системе капельного орошения изменяется по длине трубопровода из-за дифференцированного отбора воды капельными водовыпусками, ответвлениями поливных, участковых, распределительных водоводов. Использование предложенной расчетной схемы позволяет выделить участки с одинаковыми массово-расходными характеристиками, для которых и проводится классический расчет гидравлических потерь напора. Показано, что использование классических законов гидравлики в применении к расчету напорных трубопроводов и оригинального компьютерного алгоритма пошагового определения гидравлических потерь напора позволяет синхронизировать процедуру определения компромиссных конструктивных параметров системы капельного орошения с модулем электрохимической обработки воды.

Materials of the article are devoted to the results of research carried out in the development of the theory and methods of designing systems of drip irrigation with advanced irrigation functionality of electrochemically treated natural water and solutions prepared on its basis. The present stage of research is devoted to the development of a hydraulic model of drip irrigation system, implemented using the same General principles and approaches as in the construction of a predictive model of parameters of electrochemically treated water in the system of pressure water lines of drip irrigation. A feature of the construction of this hydraulic model is the General focus on solving the problem of synchronization of computer calculations within the previously proposed algorithm through the use of single coordinates of the design scheme. The design scheme of step-by-step determination of hydrau-

lic pressure losses is based on the use of a linear system of parametrized coordinates. In determining the head losses along the length of the tubing in drip irrigation systems is taken into account that the pressure loss along the length is directly proportional to the rate of water movement and thus water flow over the cross section and the water discharge in the drip irrigation system varies according to the length of a pipeline due to differential selection of water drip outlets, branches irrigation, district, distribution of water pipelines. The use of the proposed calculation scheme allows to identify areas with the same mass-flow characteristics, for which the classical calculation of hydraulic head losses is carried out. It is shown that the use of classical laws of hydraulics in application to the calculation of pressure pipelines and the original computer algorithm for step-by-step determination of hydraulic pressure losses allows to synchronize the procedure for determining the compromise design parameters of the drip irrigation system with the module of electrochemical water treatment.

Ключевые слова: модель, капельное орошение, система, гидравлические потери, модуль электрохимической обработки.

Keywords: model, drip irrigation, system, hydraulic losses, electrochemical processing module.

Введение. Применение современных технологий орошения, реализующих стратегию комплексного регулирования факторов жизни растений и развития агроценоза, включая использование новых биофизических эффектов для активизации ростовых процессов и снижения агроэкологической нагрузки на мелиорированные агроландшаф-ты, является объективно обусловленным трендом развития высокопроизводительных сельскохозяйственных систем. Капельное орошение с модулем электрохимической обработки воды позволяет использовать биофизические эффекты применения растворов с электрохимически инициированными редокс-процессами для комплексного фитооздо-ровления посевов, стимуляции роста и продукционного процесса [5, 6, 12, 9]. Проектирование таких систем сопряжено с объективными трудностями, связанными с необходимостью учета динамики редокс-процессов наряду с классическими критериями расчета, такими как совокупные потери напора в системе [1]. Ранее нами были предложены модели для учета компенсации редокс-потенциала растворов в системе капельного орошения и алгоритм расчета конструктивных параметров, основанный на применении этих моделей. Важным условием эффективного применения предложенного алгоритма является синхронизация модели, используемой для прогнозирования состояния параметров электрохимически обработанной вод, и гидравлической модели оросительной сети. С этой целью гидравлическую модель сети трубопроводов системы капельного орошения целесообразно представить в тех же координатах, в которых представлена модель состояния параметров электрохимически обработанной воды.

Материалы и методы. Цель исследований заключается в разработке гидравлической модели системы капельного орошения на основе использования таких же общих принципов и подходов, как и при построении прогнозной модели параметров состояния электрохимически обработанной воды в системе напорных водоводов капельного орошения. Для синхронизации компьютерных расчетов в рамках предложенного ранее алгоритма в первую очередь предполагается использование единых координат расчетной схемы.

Любая произвольная система напорных водоводов представляет собой протяженный линейный объект с установленными правилами ветвления. Для описания линейных объектов целесообразно использовать систему линейных координат как эффективный способ организации географически определенных данных на основе относительного позиционирования вдоль линейного объекта. С другой стороны, важно учи-

тывать пространственное ветвление напорных водоводов в системе капельного орошения. Учитывая вышесказанное, в качестве геопозиционной основы для разрабатываемой модели будет целесообразно использовать систему линейных координат с параметрами, определяемыми уровнем напорных водоводов системы капельного орошения. Тогда любую линейную координату X можно будет определить параметрами ^ j, п, -(ХуД где:

- параметр i определяет местоположение координаты на участковом трубопроводе (распределительном трубопроводе 1 порядка);

- параметр j определяет местоположение координаты на распределительном трубопроводе (распределительном трубопроводе 2 порядка);

- параметр п определяет положение координаты на поливном трубопроводе.

В общем случае оросительная система может иметь любое определенное число распределительных трубопроводов, которое и будет определять степень параметризации линейных координат.

За начало системы линейных координат целесообразно принять точку подключения установки для электрохимической обработки оросительной воды к системе капельного орошения. Тогда i=0 определится как точка подключения установки для электрохимической обработки оросительной воды, i=1, i=2 и т.д. - точки подключения распределительных трубопроводов к участковому, соответственно - первого, второго и т.д.; j=0 - определится как точка подключения распределительного трубопровода к участковому, j=1, j=2 и т.д. - точки подключения поливных трубопроводов к распределительному, соответственно - первого, второго и т.д.; п=0 - определится как точка подключения поливного трубопровода к распределительному, п=1, п=2 и т.д. - капельные водовыпуски - первый, второй и т.д. Пределы изменения параметра i - определятся диапазоном от 0 до I с шагом в 1, j - диапазоном от 0 до J с шагом в 1, а п - диапазоном от 0 до N с шагом в 1. Параметры I, J и N - определяются компоновкой, техническими характеристиками и общими геометрическими размерами системы капельного орошения.

Материалами исследований является опубликованная техническая информация по проблеме исследований, анализ агротехнологических требований применения электрохимически обработанной воды в сельском хозяйстве, классические законы гидравлики в применении к расчету напорных трубопроводов [10, 3]. Методология исследований базируется на основе известных методов гидравлического расчета систем капельного орошения [2, 8].

Результаты и обсуждение. При определении потерь напора по длине трубопровода в системах, предназначенных для реализации функции капельного полива необходимо учитывать:

- что потери напора по длине прямо пропорциональны скорости движения воды, а следовательно, расходу воды по сечению;

- что расход воды в системе капельного орошения изменяется по длине трубопровода из-за дифференцированного отбора воды капельными водовыпусками, ответвлениями поливных, участковых, распределительных водоводов.

Поскольку параметры координаты X (^ j и п) соответствуют узлам отбора воды и, следовательно, на каждом из этих узлов изменяется расход воды по сечению, то расчет будет целесообразно проводить дифференцированно, для участков трубопровода с соседними параметрами координаты.

Обозначим падение напора на одном из указанных выше участков трубопровода с координатой конечной точки Хуп как ДНГ и примем, что Нуп - это напор воды в точке с координатой ХуП.

Тогда:

- если п>0, то Ну„ = Ну(П-1) - ДНГ;

- если п=0, а ] >0, то Ну0 = Н^.^ - ДНГ;

- если п=0, ] =0, а 1>0 то Н100 = H(i-1)00 - ДНГ

- если п=0, ] =0, а 1=1 то Н100 = Н000 - ДНГ,

где Нооо - давление воды на выходе установки для электрохимической активации оросительной воды.

Реализация подобного алгоритма на ЭВМ не вызывает затруднений, а производительность современных вычислительных машин позволяет выполнить расчет для сколь угодно сложной системы капельного орошения в считаные секунды. Результатом расчета являются значения напоров Нуп для всей сетки координат, определяющей параметры системы капельного орошения.

Ядром модели является известная расчетная формула для расчета потерь напора по длине трубопровода:

т -и2

АН = А • ——,

где АН - потери напора по длине трубопровода, м, X - безразмерный коэффициент гидравлического трения, L - длина трубопровода, м, D - диаметр потока жидкости (внутренний диаметр трубы), м, V - скорость потока жидкости, м/с, g - ускорение свободного падения, м/с2 (9,81).

Применительно к расчетному участку трубопровода системы капельного орошения в соответствии с предложенным алгоритмом формула запишется следующим образом:

А НГ=Х- .

' 2д

Расчетная скорость потока в системе определиться исходя из общего расхода воды для данного расчетного сечения:

* = т!г .

Алгоритмы определения 1Г, и Qijn для каждого расчетного участка подробно рассмотрены в ранее опубликованных работах и синхронизированы с алгоритмом определения этих же показателей в модели состояния электрохимически обработанной воды и водных растворов минеральных удобрений в системе капельного орошения.

Неизвестной в рассматриваемом выражении остается величина коэффициента гидравлического трения Я. Значение коэффициента гидравлического трения зависит от режима течения жидкости и определяется с учетом известного числа Рейнольдса:

Яе =

у

где Яе - число Рейнольдса, у - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Кинематическая вязкость воды зависит от температуры: снижается с ее увеличением. Выбор расчетной температуры воды напрямую связан с водоисточником и должен осуществляться с учетом его физических параметров. Например, темпера-

тура воды из открытого водоисточника имеет выраженную годовую амплитуду изменения, подземные воды имеют более стабильную температуру, которая, впрочем, может изменяться при длительной транспортировке. Свой вклад, хотя и сравнительно небольшой, в изменение температуры оросительной воды вносит и процесс электрохимической обработки.

Определив значение числа Рейнольдса, можно судить о режиме течения воды в трубопроводах, что, в свою очередь, позволяет выбрать расчетную зависимость для определения коэффициента гидравлического трения. Если йе< 2320, то режим течения оросительной воды - ламинарный, для которого коэффициент трения определяется по уравнению Пуазейля:

А = ^ .

Яе 4 '

При больших значениях числа Рейнольдса:

4000<Де<10 •

кэ

где кэ - гидравлический эквивалент шероховатости труб, м, адекватную оценку коэффициента гидравлического трения дает формула Блазиуса:

0,3164 ( Л

1 = .

Следует признать, что шероховатость стенки трубы влияет на гидравлическое сопротивление только при турбулентном потоке, но и в этом случае, из-за наличия ламинарного пограничного слоя, существенно сказывается только при числах Рейнольдса, превышающих некоторое значение, зависящее от относительной шероховатости ^. Если

10Яе < 560 • —,

кэ кэ

то при расчете коэффициента гидравлического трения лишь частично учитывается влияние гидравлического эквивалента шероховатости труб:

Если же и это условие не выполняется, то есть :

Яе > 560 •

кэ'

то коэффициент гидравлического трения определяется уже, преимущественно, шероховатостью труб. При этом значения коэффициента гидравлического трения можно считать величиной, зависящей только от относительной шероховатости труб:

А = 0Д^ф°,25

Определив значение коэффициента гидравлического трения, мы имеем все данные для определения потери напора воды по длине трубопровода на расчетном участке.

Методика учета местных сопротивлений в общей модели определения потерь напора сегодня имеет мощное теоретическое и экспериментальное обоснование [4]. В то же время указывается на необходимость учета индивидуальных особенностей конструкций при количественной оценке величины потерь напора на местные сопротивле-

ния. В литературе [7, 11] на основании обобщения различных типов местных сопротивлений в системе капельного орошения предлагается для учета потерь напора на местных сопротивлениях использовать экспериментально определенные коэффициенты:

IАНГ = км.с. • АНг1,

где IАНГ - суммарные потери напора по длине трубопровода и на местные сопротивления для расчетного участка, м, АНг1 - потери напора по длине трубопровода для расчетного участка, м, км с - эмпирический коэффициент, учитывающий потери напора на местные сопротивления, равный для магистральных и распределительных трубопроводов значительной протяженности подводящего пути 1,1, для участковых трубопроводов 1,2, для поливных трубопроводов с капельницами 1,3.

Вычисленные значения суммарных потерь напора для расчетных участков напорных трубопроводов, входящих в состав системы капельного орошения, можно использовать для определения фактических напоров воды для всех значений координаты X с параметрами i, j и n. Использование единых координат обеспечивает естественную синхронизацию гидравлической модели системы капельного орошения и модели параметров состояния электрохимически обработанной воды в системе капельного орошения.

Заключение. Использование классических законов гидравлики в применении к расчету напорных трубопроводов и оригинального компьютерного алгоритма пошагового определения гидравлических потерь напора позволяет синхронизировать процедуру определения компромиссных конструктивных параметров системы капельного орошения с модулем электрохимической обработки воды. Расчетная схема пошагового определения гидравлических потерь напора базируется на использовании линейной системы парамет-ризированных координат. Параметры координаты позволяют описать любую, сколь угодно сложную, систему ветвления напорных водоводов капельного орошения. При этом собственно, координатами являются узловые точки системы, расположенные в местах ветвления потока, отвода в распределительный трубопровод высшего порядка, в поливной трубопровод или в капельный водовыпуск. Использование такой расчетной схемы позволяет выделить участки с одинаковыми массово-расходными характеристиками. Результатом расчета является сумма шаговых значений гидравлических потерь напора в векторе потока с учетом выбранной траектории ветвления.

Библиографический список

1. Алгоритм расчета систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды [Текст]/ С.Я. Семененко, М.Н. Лытов, А.Н. Чушкин, Е.И. Чушкина // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2017.- № 4 (28). - С. 20-36.

2. Бородычев, В.В. Современные технологии капельного орошения овощных культур [Текст]: научное издание / В.В. Бородычев - Волгоград: Радуга, 2010. - 241 с.

3. Голованов, А.И. Основы капельного орошения (теория и примеры расчётов) [Текст]/ А.И. Голованов, Е.В. Кузнецов. - Краснодар, 1996. - 96 с.

4. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст]/ И.Е. Идель-чик. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

5. Пасько, О.А. Рост и развитие растений, стимулированных электрохимически активированной водой [Текст]/ О.А. Пасько //Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. - 2010. - № 3. - С. 54-59

6. Продуктивность томатов при капельном орошении с использованием электрохимически активированной воды [Текст] / С.Я. Семененко, М.Н. Лытов, Е.И. Чушкина, А.Н. Чушкин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2014. - № 2 (14). - С. 1-14.

7. Режим капельного орошения плодового сада на светло-каштановых почвах Нижнего Поволжья [Текст]/ А.В. Шуравилин, В.В. Бородычев, М.Н. Лытов, А.В. Сергиенко // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. - 2011. - № 1 (73). - С. 75-78.

8. Современное промышленное производство овощей и картофеля с использованием систем капельного орошения и фертигации [Текст]/ Л.С. Гиль, В.И. Дьяченко, А.И. Пашков-ский, Л.Т. Сулима. - Ж.: ЧП «Рута», 2007. - 390 с.

9. Харченко, О.В. Применение электрохимически активированных водных растворов в качестве стимуляторов роста семян для ярового ячменя [Текст]/ О.В. Харченко, А.В. Куприянов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2009. - № 3. - С. 40-43.

10. Швабауэр, В.В. Расчет гидравлических потерь давления в трубопроводе из пластмасс [Текст]/ В.В. Швабауэр, И.В. Гвоздев, М.И. Гориловский // Полимерные трубы. - 2005. -№1 (6) - С. 36-40.

11. Шурыгин, В. Обоснование научного подхода к расчету параметров гидротранспорта в пластмассовых трубопроводах [Текст]/ В. Шурыгин, Е. Семененко // Полимерные трубы. -2007 - №1. - С. 50-56.

12. Semenenko S., Lytov M., Borodychev V., Ivantsova E. Yielding capacity and quality of tomato fruits at drip irrigationwith water with modified oxidation-reduction potential / S. Semenenko, M. Lytov, V. Borodychev, E. Ivantsova // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th. - 2015. - С. 1055-1062.

Reference

1. Algoritm rascheta sistem kapel'nogo orosheniya s modulem jelektrohimicheskoj aktivacii orositel'noj vody [Tekst]/ S. Ya. Semenenko, M. N. Lytov, A. N. Chushkin, E. I. Chushkina // Nauch-nyj zhurnal Rossijskogo NII problem melioracii. - 2017. - № 4 (28). - P. 20-36.

2. Borodychev, V. V. Sovremennye tehnologii kapel'nogo orosheniya ovoschnyh kul'tur [Tekst]: nauchnoe izdanie / V. V. Borodychev - Volgograd: Raduga, 2010. - 241 p.

3. Golovanov, A. I. Osnovy kapel'nogo orosheniya (teoriya i primery raschjotov) [Tekst]/ A. I. Golovanov, E. V. Kuznecov. - Krasnodar, 1996. - 96 p.

4. Idel'chik, I. E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Tekst]/ I. E. Idel'chik. -M.: Mashinostroenie, 1992. - 672 p.

5. Pas'ko, O. A. Rost i razvitie rastenij, stimulirovannyh jelektrohimicheski aktivirovannoj vodoj [Tekst]/ O. A. Pas'ko //Vestnik Buryatskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii im. V. R. Filippova. - 2010. - № 3. - P. 54-59.

6. Produktivnost' tomatov pri kapel'nom oroshenii s ispol'zovaniem jelektrohimicheski aktivirovannoj vody [Tekst] / S. Ya. Semenenko, M. N. Lytov, E. I. Chushkina, A. N. Chushkin // Nauchnyj zhurnal Rossijskogo NII problem melioracii. - 2014. - № 2 (14). - P. 1-14.

7. Rezhim kapel'nogo orosheniya plodovogo sada na svetlo-kashtanovyh pochvah Nizhnego Povolzh'ya [Tekst]/ A. V. Shuravilin, V. V. Borodychev, M. N. Lytov, A. V. Sergienko // Zemleustro-jstvo, kadastr i monitoring zemel'. - 2011. - № 1 (73). - P. 75-78.

8. Sovremennoe promyshlennoe proizvodstvo ovoschej i kartofelya s ispol'zovaniem sistem kapel'nogo orosheniya i fertigacii [Tekst]/ L. S. Gil', V. I. D'yachenko, A. I. Pashkovskij, L. T. Sulima. -Zh.: ChP "Ruta", 2007. - 390 p.

9. Harchenko, O.V. Primenenie jelektrohimicheski aktivirovannyh vodnyh rastvorov v kachestve stimulyatorov rosta semyan dlya yarovogo yachmenya [Tekst]/ O.V. Harchenko, A.V. Kupriyanov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2009. - № 3. - P. 40-43.

10. Shvabau]r, V. V. Raschet gidravlicheskih poter' davleniya v truboprovode iz plastmass [Tekst]/ V. V. Shvabaujer, I. V. Gvozdev, M. I. Gorilovskij // Polimernye truby. - 2005. - №1 (6) - P. 36-40.

11. Shurygin, V. Obosnovanie nauchnogo podhoda k raschetu parametrov gidrotransporta v plastmassovyh truboprovodah [Tekst]/ V. Shurygin, E. Semenenko // Polimernye truby. - 2007 - №1. -P. 50-56.

12. Semenenko S., Lytov M., Borodychev V., Ivantsova E. Yielding capacity and quality of tomato fruits at drip irrigationwith water with modified oxidation-reduction potential / S. Semenenko, M. Lytov, V. Borodychev, E. Ivantsova // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th. - 2015. - S. 1055-1062.

E-mail: pniiemt@yandex.ru