Приемы повышения качества дождевания при орошении природными и сточными водами

Приемы повышения качества дождевания при орошении природными и сточными водами

Территория Республики Беларусь в климатическом отношении характеризуется чередованием влажных и относительно прохладных вегетационных периодов с весьма засушливыми, когда наблюдаются большие недоборы сельскохозяйственной продукции из-за недостаточного количества влаги в почве. Особенно это касается овощеводства и плодово-ягодных культур, а также культурных пастбищ и травостоев. Поэтому применение оросительных мелиораций в условиях Беларуси объективно необходимо и экономически оправданно [1]. Другими словами, в условиях неустойчивого режима естественной теплои влагообеспеченности минеральных почв получать устойчивые высокие урожаи сельскохозяйственных культур без применения научно обоснованных оросительных мелиораций практически невозможно.

Основным способом орошения в Республике Беларусь в настоящее время и в обозримом будущем является дождевание. Эффективность орошения дождеванием зависит от многих объективных и субъективных факторов. Один из главных факторов — качество создаваемого искусственного дождя, зависящее прежде всего от вида оросительных вод, конструкции дождевального устройства и давления жидкости перед дождевальным аппаратом.

Анализ источников

В общем случае под качеством искусственного дождя необходимо понимать [2]:

во-первых, регулирование водного режима почвы в соответствии с требованиями растений путем проведения своевременных поливов необходимыми нормами;

во-вторых, это равномерное увлажнение орошаемой площади такими нормами и интенсивностью дождя, при которых на поверхности почвы не образуются лужи и сток, не повреждаются растения и почва, а потери на испарение минимальные.

Нами дополнительно предлагается ввести третье условие качественного полива дождеванием: соблюдение требований экологической безопасности элементов окружающей среды (почвы, грунтовых вод, поверхностных вод, растений, воздушного массива). Это требование распространяется непосредственно на орошаемый участок и прилежащие территории и водоемы.

Особенно актуально качество дождевания при орошении стоками животноводческих комплексов. Поверхностный сток в этом случае не только разрушает структуру почвы и эродирует ее, но и ухудшает экологическую обстановку на орошаемых и прилежащих к полям орошения территориях. Растекание поливной жидкости может привести к загрязнению открытых водоисточников. В случае напорного впитывания животноводческие стоки могут достигнуть грунтовых вод.

Главным условием качественного дождевания, без образования поверхностного стока и эрозии почвы, является соответствие его интенсивности впитывающей способности почвы. При поливе навозными стоками животноводческих комплексов впитывающая способность почвы снижается в 1,5−3,0 раза по сравнению с поливом природной водой[3].

Методы исследований

Конечными элементами дождевальных машин, непосредственно формирующими дождевой факел, являются дождевальные аппараты и насадки. Именно эти элементы оказывают максимальное влияние на качество искусственного дождя.

При проведении исследований использовалась существующая информационная база известных изобретений по совершенствованию конструкций дождевальных устройств, агротехнические, экологические и технико-экономические требования, предъявляемые к орошению дождеванием.

На основании анализа и сопоставления существующих конструкций производился синтез и отбор технических решений, повышающих качество искусственного дождя при орошении природными и сточными водами.

Основная часть

Основными параметрами дождевальных аппаратов и насадок являются: диаметр, либо эквивалентный диаметр выходного сопла;элементы, изменяющие струю после выхода из сопла (рассекатели струи, лопатки, дефлекторы);угол сужения сопла;угол наклона ствола (может быть статичным, регулируемым, динамичным);скорость вращения ствола (может осуществляться по полному кругу и по сектору);выпрямитель потока (обычно выполняется в виде продольных пластин, реже — набора трубок).

Кроме того, на качество дождевания в значительной степени влияет скорость и направление ветра.

На рис. 1 и 2 приведены предложенные нами конструкции дождевальных устройств, повышающие качество искусственного дождя при поливе в условиях ветра.

На рис. 1 приводится конструкция дождевального аппарата, позволяющая повысить равномерность полива при ветре [5].

Рис. 1. Дождевальный аппарат (а.с. 1 662 432)

При работе без ветра струеразделительная пластина 7 изогнутым концом, расположенным в поворотном сопле 4, опирается на нижний упор 9. При этом за счет отклонения ее от оси потока поливной жидкости в нем возникают дополнительные гидравлические сопротивления, за счет чего снижается дальность полета струи.

При работе против ветра парус-датчик 6 отклоняет поворотное сопло 4 и струю поливной жидкости вниз, за счет чего снижается снос искусственного дождя. При этом струеразделительная пластина 7 опирается на верхний упор 8 и располагается по оси потока поливной жидкости, причем при дальнейшем перемещении поворотной части ствола 4 вниз верхний упор 8 постоянно удерживает пластину 7 по оси потока. Такое расположение струеразделительной пластины 7 создает минимальное гидравлическое сопротивление, что увеличивает дальность полета струи. Кроме того, разделение струи на две части резко снижает поперечные циркуляции в потоке на повороте. Упоры 8 и 9, выполненные в виде пластин, установленные вдоль потока поливной жидкости, также играют роль успокоителей.

При работе по ветру парус-датчик б отклоняет поворотное сопло 4 и струю поливной жидкости вверх, за счет чего уменьшается дальность ее полета. Кроме того, струеразделительная пластина 7 отклоняется от оси потока жидкости, чем создается дополнительное гидравлическое сопротивление, снижающее дальность полета струи (величина отклонения струеразделительной пластины 7 ограничивается нижним упором 9).

Изменяя величину предварительного изгиба струеразделительной пластины 7 в зависимости от конструктивных размеров аппарата и напряженности ветрового режима поливаемого участка, можно добиться равномерного распределения искусственного дождя по полю при ветре за счет изменения дальности полета струи и угла ее наклона.

Приведенный на рис. 2 дождевальный аппарат позволяет упростить дождевальные конструкции [6]. Дождевальный аппарат состоит из корпуса 1, ствола 2, поворотного механизма в виде коромысла 3, закрепленного на корпусе 1 аппарата с помощью оси 4. На одном плече коромысла 3 расположена реактивная лопатка 5, а на другом посредством упругого элемента 6 установлен парус-датчик 7 (упругий элемент 6 допускает отклонения паруса-датчика 7 вдоль продольной оси коромысла 3).На корпусе паруса-датчика 7 с помощью установочного механизма закреплен подвижный регулировочный груз. Корпус паруса-датчика 7 крепится к коромыслу 3 аппарата посредством упругого элемента, выполненного в виде пластинки из пружинной стали 6, закрепленного на корпусе паруса-датчика 7 и на коромысле 3 аппарата.

Рис. 2. Дождевальный аппарат (а.с. 1 702 954)

Аппарат работает следующим образом. При работе против направления ветра парус-датчик 7 отклоняется ветром назад, при этом центр его тяжести отдаляется от оси 4 вращения коромысла 3. Таким образом, момент инерции системы парус-датчик-коромысло увеличивается, вследствие чего коромысло 3 движется с меньшей скоростью, что в свою очередь замедляет скорость вращения ствола 2 аппарата. Это приводит к тому, что против ветра выдается повышенная поливная норма, чем частично компенсируется снос искусственного дождя.

При работе по ветру парус-датчик 7 отклоняется ветром вперед и центр его тяжести приближается к оси 4 вращения коромысла 3. При этом момент инерции системы парус-датчик-коромысло уменьшается, что приводит к ускорению вращения ствола 2 аппарата и снижению поливной нормы, выдаваемой по ветру.

Для достижения наибольшего изменения скорости вращения аппарата при ориентировке его ствола вдоль направления ветра парус-датчик выполняют со смещением относительно его вертикальной оси или смещают от продольной оси коромысла в сторону, противоположную направлению вращения коромысла при выходе отклоняющей лопатки из струи поливной жидкости.

Предложена конструкция дождевального аппарата, повышающего экологическую безопасность дождевания сточными водами. Дождевальный аппарат [7] (рис. 3) состоит из неподвижного корпуса 1, колена 2 с дополнительным соплом 3 и дождевального водопроводящего патрубка 4, причем последний размещен в корпусе 1. На колене 2 смонтированы основной 5 и три дополнительных ствола 6 (рис. 3б).

а б Рис. 3. Дождевальный аппарат (пат. № 2455)

Дождевальный аппарат работает следующим образом: подготовленные животноводческие стоки из закрытой оросительной сети под напором подаются через корпус 1 в основной ствол 5 и дополнительное сопло 3, из которых выбрасываются в атмосферу. Одновременно чистая вода из закрытого трубопровода под напором поступает через дополнительный патрубок 4 в дополнительные стволы 6 и выбрасывается в атмосферу. Стволы 5 и 6 соединены между собой жестко (выполнены как единое целое). Геометрическая ось патрубка 4 совпадает с осью вращения колена 2.

При вращении ствола животноводческие стоки, вылетающие из ствола 5 и сопла 3 в атмосферу, орошают площадь формы круга или сектора, а струи воды, вылетающие из дополнительных стволов 6, создают защитный коридор из чистой воды. При этом траектории струй чистой воды находятся выше и с боков траектории движения животноводческих стоков.

Снабжение дождевального аппарата тремя дополнительными стволами обеспечивает дополнительную боковую защиту, что повышает защиту окружающей среды в случае полива при ветре.

Преимущество предлагаемой полезной модели состоит в повышении защиты окружающей среды при поливе в ветер.

Поддержание стабильного давления на выходе из насосной станции требует применения дорогостоящего регулирующего оборудования. При этом создание одинакового его значения во всех точках в закрытой оросительной сети зачастую невозможно с технической точки зрения.

Нами предложена дождевальная насадка, адаптирующаяся под изменения входного давления. Дождевальная насадка [8] (рис. 4) состоит из полого корпуса с упорной площадкой и эластичного дефлектора с механизмом регулировки, снабжена устройством автоматической регулировки положения эластичного дефлектора.

Рис. 4. Дождевальная насадка (пат. № 3021)

Дождевальная насадка работает следующим образом: во время работы жидкость поступает по водоподводящему патрубку в полый корпус 1, проходит через отверстие в основании эластичного дефлектора 3, ударяется о его рабочую поверхность и распадается на капли, они приобретают в последующем заданную траекторию полета, которая определяется точкой контакта струи с дефлектором.

Точка контакта смещается за счет отклонения эластичного дефлектора от исходного положения при помощи толкателя 4, установленного в отверстии упорной площадки 2 корпуса 1. Изменение дисперсности траектории полета капель и факела распыла в целом происходит за счет смещения (показано пунктиром) рабочей поверхности дефлектора 3 (например, вместо точки, А работает точка Б). При увеличении давления перемещение осуществляется за счет выталкивания давлением воды поршневой системы 7, которая воздействует на коромысло 5, поднимая толкателем 4 эластичный дефлектор 3. При уменьшении давления обратное перемещение осуществляется за счет упругости эластичного дефлектора 3 и давления на него струи воды.

Применение устройства автоматической регулировки положения эластичного дефлектора позволяет получить стабильные показатели качества искусственного дождя при колебаниях давления.

Заключение

Проведенные исследования и обобщение литературных источников свидетельствует, что одним из важнейших факторов повышения качества искусственного дождя является разработка и внедрение новых и совершенствование существующих дождевальных аппаратов. Предложенные конструкции, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, позволят повысить качество дождевания при проектировании и модернизации дождевальной техники.

• 1. Голченко, М.Г. Научно-практические основы орошения сельскохозяйственных угодий на минеральных почвах Республики Беларусь: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 06.01.02 / М. Г. Голченко. — Минск, 2006. — 49с.
• 2. Голченко, М. Г. Как обеспечить качественный полив дождеванием / М. Г. Голченко // НТИ по мелиорации и водному хозяйству. -1976. — № 6 -С. 25−28.
• 3. Желязко, В.И. Эколого-мелиоративные основы орошения земель стоками свиноводческих комплексов: монография / В. И. Желязко; БГСХА. — Горки, 2003. — 168 с. дождевание аппарат орошение
• 4. Анженков, А. С. Повышение качества дождевания при орошении животноводческими стоками: дис. …канд. техн. наук: 06.01.02 / А. С. Анженков. — Горки, 2010. — 157 л.
• 5. Дождевальный аппарат: а.с. 1 662 432 СССР, А 01 G 25/00 / М. Г. Голченко, Н. Н. Михальченко, В. И. Вихров. — 4 668 415/15; Заявл. 28.03.89; Опубл. 15.07.91, Бюл. № 26 // Открытия. Изобрет. — 1991. — № 26. — С. 15.
• 6. Дождевальный аппарат: а.с. 1 702 954 СССР, А 01 G 25/00 / М. Г. Голченко, Н. Н. Михальченко, В. И. Желязко. — 4 616 741; Заявл. 04.11.88; Опубл. 07.01.92, Бюл. № 1 // Открытия. Изобрет. — 1992. — № 1. — С. 14.
• 7. Дождевальный аппарат: пат. 2455 Респ. Беларусь, МПК A 01G 25/00 / А. С. Анженков, В. И. Коцуба, Г. А. Райлян, В. Н. Чеснык; заявитель УО БГСХА; заявл. 04.03.2005; опубл. 17.10.2005 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. — 2005. — № 4. — С. 3.
• 8. Дождевальная насадка: пат. 3021 Респ. Беларусь, МПК A 01G 25/00 / А. С. Анженков, В. И. Коцуба, Г. А. Райлян, В. Н. Чеснык; заявитель УО БГСХА; заявл. 31.01.2006; опубл. 15.06.2006 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. — 2006. — № 2. — С. 3.