ресурсосберегающие технологии в условиях кубани

УДК 631:525
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
В УСЛОВИЯХ КУБАНИ
Н.П. Дьяченко, П.Ю. Шугай, С.В. Абулгафаров
Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар, Россия
В последнее время часто наблюдается изменение природных факторов (осадков,
температуры), которые оказывают существенное влияние на рост и урожай сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что происходит перераспределение осадков по
месяцам. При наличии высоких температур количество осадков за вегетационный период
недостаточно. В весенне-летний период дождей иногда не бывает 1…1,5 месяца. Летом
может выпасть 70…110 мм осадков за один месяц относительно среднемесячного коли
чества осадков 35…63 мм. Температура воздуха летом достигает 40…500С [1]. Все это
приводит к засухе и гибели растений.
Решить эту проблему можно с помощью ресурсосберегающих технологий орошения.
К таким технологиям относится капельное орошение (КО), при котором не образуются
поверхностный сток, корки на поверхности почвы и не происходит смыв плодородного
слоя почвы. При капельном орошении увлажнение почвы осуществляется в зоне
максимального развития корневой системы растений, что обеспечивает ее хорошую
аэрацию. При этом способе полива вода равномерно, падающими каплями или струйками
подается непрерывно к каждому растению на протяжении всего вегетационного периода
в количестве, которое соответствует водопотреблению данной культуры.
Капельное орошение по сравнению с другими способами поливов имеет ряд
преимуществ: экономное расходование воды; повышение урожайности культур в 1,5-2
раза; управление водно-воздушным режимом почвы; автоматизированный полив;
снижение затрат ручного труда. Одним из основных элементов систем капельного
орошения являются поливные полиэтиленовые трубопроводы. Правильно подобранные
диаметры при колебаниях давления и температуры окружающей среды обеспечивают
равномерную подачу воды.
Величина поливной нормы при КО зависит от размеров контура увлажнения,
который определяется водно-физическими свойствами почв.
Предложен ряд формул для расчета поливных норм при капельном орошении. И.С.
Флюрце [2] предложил формулу для вычисления поливной нормы
m = q t n,
(1)
где q – расход капельницы; t – продолжительность полива; n – число капельниц.
Формула (1) не учитывает водно-физические свойства почв и влияние на расход
капельниц температуры поливной воды. На наш взгляд продолжительность полива
можно подсчитать по зависимости, предложенной ВНИИМиТП [3], которая учитывает
водно-физические свойства почв
t = 2 Р j / (V 1 + V 4),
(2)
где Р – слой воды, необходимый для насыщения единичной почвенной колонки; j –
коэффициент, учитывающий капельный характер подачи воды;
V 1 – скорость
впитывания в конце 1 часа; V 4 – скорость впитывания в конце 4 часа.
Слой воды для насыщения почвогрунта предложено определять по формуле:
Р =  H ( нв   i)/100,
(3)
где  - коэффициент, учитывающий расход воды на водопотребление за время
перераспределения влаги по профилю; Н – расчетная глубина увлажнения;  нв –
155
почвенные влагозапасы в метровом слое, соответствующие ее
наименьшей
влагоемкости;  i – предполивные почвенные влагозапасы той же мощности.
В системах КО используют капельницы различных конструкций. В течение
поливного сезона полиэтиленовые трубопроводы и капельницы находятся на
поверхности почвы. Трубы и капельницы нагреваются под воздействием солнечной
радиации в дневные часы. Проведенные исследования показали, что температура в
полиэтиленовых трубопроводах и капельницах в дневное время находится в диапазоне от
350С до 550С [1]. В результате изменения температуры окружающей среды происходит
деформация рабочих частей капельниц, линейное и поперечное расширение
трубопроводов, из-за чего увеличивается расход через капельницы, что приводит к
неравномерному распределению поливной воды по площади полива, а в отдельных
случаях – к недобеганию воды по трубопроводам до растений.
Предлагается определять расход капельниц с учетом изменения температуры
поливной воды и рабочего давления над ней.
Расход капельниц, установленных на полиэтиленовом трубопроводе, рекомендуется
определять по формуле:
для D = 0,012 м –
(4)
q  2,649  а1  t  а2  P ;
6
0 -1
-1
где а1 = 0,0121 С ; а2 = 13  10 Па ;
для D = 0,016 м –
q  6,29  а3  t  а4  P  а3  а4  22 106  t  P  а52  t 2  а62  P 2 ,
6
6
(5)
где а3 = 0,00145 С ; а4 = 5,904  10 Па ; а5 = 0,0129 С ; а6 = 7,22  10 Па ;
0
-1
-1
0 -1
-1
(6)
q  3,417  а1  t  а2  P ,
6
-1
0
где а7 = 0,0139 С ; а8 = 11,26  10 Па ; t – температура поливной воды, С; Р –
рабочее давление над капельницей, Па.
Основное требование к поливным трубопроводам – создание относительно
постоянного давления внутри его.
Напор в поливном трубопроводе определяется по формуле
Н = ±НГ + НК + h,
(7)
где НГ – геометрическая высота, которая определяется разностью отметки поверхности
земли, где установлена самая удаленная капельница на поливном ПТ до места
подключения ПТ к участковому трубопроводу, м; НК – напор воды над капельницей в
«оптимальной зоне», м;
h – потери напора в поливном трубопроводе находятся по
формуле Дарси-Вейсбаха, м
L V2
hf   
,
(8)
D 2g
где  - коэффициент гидравлического трения; L – длина трубопровода, м; D – диаметр
трубопровода, м.
Проведенный анализ способов гидравлического расчета поливных полиэтиленовых
трубопроводов систем КО установил, что коэффициент гидравлического трения (λ)
определяется по формуле Блазиуса
0.3164 .
(9)

для D = 0,02 м -
0 -1
Re 0.25
Однако формула Блазиуса не учитывает влияния повышения температуры от 20 до
55 С на коэффициент гидравлического трения.
0
156
Мы предлагаем (см рисунок) скорректировать коэффициент λ так, чтобы он
учитывал изменение температуры воды в поливных ПТ диаметрами 0,012, 0,016, 0,02 м.
Для этого представим в относительных величинах изменение λ от относительной
температуры поливной воды. На рисунке приведена зависимость  = f( t ), где  безразмерная величина, равная отношению λt / λБЛ, где λt – коэффициент гидравлического
трения при изменении температуры жидкости от 20 до 550С, а λБЛ – коэффициент
гидравлического трения по формуле Блазиуса; t - безразмерная величина, учитывающая
отношение повышенной температуры воды к температуре воды при 200С.
Математическая обработка опытных данных
 = f( t ) позволила получить
эмпирическую формулу для λt с учетом изменения температуры поливной воды от 20 до
550С
t =   0.3164
,
(10)
0.25
Re
где  - коэффициент гидравлического трения, определяемый по формуле
(11)
 = 0,992  ( t )0.012 .
Учет линейных и продольных деформаций стенок полиэтиленовых трубопроводов
имеют ряд недостатков: горючесть, резкое снижение прочности при повышении
температуры, высокий коэффициент линейного расширения, значительную ползучесть,
способность к фотоокислению (то есть окислению под действием солнечной радиации).
Для уменьшения влияния света в полиэтилен в качестве присадки добавляют сажу, что
является достаточно эффективным средством. Этим объясняется черный или темносерый цвет труб и деталей трубопроводов. Темные трубы притягивает солнечные лучи,
которые значительно их нагревают, особенно черные трубы.
При проектировании и монтаже полиэтиленовых трубопроводов следует учитывать
температурные изменения длины и поперечного сечения труб и принимать необходимые
меры по их компенсации.
1,01
1-R2 = 0,8663
1
0,99
0,98
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
Зависимость  от t для ПТ диаметрами 0,012, 0,016, 0,02 м
В результате исследований получены эмпирические формулы для определения
линейной деформации поливных ПТ от повышенных температур воды от 20 до 550С:
157
для трубопровода диаметром 0,012 м
L  (0,007  Ln(t )  0,02)  L ;
(12)
для трубопровода диаметром 0,016 м
L  (0,005  Ln(t )  0,012)  L ;
(13)
для трубопровода диаметром 0,02 м;
L  (0,003  Ln(t )  0,008)  L .
(14)
Получены обобщенные эмпирические формулы для определения продольных
деформаций стенок ПТ:
для трубопровода диаметром 0,012 м
D
 0.0000007  t1.77 ;
(15)
D
для трубопровода диаметром 0,016 м
D
 0.00001  t1.07 ;
(16)
D
для трубопровода диаметром 0,02 м
D
 0.00005  t 0.81 .
(17)
D
В результате исследований получена эмпирическая формула для определения
линейных деформаций в ПТ диаметрами 0,012, 0,016 0,02 м от продольных деформаций:
 D 
L  3.414
(18)
 L.
 D 
Решая совместно уравнения (8, 11, 18), после преобразований величины потерь
напора с учетом высоких температур воды для ПТ получаем
091
2

 D     V .
h  t  1  3.414  
 
 D   2 g  D

0.91
(19)
Выводы
1. Получена полуэмпирическая формула (19), для определения потерь напора в ПТ
при повышенных температурах воды для диаметров 0,012, 0,016, 0,02 м с учетом
линейных и продольных деформаций.
2. Следует учитывать влияние температуры поливной воды при расчетах систем
капельного орошения.
Библиографический список
1. Шугай П.Ю. Изменение расходных характеристик капельниц под действием
температур окружающей среды. Мелиорация и водное хозяйство. Сб. научных
трудов. Новочеркасск, 2003, 4, 90-93, 246 с.
2. Флюрце И.С. Орошение плодовых культур. Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1982. С.
161.
3. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации систем капельного
орошения. М.: ВНИИМиТП, 1985. С. 14–32.
158