Приемы повышения качества дождевания при орошении природными и сточными водами - Статья

В статье дается более широкое и комплексное определение сущности качества искусственного дождя. На основании проведенного анализа литературных источников делается вывод, что для повышения качества искусственного дождя одним из основных приемов является разработка новых и совершенствование существующих дождевальных машин и их элементов. Приводится описание предложенных дождевальных аппаратов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, и рекомендации для практического использования.Один из главных факторов - качество создаваемого искусственного дождя, зависящее прежде всего от вида оросительных вод, конструкции дождевального устройства и давления жидкости перед дождевальным аппаратом. Нами дополнительно предлагается ввести третье условие качественного полива дождеванием: соблюдение требований экологической безопасности элементов окружающей среды (почвы, грунтовых вод, поверхностных вод, растений, воздушного массива). При проведении исследований использовалась существующая информационная база известных изобретений по совершенствованию конструкций дождевальных устройств, агротехнические, экологические и технико-экономические требования, предъявляемые к орошению дождеванием. 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). При работе против ветра парус-датчик 6 отклоняет поворотное сопло 4 и струю поливной жидкости вниз, за счет чего снижается снос искусственного дождя.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.

Территория Республики Беларусь в климатическом отношении характеризуется чередованием влажных и относительно прохладных вегетационных периодов с весьма засушливыми, когда наблюдаются большие недоборы сельскохозяйственной продукции изза 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 тепло- и 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. 1662432)

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. 1702954)

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.

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. 1662432 СССР, А 01 G 25/00 / М.Г. Голченко, Н.Н. Михальченко, В.И. Вихров. - 4668415/15; Заявл. 28.03.89; Опубл. 15.07.91, Бюл. № 26 // Открытия. Изобрет. - 1991. - № 26. - С. 15.

6. Дождевальный аппарат: а.с. 1702954 СССР, А 01 G 25/00 / М.Г. Голченко, Н.Н. Михальченко, В.И. Желязко. - 4616741; 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 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. - 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 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. - 2006. - № 2. - С. 3.

Размещено на .ru