CC BY
58
УДК 631.347
ПОТЕРИ ВОДЫ НА ИСПАРЕНИЕ И СНОС ПРИ ПОЛИВЕ ДОЖДЕВАНИЕМ И СПОСОБЫ ИХ СНИЖЕНИЯ
В. В. Слюсаренко, доктор техн. наук ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», т. 8 (8452) 736268
Н. Ф. Рыжко, канд. техн. наук ФГНУ «ВолжНИИГиМ», т. 8 (8453) 754420
В статье приведены результаты исследований величины потерь воды на испарение и снос при поливе дождеванием и показана эффективность технических устройств для ее снижения.
Ключевые слова: потери воды, испарение, снос, дождевание, модернизация дождевателей
Одним из недостатков полива дождеванием являются потери воды на испарение и снос ветром за пределы орошаемого поля. В настоящее время в нашей стране и за рубежом проведены многочисленные исследования по определению потерь дождя на испарение в воздухе и уносе ветром, которые находятся в пределах 0,442,0 % от вылитого объема воды (В. Е. Хабаров, 1982, Б. Б. Шумаков, 1990).
Большой разброс экспериментальных данных связан с разнообразием климатических условий при проведении опытов; различием типов аппаратов, насадок и машин, режимов их работы, крупности капель и интенсивности дождя, высоты подъема дождя над поверхностью почвы; методик исследований и др.
Потери воды при дождевании определялись различными методами. Петров Е. Г., Дороженко П. К. (1933), Назаров М. И. [3], Мустафаева К. М. (1962), Мансуров М. С. [1], Хабаров В. Е. [4] проводили исследования методом водного баланса при помощи дождемеров. В. А. Емельянов (1976) определял величину испарения методом взятия почвенных проб на влажность. Методом радиоактивных изотопов проводили исследования Метельский З. К., Мустафаева К. М. (1962), а методом изменения концентрации солей натрия и хлора определяли Гаджиев Г. М. [2], Овчаров В. А. [6], Соломин И. А., Абрамов А. М. (1985), Штан-гей А. И. [5].
Для практики орошаемого земледелия наиболее важно знать суммарную величину испарения дождя в воздухе и сноса его ветром (Еис) за пределы опытного участка, которая определяется методом водного баланса по величине расхода воды аппаратом и разности между теоретической и фактической нормой полива на поле.
Для Саратовского Заволжья характерны жесткие климатические условия. Во время вегетационного периода температура воздуха изменяется от 13 до 34°С (в среднем 17,4°С), относительная влажность воздуха - от 96 до 16 % (в среднем 59 %), скорость ветра на высоте 2 м от поверхности почвы - от 0 до 6...8 м/с (в среднем 3,8 м/с) [6].
При поливе дождевальными аппаратами и насадками создается полидисперсный дождь, крупность капель которого изменяется от 0,05...0,20 мм в начале радиуса захвата и до 2,0...3,5 мм и более в конце. Средние значения в большинстве случаев - 1,0...1,5 мм [7].
Капли дождя диаметром 0,05...0,10 мм можно рассматривать как водяную пыль. Время падения этих капель с высоты 3...10 м изменяется от 11,5...43,0 с до 35,0... 130,0 с. Водяная пыль легко сносится ветром. За время полета происходит испарение с поверхности капли, а некоторые частицы водяной пыли, в зависимости от климатических условий, могут полностью испариться в воздухе, не долетев до поверхности почвы.
Доля водяной пыли в основном и определяет величину потерь воды на испарение и снос. При определении величины Еис фиксировались значения температуры и относительной влажности воздуха, а также скорость ветра на высоте 2 м от поверхности почвы. Дождемеры расставлялись в зоне полива с интервалом 0,5...1,0 м.
Чтобы исключить задержку и перераспределение воды, растения, ближние к месту установки дождемеров (если они выше дождемеров), удалялись или наклонялись.
Для оценки суммарной величины испарения и сноса дождя (Еис) при поливе дождеванием были математически обработа-
ны результаты полевых опытов, полученных в ВолжНИИГиМе при поливе одиночными аппаратами «Фрегат» № 1, 2, 3 и 4, ДКШ-64, дефлекторными насадками, а также дождевальными машинами «Фрегат», «Волжанка» и ДДН-70. Результаты опытов приведены в табл. 1. С целью получения достоверной математической зависимости для расчета Еис были использованы также опытные данные М. С. Мансурова, А. П. Кле-пальского, К. М. Мустафаевой, Е. Г. Петрова, П. К. Дороженко.
По данным табл. 1 и литературным источникам видно, что величина Еис при поливе отдельным аппаратом или дефлек-торной насадкой увеличивается с повышением температуры воздуха и скорости ветра и уменьшается с увеличением относительной влажности воздуха.
Так как при дождевании температура
воздуха, относительная влажность воздуха и скорость ветра воздействуют одновременно, то важно выяснить, как изменяется величина Еис в зависимости от комплексного показателя напряженности климата (Ф),
который предложил В. Е. Хабаров [4]: ф = '{>- +>)•
где t - температура воздуха, град; ф - относительная влажность воздуха, %; Vв -скорость ветра, м/с.
Величина Еис дождя также зависит от конструктивно-технологических параметров аппаратов и машины. Она возрастает с увеличением высоты подъема капель дождя над поверхностью почвы и частоты вращения струи и уменьшается с увеличением среднего диаметра капель, средней и мгновенной интенсивности дождя.
Таблица 1
Величина испарения и сноса дождя при поливе дождевальными аппаратами,
насадками и машинами
Д-d, H, q, hn, Рс, Рм, n+1, а, T, Ф, Vв, Е,с
мм МПа л/с м мм мм/мин мм/мин об./мин град град % м /с %
Полив одиночным аппаратом «Фрегат» и машиной ДДН-70
4,8 0,36 0,46 6,0 1,05 0,053 1,635 1,31 - 30,0 20 3,4 35,0
11,9-5,6 0,19 2,54 5,3 0,260 2,70 2,0 - 18,0 22 3,6 36,5
9,5-5,6 0,22 1,92 5,5 2,20 0,289 2,640 1,35 - 13,0 87 3,3 5,0
11,1-5,6 0,28 2,76 6,1 1,98 0,169 2,810 2,44 - 10,0 90 2,5 2,4
10,3-5,6 0,38 2,86 7,5 1,50 0,450 2,230 2,0 - 27,6 38 0,9 20,4
9,5-5,6 0,55 3,32 8,1 1,11 0,410 2,220 2,0 - 27,6 38 0,9 30,1
3,2 0,56 0,27 5,9 0,60 0,074 1,534 4,0 - 27,6 38 0,9 30,8
55-16 0,60 72,0 17,5 2,50 0,432 8,450 1,14 - 23,0 35 1,5 10,7
Полив ДМ «Фрегат», на пролетах установлены дождевальные аппараты
10,3-5,6 0,38 2,86 7,5 1,50 0,450 2,230 2,0 90 27,0 40 2,90 10,20
9,5-5,6 0,55 3,88 8,1 1,11 0,410 0,220 2,0 90 27,0 40 2,88 16,20
3,2 0,17 0,137 4,3 1,28 0,046 1,506 90 27,0 40 2,88 15,0
9,5-5,6 0,24 2,0 5,8 1,94 0,370 2,645 1,5 90 27,0 40 2,88 13,80
8,7-5,6 0,23 1,74 5,5 1,92 0,370 2,452 1,5 90 27,0 40 2,88 16,60
7,9-5,6 0,36 1,89 6,6 1,30 0,284 1,975 15 18,8 73 5,30 15,90
4,3-3,9 0,24 0,55 5,0 1,17 0,139 1,645 2,75 15 18,8 73 5,30 7,0
3,6 0,43 0,28 6,0 0,75 0,071 1,459 90 21,4 69 4,0 30,60
7,1-4,8 0,35 1,55 6,3 1,24 0,243 1,710 90 21,4 69 4,0 11,10
10,3-5,6 0,43 2,72 7,8 1,370 0,420 1,926 1,7 45 21,0 26 1,30 9,16
9,5-5,6 0,45 2,95 7,8 1,247 0,445 2,197 1,5 45 23,7 22,5 1,59 13,17
10,3-5,6 0,43 2,72 7,8 1,370 0,420 1,926 1,7 45 23,7 22,5 1,59 12,10
9,5-5,6 0,25 2,17 5,8 1,910 0,450 2,678 1,5 45 26,0 18 2,70 10,90
9,5-5,6 0,24 2,10 5,8 1,940 0,362 2,645 2,0 10 29,0 20 3,0 4,60
9,5-5,6 0,24 2,0 5,8 1,940 0,371 2,645 1,5 45 30,0 20 3,0 7,50
9,5-5,6 0,28 2,17 6,0 1,735 0,445 2,015 2,0 10 30,5 20 4,50 8,10
9,5-5,6 0,28 2,17 6,0 1,735 0,445 2,015 2,0 10 25,0 20 3,10 3,80
Примечание. Д, d - диаметры основной и дополнительной насадок; Н - напор на выходе струи; д - расход воды; Ип - средняя высота подъема струи над полем; dк - средний диаметр капель дождя; рс, рм - средняя и мгновенная интенсивность дождя; п - частота вращения аппарата; а - угол между направлением ветра и трубопроводом машины; 1, ф - температура и относительная влажность воздуха; Ув - скорость ветра; Еис - величина испарения и сноса дождя.
При поливе дождевальными машинами величина Еис зависит от направления ветра относительно трубопровода машины. Если направление ветра перпендикулярно оси трубопровода, то величина Еис максимальная, а при направлении ветра вдоль трубопровода эта величина минимальная. Это связано с тем, что сносимые капли перемещаются в зоне дождя соседних аппаратов, где температура воздуха ниже, а относительная влажность воздуха выше, чем вне зоны дождя. Также здесь происходит больше соударений и слияний капель дождя. Для оценки влияния на величину Еис направления ветра вдоль трубопровода введем коэффициент Ка. Если угол направления ветра к трубопроводу машины составляет 90 градусов (а = 90°), то величина Еис максимальная, а коэффициент Ка=1. Если угол направления ветра вдоль трубопровода машины равен нулю (а = &), то величина Еис минимальная и величина коэффициента Ка снижается. Его значения зависят от типа дождевальных машин. Для широкозахватных машин типа «Фрегат», «Волжанка» и «Днепр», у которых зона захвата дождем достигает 400...500 м, величина Ка снижается до 0,2...0,3. У двухкон-сольных агрегатов типа ДДА-100МА зона захвата дождем составляет 120 м, и, по данным В. А. Кван (1985), коэффициент Ка при а = 0° уменьшается до 0,85.
Зависимость коэффициентов Ка от величины угла между направлением ветра и трубопроводом машины описываются следующими уравнениями: для дождевальных «Волжанка», «Днепр»:
Ка = 1 0,009 (90 - а),
для ДДА-100 МА:
Ка = 1 - 0,0017 (90 - а). (2)
Для каждой машины величина Еис определяется конструктивными, технологическими и метеорологическими параметрами, а также направлением ветра относительно трубопровода машины.
Обработкой опытных данных на ЭВМ получено уравнение для расчета величины испарения и сноса дождя (Еис) при дождевании одиночным дождевальным аппаратом, насадкой или машиной:
\0,4 / ,\0.08
машин «Фрегат», (1)
Е = 1,55
( - 0,5) 4 • ( +1)0
10.6 „0.25 „0.
^ Р Рт
Г (' - £)•<" +1
(3)
•ка
где Л - высота подъема капель дождя над почвой, м; п - частота вращения аппарата,
об/мин; бк - средний диаметр капель, мм; Рс, рт - средняя и мгновенная интенсивность дождя, мм/мин; Т - температура воздуха, град.; р - относительная влажность воздуха, %; Vв - скорость ветра, м/с, Ка -коэффициент, учитывающий изменение величины испарения и сноса дождя в зависимости от величины угла между трубопроводом машины и направлением ветра.
Исследования показывают, что величина Еис ДМ «Фрегат» с модернизированными аппаратами при средних метеоусловиях для Саратовской области (температура воздуха - 17,4°С, относительная влажность воздуха - 59 %, скорость ветра - 3,8 м/с) понижается в начале машины с 21,4 до 12,3 %, а по машине в среднем - на 16 % (табл. 2).
Это достигнуто благодаря уменьшению угла наклона малорасходных струй до 15° к горизонту и величины их подъема над поверхностью поля, а также в результате изменения степени распыла струй (снижение отношения Н/Д с 0,06.0,12 до 0,03.0,05 МПа/мм), изменения средней и мгновенной интенсивности дождя и оптимизации частоты вращения аппаратов в пределах 0,5.1,0 об./мин.
Применение на ДМ «Фрегат» дефлек-торных насадок уменьшает высоту подъема дождевого облака до 3,2.3,6 м (у серийных аппаратов «Фрегат»- 5,6.8,0 м), повышает среднюю интенсивность дождя и одновременно снижает крупность капель и мгновенную интенсивность дождя. Величина потерь воды на испарение и снос при поливе ДМ «Фрегат» с дефлекторными насадками изменяется вдоль трубопровода машины в пределах 15,8.9,3 % (в среднем - 12,6 %), что несколько меньше, чем при поливе машиной со среднеструйными аппаратами, средняя величина испарения которых составляет 16 % (табл. 2). Это связано в основном с уменьшением высоты подъема дождевого облака.
Использование на ДМ «Фрегат» устройств приповерхностного дождевания с дефлекторными насадками снижает высоту подьема дождевого облака до 1,5.1,8 м, а величина потерь воды на испарение и снос Еис уменьшается до 10,6.6,7 %. Лучшие результаты для Саратовской области имеет оборудование приповерхностного дождевания типа «вращающаяся штанга», которое также снижает высоту подъема дождевого облака и уменьшает потери воды Еис до 8,9.7,0 %. Одновременно обеспечивается мелкокапельное дождевание с хорошими показателями средней и мгновенной интенсивности дождя.
Примечание. ДА - дождевальный аппарат; ДН - дефлекторная насадка; УПД и ВШ - устройство приповерхностного дождевания типа «рычаг» и «вращающаяся штанга»; п - количество дождевателей на пролете; q - расход воды дождевателя, Д-С - диаметр основной и дополнительной насадки; Н - напор на выходе струи; 6 - угол наклона струи к горизонту; Ид - высота установки дождевателя, м; Ис - средневзвешенная высота подъема струи; Ск - средний диаметр капель дождя; рс, рм - средняя и мгновенная интенсивность дождя; Еис - величина испарения и сноса дождя (температура воздуха 17,4°С, относительная влажность воздуха 59 %, скорость ветра 3,8 м/с, угол между направлением ветра и трубопроводом машины 45°).
Таблица 2
Величина испарения и сноса дождя при поливе серийными и модернизированными аппаратами ДМ «Фрегат», дефлекторными насадками и устройствами приповерхностного дождевания
Тип ДА (п) Ид, м q, л/с Д-с1 , мм Н, МПа 6, град. Ис, м Ск, мм Рс, мм/мин Рм, мм/мин Еис, %
начало машины, пролет между тележками № 2 и 3
ДА №2 с(3) 2,5 0,415 3,6-2,4 0,43 27-27 5,6 0,70 0,112 1,525 21,4
ДА №2 м(3) 2,5 0,415 4,8 0,28 15 3,5 1,21 0,106 1,995 12,3
ДА №2 м(3) 2,5 0,415 3,6-3,2 0,23 27-15 4,7 1,10 0,128 1,930 13,9
дн (5) 2,5 0,250 4 0,26 23 3,2 0,55 0,395 0,472 15,8
упд дн (5) 0,6 0,250 4 0,26 23 1,5 0,55 0,403 0,480 10,6
упд ДА (3) 0,6 0,415 4,8 0,28 15 1,8 1,21 0,119 2,21 8,4
ВШ (3) 0,6 0,415 4,8 0,28 23 1,7 0,90 0,129 0,60 8,9
середина машины, пролет между тележками № 8 и 9
ДА №3 с(3) 2,5 1,79 5,6-7,1 0,483 27-27 7,4 1,0 0,276 1,921 15,1
ДА №3 м(3) 2,5 1,79 7,1-5,6 0,483 27-15 6,2 1,0 0,276 1,922 15,0
дн (3) 2,5 1,79 12 0,168 23 3,4 0,86 0,565 0,378 10,2
упд дн (5) 0,6 1,02 8 0,276 23 1,6 0,59 0,846 0,534 8,6
упд ДА (3) 0,6 1,79 7,1-5,6 0,483 27-15 4,3 1,0 0,306 2,130 11,5
ВШ (3) 0,6 1,79 7,1-7,0 0,25 23 1,8 0,9 0,298 0,903 8,2
конец машины, пролет межд у тележками № 15 и 16
ДА №4 с(3) 2,5 3,78 11,9-5,6 0,420 27-27 8,0 1,57 0,433 2,60 10,4
ДА №4 м(3) 2,5 3,78 9,5-5,65,1-5,1 0,420 27-27 7,3 1,21 0,490 2,19 10,3
дн (3) 2,5 3,78 16 0,237 23 3,6 0,87 1,20 0,58 9,3
упд дн (5) 0,6 2,18 12 0,25 23 1,7 0,72 1,47 0,76 6,7
ВШ (3) 0,6 3,78 7,1-12 0,42 23 1,8 1,00 0,63 0,72 7,0
Таким образом, получена математическая зависимость (3) для расчета потерь воды на испарение и снос в зависимости от коэффициента напряженности климата, а также от конструктивных и технологических параметров дождеобразующих устройств. Для уменьшения потерь воды на испарение и снос необходимо на ДМ «Фрегат» применять устройства приповерхностного дождевания типа «рычаг» и «вращающаяся штанга», которые снижают высоту подъема дождевого облака над поверхностью почвы.
Литература
1. Анисимов, В. А. Потери воды при испарении / В. А. Анисимов, М. С. Мансуров // Гидротехника и мелиорация. - 1969. - № 8. - С. 37-44.
2. Гаджиев, Г. М. Особенности орошения приоазисных песков дождеванием / Г. М. Гаджиев, Ю. С. Пунинский // Гидротехника и мелиорация. - 1979. - № 5. - С. 38-41.
3. Назаров, М. И. Потери воды на испарение в воздухе и снос ветром при дожде-
вании / М. И. Назаров // Вопросы водного хозяйства. - Фрунзе: Кыргызстан, 1973. -Вып. 31. - С. 34-42.
4. Хабаров, В. Е. Исследования влияния метеорологических факторов на зону формирования искусственного дождя при орошении: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Хабаров В. Е. - Новочеркасск, 1982. - 20 с.
5. Штангей, А. И. Исследование потерь и распределения воды в процессе дождевания: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Штангей А. И. - Киев, 1977. - 20 с.
6. Овчаров, В. А. Потери воды на испарение при дождевании широкозахватными машинами в Поволжье / В. А. Овчаров, В. И. Шигаев // Вопросы орошения в Поволжье: сб. науч. тр. / ВолжНИИГиМ. - М., 1980. - С. 88-92.
7. Рыжко, Н. Ф. Совершенствование технических средств и технологий орошения в Поволжье / Н. Ф. Рыжко. - Саратов: Саратовский источник, 2007. - 110 с.
