CC BY
8Вестник РГАТУ, 2021, т.13, №4, с. 138-143 Vestnik RGATU, 2021, Vol.13, №4, рр.138-143
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Научная статья УДК 631.347
DOI: 10.36508/RSATU.2021.90.45.017
Повышение равномерности распределения дождя за счет применения дождевальной установки с траекторией полива близкой к прямоугольной
Михаил Юрьевич Костенко1 , Дмитрий Сергеевич Мельничук2, Владимир Сергеевич Тетерин3
123Институт технического обеспечения сельского хозяйства - филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Рязань, Россия
1 km340010@rambler.ru
2melnichuckmitya@yandex.ru
3v.s.teterin@mail.ru
Аннотация.
Проблема и цель. Дождевальные машины и установки кругового действия находят все большее применение в современных сельскохозяйственных предприятиях, так как способны орошать как большие площади в несколько сотен гектар, так и маленькие участки, размером до 1 га, но у всех машин данного исполнения наблюдается неравномерное распределения осадков, ввиду их технологической особенности. Цель данного исследования заключалась в повышении равномерности распределения слоя осадков по орошаемой площади за счет применения дождевальной установки позиционного действия с траекторией полива, близкой к прямоугольной. Авторами была предложена и разработана конструкция установки, работающая от действия реактивных сил капель дождя, создаваемых дождевальными насадками.
Методология. Для обеспечения необходимой равномерности и соответствия качеству получаемого дождя агротехнологическим требованиям на лабораторном стенде были испытаны 5 образцов дождевальных насадок. Каждый образец испытывался при давлении системы от 0,5 атм. до 3,5 атм., а величина создаваемой реактивной силы измерялась при помощи весов безмена. Результаты. В ходе проведения экспериментальных исследований были получены данные, которые были проанализированы в программе Statistica, после чего была построена графическая поверхность, показывающая равномерность распределения осадков в пределах орошаемого участка, лежащая в диапазоне 40-60 мм и лишь к периферии орошаемой площади, на расстоянии 0,5 м, наблюдается снижение высоты слоя осадков до уровня 20-40 мм.
Заключение. Для решения проблемы достижения равномерности распределения влаги на всей площади орошения предлагается технологическая схема расположения разработанной установки таким образом, чтобы зоны с недостаточным увлажнением накладывались друг на друга, оказывая тем самым компенсирующий эффект и обеспечивая покрытие орошаемого участка слоем осадков на уровне 60 мм.
Ключевые слова: орошение, дождевальная установка, траектория орошения, повышение равномерности.
Для цитирования: Костенко М. Ю., Мельничук Д. С., Тетерин В. С. Повышение равномерности распределения дождя за счет применения дождевальной установки с траекторией полива близкой к прямоугольной// Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2021. Т13, №4. С 138-143 https://doi.org/10.36508/RSATU.2021.90.45.017
Technical sciences
Original article
Increasing the uniformity of rain distribution, due to the use of a sprinkler system with a watering
trajectory close to a rectangular one
Mikhail Yu. Kostenko 1 '' , Vladimir S. Teterin2, Dmitriy S. Melnichuk3
1'2'3 Institute of Technical Support of Agriculture - branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", Ryazan, Russia 1 km340010@rambler.ru 2v.s.teterin@mail.ru 3 melnichuckmitya@yandex.ru
© Костенко М. Ю., Мельничук Д. С., Тетерин В. С., 2021 г
Abstract.
The problem and the goal. Sprinklers and circular-acting installations are increasingly used in modern agricultural enterprises, as they are able to irrigate both large areas of several hundred hectares and small plots up to 1 ha in size, but all machines of this design have an uneven distribution of precipitation, due to their technological features. The purpose of this study was to increase the uniformity of the distribution of the precipitation layer over the irrigated area by using a positional sprinkler system with a watering trajectory close to rectangular. The authors proposed and developed the design of the installation, operating from the action of the reactive forces of raindrops created by sprinkler nozzles.
Methodology. To ensure the necessary uniformity and compliance with the quality of the rain received with agrotechnological requirements, 5 samples of sprinkler nozzles were tested on a laboratory stand. Each sample was tested at a constant system pressure, and the magnitude of the created reactive force was measured using a bezmen scale.
Results. During the experimental studies, data were obtained, which were analyzed in the Statistica program, after which a graphical surface was constructed showing the uniformity of precipitation distribution within the irrigated area, lying in the range of 40-60 mm and only to the periphery of the irrigated area, at a distance of 0.5 m, a decrease in the height of the precipitation layer to the level of 20-40 mm is observed. Conclusion. To solve the problem of achieving uniformity of moisture distribution over the entire irrigation area, a technological layout of the developed installation is proposed in such a way that zones with insufficient moisture overlap each other, thereby providing a compensating effect and ensuring that the irrigated area is covered with a layer of precipitation at the level of 60 mm.
Key words: irrigation, sprinkler, irrigation trajectory, increasing uniformity.
For citation: Kostenko M. Yu., Teterin V. .S. Melnichuk D. S. Increasing the uniformity of rain distribution, due to the use of a sprinkler system with a watering trajectory close to a rectangular one. Herald of Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev. 2021; 13 (4): 138-143 (in Russ). https://doi. org/10.36508/RSATU.2021.90.45.017
Ведение
Орошение дождеванием относится к способу полива растений и площадей земельных участков с использованием специальных машин, установок и агрегатов, обеспечивающих равномерное распределение оросительной воды на поверхность почвы в виде искусственного дождя [1].
За последние годы данный способ орошения получил повсеместное прогрессирующее распространение. Так, в 1965 г. доля дождевания земель в России не превышала 7 % от всех способов орошения. В настоящее время дождеванием поливают более 50 % орошаемых земель [2,3].
Это обусловлено тем, что при применении дождевания происходит насыщение влагой не только почвы, но и околопочвенного слоя воздуха, что приводит к снижению температуры и улучшению микроклимата; происходит очищение листовой поверхности растений от пыли, в результате чего улучшается ассимиляция и фотосинтез [4]. К преимуществам также относится возможность подавать воду с точно заданной поливной нормой в конкретный промежуток времени за счет применения средств механизации и автоматизации [5,6,7]. Все это способствует созданию благоприятных условий для роста и развития растений, что в конечном результате приводит к повышению урожайности [8].
Однако, при рассмотрении существующих оросительных машин отмечается один существенный недостаток, наиболее выраженный у машин с круговой траекторией орошения. Так, для полива участков прямоугольной формы их необходимо располагать с перекрытием траекторий полива, что приводит к возникновению зон с избыточным
увлажнением, которые могут доходить до 50 % от эффективно орошаемой площади [9,10,11]. В результате этого происходит нерациональное расходование водных ресурсов, ведущее к удорожанию процесса полива [12,13,14]. На рисунке 1 представлены типовые схемы расстановки дождевальных установок с поливом по квадрату, по многоугольникам и по секторам.
Приведенные схемы наглядно отражают несовершенство данных установок при орошении площадей однородной конфигурации, поскольку не выполняется главная задача - равномерное распределение дождя по всему поливаемому участку. С целью устранения данного недостатка была разработана конструкция дождевальной установки позиционного действия с траекторией орошения, близкой к прямоугольной [15]. В процессе разработки конструкции дождевальной установки использовались принципы теоретической механики и математических зависимостей. Применение разработанной дождевальной установки позиционного действия позволит повысить равномерность распределения слоя осадков по орошаемой площади [16].
Работает данная установка за счет реактивных сил, создаваемых каплями дождя, выбрасываемыми из дождевальных насадок, установленных на концах дождевальных крыльев. Траектория полива, близкая к прямоугольной, достигается за счет применения в конструкции блока шестерен, работающих по принципу планетарного механизма [11]. Для определения наиболее подходящих рабочих органов и рабочих режимов конструкции, представленной на рисунке 2, была проведена серия экспериментальных исследований.
в) г)
а - схема расстановки дождевальных установок с поливом по квадратам; б - схема расстановки дождевальных установок с поливом по многоугольникам; в, г - схемы расположения дождевальных установок с поливом по
секторам
Рис. 1 - Существующие схемы расстановки дождевальных установок (Existing schemes of arrangement of sprinkler installations)
1 - рама салазки; 2 - полозья; 3 - опорные стойки; 4 - поперечные тяги; 5 - платформа; 6 - узел вращения; 7 - входной штуцер; 8 - горизонтальное плечо; 9 - крыло малого радиуса орошения; 10 - дождевальная насадка; 11 - переходной узел; 12 - тройник крепления дождевальных крыльев; 13 - дождевальные крылья; 14 - шестерня ведомая; 15 - колесо; 16 - шестерня промежуточная;
17 - ведущая шестерня Рис. 2 - Дождевальная установка позиционного действия (Sprinkler installation of positional action)
Работает данная установка за счет реактивных сил, создаваемых каплями дождя, выбрасываемыми из дождевальных насадок, установленных на концах дождевальных крыльев. Траектория полива, близкая к прямоугольной, достигается за счет применения в конструкции блока шестерен, работающих по принципу планетарного механизма [11]. Для определения наиболее подходящих рабочих органов и рабочих режимов конструкции, представленной на рисунке 2, была проведена серия экспериментальных исследований.
Материалы и методы
Для определения величины реактивной силы, создаваемой каплями дождя, необходимой для обеспечения работоспособности конструкции, проводилась серия экспериментов с различными дождевальными насадками.
Сущность эксперимента заключалась в выявлении оптимальных показателей создаваемого дождя в зависимости от входных параметров. Для проведения эксперимента был изготовлен лабораторный стенд(рис.З), состоящий из штатива с закрепленными на нём весами марки Portable Electronic Scale WH-A08, штатива с подвижной планкой для крепления испытываемых дождевальных насадок, манометра и питающего шланга. Свободный конец планки соединялся с электронными весами. На конце планки закреплялись испытываемые дождевальные насадки, которые подсоединялись к питающему трубопроводу посредством коннектора, при этом питающий трубопровод был оборудован манометром марки TIM Y50.
Для каждой из испытываемых дождевальных насадок эксперимент проводится следующим образом: вода от магистрального трубопровода подавалась к дождевальной насадке, закрепленной на планке, давление воды изменялось в диапазоне от 0,5 до 3,5 атм. При этом создаваемая реактивная сила отклоняла планку от первоначального положения, воздействуя на весы, тем самым показывая величину создаваемого усилия. Полу-
ченные значения создаваемых реактивных сил заносились в таблицу, после чего данные обрабатывались в программе Excel.
Рис. 3 - Общий вид лабораторного стенда по определению величины реактивной силы (General view of the laboratory stand for determining the magnitude of the reactive force)
После выявления оптимальной дождевальной насадки были проведены экспериментальные исследования по определению равномерности распределения дождя в соответствии с методикой, разработанной на основании ГОСТ 2004-2 7749. Аппараты дождевальные вращающиеся, в котором даны основные положения к проведению эксперимента. По итогам проведения эксперимента полученные данные обрабатывались в программе Statistica.
Результаты и обсуждения
В результате эксперимента по определению реактивных сил, создаваемых дождевальными насадками, были получены значения данных сил для каждого из образца. На основании полученных данных были построены графики зависимости величины реактивной силы от давления воды, подаваемой в дождевальную насадку (рис. 4).
Рис. 4 - Зависимость реактивной силы от подаваемого давления (Dependence of the reactive force on the applied pressure)
Из анализа полученных графиков была определена дождевальная насадка, имеющая наиболее высокие показатели энергетической эффективности. Так, у образца под номером 3 значение реактивных сил во всём диапазоне давлений в среднем оказались на 22 % выше, чем у образца под номером 5, являющимся вторым по энергетической эффективности. В связи с этим для использования в конструкции дождевальной установки позиционного действия в качестве основного рабочего органа была выбрана дождевальная насадка под номером 3.
После чего были проведены исследования по определению равномерности распределения осадков по орошаемой площади. Для этого дождевальная установка с расположенными на ней насадками устанавливалась на ровной поверхности, где по заранее отмеченной координатной сетке устанавливались дождемеры. На основании полученных данных в программе Statistica была построена графическая поверхность распределения осадков по контрольному участку (рис. 5).
Y//////////7,
=х=
'//////////ы
31
Рис. 5 - График поверхностного распределения воды при орошении дождевальной установкой позиционного действия с траекторией полива,
близкой к прямоугольной (A graph of the surface distribution of water during irrigation by a positional sprinkler system with a watering trajectory close to a rectangular one)
Анализируя данный график, можно отметить снижение высоты слоя осадков к периферии орошаемого участка, на расстоянии 0,5 м от его контуров, поэтому для выравнивания слоя на всей площади предлагается схема расположения данной дождевальной установки с перекрытием 0,5 м, указанная на рисунке 6.
Данная схема оказывает компенсирующий эффект, поскольку в указанной области высота слоя осадков находится в диапазоне от 24 до 44 мл, что, с учетом наложения, будет соответствовать показателю 60-65 мл для всей площади орошения, составляющей 72 м2.
Рис. 6 - Схема расположения дождевальной установки с учетом зон перекрытия 0,5 м (The layout of the sprinkler unit, taking into account the overlap zones of 0.5 m)
Заключение
Проведенные аналитические исследования позволили определить основные недостатки при использовании дождевальных установок с круговой траекторией орошения, в связи с чем была разработана и испытана конструкция дождевальной установки позиционного действия с траекторией полива, близкой к прямоугольной. В ходе экспериментальных исследований были определены параметры основных рабочих органов, способствующие обеспечению работоспособности конструкции в соответствии с агротехническими требованиями. Разработанная дождевальная установка позиционного действия обладает высокой равномерностью распределения осадков, при этом наблюдаемое снижение равномерности на краях траектории возможно компенсировать зонами перекрытий. При этом стоит отметить, что в данном случае перекрытия не будут способствовать созданию зон с избыточным увлажнением.
Список источников
1. Желязко В. И. Сельскохозяйственные мелиорации: учебно-методическое пособие / В. И. Желязко, В. М. Лукашевич. - Горки: БГСХА, 2020. - 250 с.
2. Базавлук В. А. Мелиоративное обустройство территорий [текст]: учебное пособие / А. В. Базавлук. - Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2014. -184 с.
3. Васильев С. М., Шкура В. Н. Дождевание / С. М. Васильев, В. Н. Шкура. - Новочеркасск: РосНИ-ИПМ, 2016. - 352 с.
4. Zhao W. Modeling sprinkler efficiency with consideration of microclimate modification effects / W. Zhao, J. Li, Y. Li. // Agricultural and Forest Meteorology. - 2012. - V. 161. P. 116-122.
5. Issaka Z. Water-smart sprinkler irrigation, prerequisite to climate change adaptation: A review / Z. Issaka, H. Li, J. Yue, P. Tang, R.O. Darko // Journal of Water and Climate Change - 2018. - V. 9. - P. 383-398.
6. Kostenko M. Yu., Ryazancev A.I., Rembalovich G. K., Beznosyuk, R.V., Murog I. Al. Bogdanchikov I. Yu. Influence of Drop-Rain Irrigation on the Erosion of Soil Substrate of Container Seedlings// International Journal of Advanced Biotechnology and Research -2019.- Vol.10, Iss. 2, -Р.344-355
7. Olgarenko, G.V., Ryazantsev, A.I., Kuznetsov,
A.V., Umaev, D.M., Beznosyuk, R.V., Kostenko, M.Y. Environmental Protection and Ecology. - 2013. V 14 Sprinkler speed influence on soil substrate erosion// (4). - P. 1661-1672.
EurAsian Journal of Biosciences.- 2019.- Vol. 13. Голованов А. И. Мелиорация земель: учеб-13(2).- P. 1221-1224 ник / ред. А. И. Голованов. - СПб.: Лань, 2015. - 816 с.
8. 3айдельман Ф. Р. Мелиорация почв: Учеб- 14. Тетерин В. С., Мельничук Д. С., Пестряков ник. - 3-е изд., 312 испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, Е. В. // Разработка системы интеллектуального 2003. - 448 с., илл. - (Классический университет- полива на базе дождевальной установки позици-ский учебник). онного действия // Вестник мелиоративной науки.
9. M. Shiva Shankar, A.V. Ramanjaneyulu, T.L. 2019. № 1. С. 80-83.
Neelima, & Anup Das (2018). Sprinkler Irrigation - An 15. Тетерин В. С., Мельничук Д. С. // Разработка Asset in Water Scarce and Undulating Areas. 259-283 дождевальной установки позиционного действия и
10. D.K. Dehkordi. Evaluation of uniformity обоснование ее параметров // Вестник Рязанского coefficient of water distribution in sprinkler irrigation государственного агротехнологического универси-under different conditions. (2014). Advances in тета им. П. А. Костычева. 2020. № 2 (46). С. 85-90. Environmental Biology. 8(13):781-786 16. Патент № 189173 Российская Федерация,
11. Yuan S Q, Darko R O, Zhu X Y, Liu J МПК A01G 25/09 (2006.01). Дождевальная уста-P, Tian K. (2017). Optimization of movable новка: 2018139223: заявл. 06.11.2018: опубл. irrigation system and performance assessment 15.05.2019 / Костенко М. Ю., Новиков Н. Н., Мель-of distribution uniformity under varying ничук Д. С., Тетерин В. С., ,Безносюк Р. В.; заяви-conditions. Int J Agric & Biol Eng, 10(1): 72-79 тель Федеральное государственное бюджетное
12. Boja N. Research regarding the uniformity научное учреждение "Федеральный научный агро-of sprinkler irrigation in forestry nursery / N. Boja, F. инженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ). - 7 Boja, A. Teusdea, C. Maior, P.A. Darau // Journal of с.: ил. - Текст: непосредственный.
References
1. ZHelyazko V. I. Sel'skohozyajstvennye melioracii: uchebno-metodicheskoe posobie / V. I. ZHelyazko, V. M. Lukashevich. - Gorki: BGSKHA, 2020. - 250 s.
2. Bazavluk V. A. Meliorativnoe obustrojstvo territorij [tekst]: uchebnoe posobie /A. V. Bazavluk. - Tomsk: Izd-vo Tom. politekhn. un-ta, 2014. - 184 s.
3. Vasil'ev S. M, SHkura V. N. Dozhdevanie / S. M. Vasil'ev, V. N. SHkura. - Novocherkassk: RosNIIPM, 2016. - 352 s.
4. Zhao W. Modeling sprinkler efficiency with consideration of microclimate modification effects / W. Zhao, J. Li, Y. Li. //Agricultural and Forest Meteorology. - 2012. - V. 161. P. 116-122.
5. Issaka Z. Water-smart sprinkler irrigation, prerequisite to climate change adaptation: A review/Z. Issaka, H. Li, J. Yue, P. Tang, R.O. Darko // Journal of Water and Climate Change - 2018. - V. 9. - P. 383-398.
6. Kostenko M. Yu., RyazancevA.I., Rembalovich G. K., Beznosyuk, R.V., MurogI. Al. BogdanchikovI. Yu. Influence of Drop-Rain Irrigation on the Erosion of Soil Substrate of Container Seedlings//International Journal of Advanced Biotechnology and Research - 2019.- Vol.10, Iss. 2, -R.344-355
7. Olgarenko, G.V., Ryazantsev,A.I.,Kuznetsov,A.V., Umaev, D.M., Beznosyuk,R.V., Kostenko, M.Y. Sprinkler speed influence on soil substrate erosion//EurAsian Journal of BioSciences.- 2019.- Vol. 13(2).- P. 1221-1224
8. 3ajdel'man F. R. Melioraciya pochv: Uchebnik. - 3-e izd., 312 ispr. i dop. - M.: Izd-vo MGU, 2003. - 448 s., ill. - (Klassicheskij universitetskij uchebnik).
9. M. Shiva Shankar, A.V. Ramanjaneyulu, T.L. Neelima, & Anup Das (2018). Sprinkler Irrigation - An Asset in Water Scarce and Undulating Areas. 259-283
10. D.K. Dehkordi. Evaluation of uniformity coefficient of water distribution in sprinkler irrigation under different conditions. (2014). Advances in Environmental Biology. 8(13):781-786
11. Yuan S Q, Darko R O, Zhu X Y, Liu J P, Tian K. (2017). Optimization of movable irrigation system and performance assessment of distribution uniformity under varying conditions. Int J Agric & Biol Eng, 10(1): 72-79
12. Boja N. Research regarding the uniformity of sprinkler irrigation in forestry nursery / N. Boja, F. Boja, A. Teusdea, C. Maior, P.A. Darau // Journal of Environmental Protection and Ecology. - 2013. V 14 (4). - P. 1661-1672.
13. Golovanov A. I. Melioraciya zemel': uchebnik /red. A. I. Golovanov. - SPb.: Lan', 2015. - 816 s.
14. Teterin V. S., Mel'nichuk D. S., Pestryakov E. V. // Razrabotka sistemy intellektual'nogo poliva na baze dozhdeval'noj ustanovki pozicionnogo dejstviya //Vestnik meliorativnoj nauki. 2019. № 1. S. 80-83.
15. Teterin V. S., Mel'nichuk D. S. // Razrabotka dozhdeval'noj ustanovki pozicionnogo dejstviya i obosnovanie ee parametrov // Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta im. P. A. Kostycheva. 2020. № 2 (46). S. 85-90.
16. Patent № 189173 Rossijskaya Federaciya, MPK A01G 25/09 (2006.01). Dozhdeval'naya ustanovka: 2018139223: zayavl. 06.11.2018: opubl. 15.05.2019 /Kostenko M. YU., Novikov N. N., Mel'nichuk D. S., Teterin V. S., ,Beznosyuk R. V.; zayavitel'Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe nauchnoe uchrezhdenie "Federal'nyj nauchnyj agroinzhenernyj centr VIM" (FGBNU FNAC VIM). - 7 s.: il. - Tekst: neposredstvennyj.
Статья поступила в редакцию 22.10.2021; одобрена после рецензирования 06.12.2021; принята к публикации 10.12.2021.
The article was submitted 22.10.2021; approved after reviewing 06.12.2021; accepted for publication 10.12.2021.
