Parameters for rain sprinkler machines and rainfall distribution indicators

Full Text

Искусственный дождь, создаваемый разбрызгивателями дождевальной техники, имеет различные характеристики, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на почву, растения и окружающую среду, в связи низкой равномерностью распределения по орошаемой площади. Но при повышении агроэкологического качества дождя и равномерности полива увеличивается урожайность сельскохозяйственных культур [3] и уменьшается опасность развития неблагоприятных экологических процессов при орошении.

В связи с этим, необходимо обосновать применение для равномерного полива дождевальных аппаратов и насадок на дождевальных машинах, работающих в движении. Выявление общих условий равномерного орошения для дождевальных машин кругового и фронтального действий, а также для шланговых дождевальных машин позволит получить расчетные зависимости для моделирования выбора разбрызгивающих устройств.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

При обосновании методики расчетов, в качестве исходной рабочей гипотезы приняты следующие положения:

применение на дождевальной технике разбрызгивающих устройств, к которым относятся любые устройства, создающие искусственный дождь с характеристиками, пригодными для орошения. Это могут быть дождевальные аппараты и насадки;

равномерный полив осуществляется в случае, если на любом участке площади сезонной нагрузки машины ее разбрызгивающими устройствами обеспечивается гидромодуль q_i, равный расчетному qf; метод выбора разбрызгивающих устройств и оценка равномерности орошения должны соответствовать друг другу.

В результате продолжения ранее выполненных работ [1], принято математическое описание условий, обеспечивающих равномерность распределения слоя садков дождевальными машинами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сезонная нагрузка дождевальной машины кругового действия равна площади круга, сектор которого изображен на рисунке 1.

Выберем на этом секторе прямоугольную систему координат XOY c началом O в месте установки неподвижной опоры машины и осью OX, направленной вдоль ее водопроводящего трубопровода. Здесь же обозначим часть элементарного кольца орошения со средним радиусом R_i и шириной dR. На всем элементарном кольце обеспечиваемый гидромодуль q_i можно определить из уравнения:

8i = jEiJ_s Pk(x,y)ds,                                  ⁽¹⁾

где p_k (x,y) — распределение интенсивности дождя k-м разбрызгивателем; L. — длина i-го элементарного кольца орошения, равная 2nR; n, k — количество, нумерация от 1 до n устройств, дождь которых выпадает на рассматриваемое элементарное кольцо орошения; 5 — кривая линия (окружность радиусом R_.), по отрезкам ds которой проводится интегрирование.

В уравнении (1) под знаком суммы записан криволинейный интеграл первого рода от функции распределения интенсивности дождя p_k(x,y) вдоль окружности радиусом R_..

Сезонная нагрузка дождевальной машины фронтального действия равна площади прямоугольника длиной L и шириной С (рис. 2). Вместо элементарного кольца выделим на этой площади элементарную полосу орошения длиной L_. и шириной dR, которая расположена на расстоянии R_. от начала прямоугольных координат XOY (рис. 2). Оси OX и OY этой системы направим вдоль смежных сторон площади орошения. Тогда, обеспечиваемый гидромодуль на .-й элементарной полосе орошения для машины фронтального действия так же можно определить по формуле (1). Для данного случая величина L_. постоянная и равна длине L площади сезонной нагрузки, а под знаком суммы записан криволинейный интеграл от функции распределения интенсивности дождя p_k(x,y) по отрезкам ds прямой линии 5, уравнение которой y = R_.. Использование уравнения (1) в расчетах объясняется тем, что работу машины фронтального действия можно рассматривать, как работу концевого участка дождевальной машины кругового действия. При этом ее водопроводящий трубопровод должен быть такой большой длины, чтобы при его повороте на некоторый угол, концевой участок машины орошал площадь прямоугольника длиной L и шириной C. Поэтому в формуле (1) для фронтальных машин следует рассматривать часть элементарного кольца, которая распрямляется и приобретает вид элементарной полосы орошения.

Шланговые дождевальные машины, как правило, состоят из разбрызгивающего устройства, перемещающегося прямолинейно, подтягивая его за водоподводящий шланг. Сезонная нагрузка этой машины равна площади прямоугольника длиной L и шириной С. На рисунке 3 представлены смежные площади сезонных нагрузок двух шланговых машин, где на расстоянии R_. от начала прямоугольных координат XOY выделена элементарная полоса орошения шириной dR.

Для шланговых машин обеспечиваемый гидромодуль можно определить по формуле (1) так же, как и для машин фронтального действия. При этом L^ — длина элементарной полосы орошения, равна L, а под знаком суммы записан криволинейный интеграл от функции распределения интенсивности дождя p_k(x,y) по отрезкам ds прямой линии 5, уравнение которой y = R_..

Использование уравнения (1) в расчетах шланговых машин объясняется тем, что работу их разбрызгивающих устройств можно рассматривать, как будто они установлены на концах трубопровода длиной B машины фронтального действия, причем, B равно расстоянию между позициями шланговых машин.

Формула (1) верна для всех типов дождевальной техники, работающей в движении. С ее помощью можно определять изменение обеспечиваемого

 

 

 

Рис. 1. Часть площади круга, орошаемая машиной кругового действия: 1, 2 — распределение интенсивности дождя разбрызгивателейp(x,y); 3 — водопроводящий трубопровод машины; 4 — часть элементарного кольца орошения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

Рис. 3. Смежные площади сезонных нагрузок шланговых машин: 1, 2 — распределение интенсивности дождя разбрызгивателей p(x,y); 3 — элементарная полоса орошения.

гидромодуля на площади орошения и решать вопросы целесообразности применения разбрызгивающих устройств с конкретными распределениями интенсивности дождя для определенной схемы их расстановки. При этом, изменяя схему, а также заменяя в расчетах разбрызгиватели, можно выбирать наилучшие параметры из условия равномерного полива.

Изложенный метод выбора разбрызгивающих устройств основывается на условии равенства q_i = q_p. Однако при расчетах для различных элементарных колец или полос орошения мы находим обеспечиваемые гидромодули q_i, которые могут отличаться от расчетной величины. В связи с этим возникает задача оценки проектной равномерности орошения по распределению на площади обеспечиваемых гидромодулей, рассчитанных по формуле (1). Этот вопрос важен, так как метод выбора разбрызгивающих устройств и оценка равномерности орошения должны соответствовать друг другу.

Для элементарного кольца или элементарной полосы орошения между обеспечиваемым гидромодулем q_i и слоем осадков h_i существует зависимость: hi = qiT,                             (2)

где T — период времени полива площади сезонной нагрузки дождевальной машиной с постоянной угловой или линейной скоростью для машин кругового или фронтального действия, соответственно.

Тогда справедливо равенство:

h1 - h2 = T(q1 - q2),                               (3)

где hl и h2 — слои осадков на любых двух элементарных кольцах или полосах орошения № 1 и № 2; q1 и q2 — обеспечиваемые гидромодули на тех же элементарных кольцах или полосах орошения.

Из (3) следует, что равномерного полива можно достичь, когда обеспечиваемые гидромодули одинаковы и равны расчетной величине. Это подтверждает правильность утверждения, что равномерный полив возможен, когда на любой части площади сезонной нагрузки обеспечивается расчетный гидромодуль.

В настоящее время нормативными документами определено несколько формул по оценке равномерности распределения слоя осадков. Для дождевальных машин кругового действия рекомендуется уравнение Хеермана-Хейна [2], где равномерность распределения слоя осадков оценивается коэффициентом C_H. После несложных преобразований этого уравнения и с учетом (2), можно определить коэффициент C_H:

где n — число значений обеспечиваемых гидромодулей q_i, рассчитанных по уравнению (1) для элементарных колец орошения со средними радиусами R_i. Причем, каждый последующий радиус больше предыдущего на одну и ту же величину, начиная от неподвижной опоры машины (см. рис. 1); i — номера гидромодулей q_i, соответствующих радиусам; q_v — средневзвешенный гидромодуль

(5)

Для дождевальных машин фронтального действия коэффициент равномерности распределения слоя осадков C_U рекомендуется вычислять по формуле Христиансена [2], которую, с учетом (2), представим в виде;

 

где n — число значений обеспечиваемых гидромодулей q_i, рассчитанных по уравнению (1), для элементарных полос орошения, расположенных через равное расстояние друг от друга (рис. 2, 3); i - нумерация гидромодулей q_i; q_c - значение среднеарифметического гидромодуля, определяемое по формуле:

(7)

Из уравнений (4, 5, 6, 7) следует, что коэффициенты C_H и C_U зависят от распределения обеспечиваемых гидромодулей, по которым на стадии моделирования можно оценивать равномерность полива. Умножая q_v и q_c на T, можно рассчитать величины средневзвешенного и среднего слоев осадков для различных режимов работы машины.

Оценивать равномерность полива шланговых машин также можно по обеспечиваемым гидромодулям аналогично машинам фронтального действия.

Для расчета критериев равномерного распределения слоя осадков рекомендуется еще один метод [4], заключающийся в построении частотного графика для осадков или объемов воды в дождемерах. Определяют коэффициент эффективного полива: отношение эффективной части площади этого графика, заключенной в допустимом интервале плюс-минус 25% среднего или средневзвешенного значения, к площади всего графика. Дополнительно находят коэффициенты недостаточного и избыточного поливов.

Допустим, имеется частотный график n = f(h_i) зависимости частот n от величины слоя осадков h_i (рис. 4). Тогда, учитывая (2), справедливо равенство: f(h_i)=f(Tq_i),                      (8)

из которого следует, что, при прочих равных условиях, любой частотный график распределения слоя осадков получается растяжением в T раз вдоль оси абсцисс частотного графика распределения обеспечиваемого гидромодуля f(q_i), причем T больше единицы. График f(q_i) можно построить по пересчитанному ряду слоев осадков, полученных путем их деления на T.

На какой-либо трапеции графика n=f(h_i) выделим область в интервале от h1 до h2, где функция имеет производные. Учитывая (2), по зависимости (9) определим площадь F - часть общей площади графика, заключенной между h1 и h2.

 

F= £ f&ddh = f^dq,. ⁽⁹⁾

Следовательно, площадь частотного графика слоев осадков и любая ее часть, состоящая из площадей трапеций F, в T раз больше соответствующей части площади частотного графика обеспечиваемых гидромодулей. Поэтому коэффициенты равномерности полива можно определять по частотному графику гидромодулей относительно среднего и средневзвешенного значений, так как при делении площадей друг на друга время T сокращается.

Средний и средневзвешенный слои осадков также будут в T раз больше среднего и средневзвешенного значений обеспечиваемых гидромодулей. Коэффициенты, вычисленные по частотному графику объемов воды в дождемерах, равны коэффициентам, рассчитанным также для гидромодулей.

При работе машин кругового и фронтального действий, разбрызгиватели, дождь которых выпадает за пределы длины трубопроводов, не могут равномерно оросить дополнительную площадь, так как с приближением к краю площади полива интенсивность дождя уменьшается до нуля без перекрытия с противоположной стороны.

В связи с этим и показатели качества полива у широкозахватных машин необходимо сначала определять на площади под их водопроводящим трубопроводом. По полученным результатам можно находить дополнительную площадь эффективного полива аппаратами, дождь которых выпадает за пределы длины трубопровода. Такая оценка равномерности согласуется с тем, что моделирование применения разбрызгивателей сначала ведется на обеспечение расчетного гидромодуля на площади под водопроводящим трубопроводом машин, а потом, используя формулу (1), анализируется равномерность орошения от концевого и других разбрызгивателей, дождь которых выпадает за пределы длины трубопровода машины. Поэтому оценивать качество полива при моделировании следует по распределению обеспечиваемых гидромодулей на площади под водопроводящими трубопроводами машин. За критерии правильного выбора разбрызгивателей при моделировании принимаем высокие показатели равномерности орошения (коэффициент эффективного полива не менее единицы), когда средневзвешенный или средний гидромодули, определяемые по (5, 7) для соответствующих машин, близки по значению к величине расчетного гидромодуля или равны ей. Для контроля оценивать равномерность желательно еще и по допустимым отклонениям ±20, 15, 10 и 5% расчетных величин.

Дополнительная эффективно орошаемая площадь находится по радиусу или ширине эффективного полива следующим методом.

На рисунках 5 и 6 изображены графики q_i = f(R_i) изменения обеспечиваемого гидромодуля вдоль машины кругового и фронтального действий в зависимости от R_i (рис. 1, 2, 3). Здесь же ординаты линий равны расчетному гидромодулю и допустимому его отклонению ±25% на площади под водопроводящим трубопроводом машин.

Продолжение линии 0,75q до ее пересечения с графиком изменения обеспечиваемых гидромодулей машины за пределами ее водопроводящего трубопровода выявит радиус эффективного полива R₃ машины кругового действия или эффективную ширину орошения L₃ машины фронтального действия.

 

При испытаниях дождевальной техники равномерность полива также должна оцениваться по распределению слоя осадков на площади под водопроводящим трубопроводом машин, а затем, в зависимости от принципа движения, могут быть определены радиус или ширина эффективного полива относительно среднего или средневзвешенного слоя осадков по допустимому их отклонению ±25%.

Разделив средний или средневзвешенный слой осадков на время T в эксперименте, можно вычислить гидромодуль, который был расчетным при проектировании.

Работа шланговых и фронтальных машин аналогична, если длина их трубопроводов равна расстоянию B между позициями (см. рис. 3). Тогда показатели равномерности полива следует определить на площади под этим трубопроводом, а затем находить ширину эффективного орошения L₃ для крайних участков.

В результате математического описания условий, обеспечивающих равномерность распределения слоя садков, установлено, что уравнение (1) можно использовать в моделировании применения разбрызгивающих устройств ко всем типам дождевальных машин, работающих в движении, когда величины обеспечиваемых гидромодулей на любой площади сезонной нагрузки равны расчетной величине.

Показатели равномерности полива, рекомендуемые соответствующими документами [2, 4], следует определять по распределению обеспечиваемых гидромодулей на площади полива под водопроводящим трубопроводом машин, а затем, используя изложенный метод, находить дополнительную эффективно поливаемую площадь.

About the authors

G. V. Olgarenko

All-Russian Scientific Research Institute “Raduga”

Author for correspondence.
Email: prraduga@yandex.ru

Grand PhD in Agricultural sciences, Professor

Russian Federation, 140483, Moskovskaya oblast`, Kolomenskij r-n, pos. Raduzhny`j, 38

B. S. Gordon

All-Russian Scientific Research Institute “Raduga”

Email: prraduga@yandex.ru

PhD in Engineering science

Russian Federation, 140483, Moskovskaya oblast`, Kolomenskij r-n, pos. Raduzhny`j, 38

References

Supplementary files