WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ГОРБАЧЕВА МАРИЯ ПЕТРОВНА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВОДЫ В ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Есин Александр Иванович

Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Григоров Михаил Стефанович кандидат технических наук Карпунин Василий Васильевич Ведущая организация - ФГНУ Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации

Защита состоится « 9 » июня 2009 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, Россия, г. Волгоград, Университетский проспект, 26, ВГСХА, ауд. 214

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГСХА Автореферат разослан « » 2009 г. и размещен на сайте http: // www. vgsha. ru

Ученый секретарь диссертационного совета А.И. Ряднов 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение населения страны достаточным количеством продовольствия всегда остаётся важнейшей обязанностью государства. Возможности решения этой проблемы определяются наличием в стране пригодных для сельскохозяйственного производства земель.

Реализация национального проекта по развитию АПК России, предусматривающего увеличение объёмов производства животноводческой продукции, невозможна без наличия устойчивой кормовой базы.

В природных и социально – экономических условиях современной России создать такую базу позволит лишь восстановление мелиорации после негативных изменений, которым подвергся мелиоративный комплекс страны за годы реформирования АПК.

Эффективность мелиорации оценивается не только уровнем урожая, но и подержанием благоприятных экологических условий для человека и агроландшафта, рациональной системы защиты окружающей среды.

Анализ опыта эксплуатации оросительных систем Поволжья указывает, что одной из основных причин, снижающих эксплуатационные показатели работы насосных станций, является недопустимая засорённость оросительной воды в подводящих открытых каналах. Очистка оросительной воды в настоящее время производится на водозаборах насосных станций с помощью касет, сеток, сороудерживающих решеток. Эффективность данного способа очень низкая, поскольку сороудерживающие и рыбозащитные решётки забиваются, нарушается нормальное функционирование насосной станции и всей сети в целом. Очистка решёток производится вручную с марта по ноябрь. Объём извлекаемой массы крайне неравномерен. Затраты на выполнение этих работ достаточно велики.

Засорённость сороудерживающих решёток может вызвать увеличение потребления электроэнергии в 1,5- 2 раза на каждый кубометр поданной воды.

Для оросительных систем Поволжья главным засорителем оросительной воды являются водоросли, сорная и культурная растительность, листва, семена и др.

Таким образом, проблема очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения и его последующая утилизация являются актуальными и требуют дополнительных теоретических исследований и конструктивных проработок.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - разработка научного обоснования развития процесса загрязнения оросительной воды мусором растительного происхождения и совершенствование технологии очистки оросительной воды с последующей утилизацией растительных наносов.

Задачи исследований:

• провести анализ современных технических средств и способов очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций;

• разработать методику использования математической модели и дать теоретическое обоснование процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале;

• провести вычислительные эксперименты и сравнить результаты натурных и вычислительных экспериментов процесса загрязнения оросительной воды мусором растительного происхождения;

• разработать конструкцию устройства активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения;

• разработать научно-обоснованные предложения по утилизации собранного мусора.

Объект исследования - мелиоративные каналы и водозаборы насосных станций Саратовской области.

Методика исследований - разработка методики теоретического исследования по математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале; вычислительные эксперименты по полученной методике на ЭВМ; сравнение результатов вычислительных экспериментов с известными натурными экспериментами.

Научная новизна работы. В результате исследований разработана методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале и рассмотрены частные случаи решения для практически важных случаев, встречающихся при эксплуатации мелиоративных каналов. На основе полученных решений разработаны программы, с помощью которых проведено моделирование процесса распространения органических примесей в зависимости от времени и расстояния. Разработано устройство активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения.

Основные положения, выносимые на защиту:

• методика использования математической модели для процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале;

• методика расчета загрязнения оросительной воды на основе вычислительных экспериментов;

• устройство активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения;

• предложения по утилизации мусора растительного происхождения.

Практическая значимость. Разработанная методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале дает возможность моделирования данного процесса на ЭВМ. Использование разработанного устройства активной механической очистки позволит повысить показатели работы насосных станций и дождевальных машин, что, в свою очередь, обеспечит увеличение урожайности сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно - практической конференции, посвященной 118-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Вавиловские чтения, 2005», Саратов 2005 г.;

- на второй Всероссийской научно - практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы», Саратов 2007 г.;

- на Международной научно - практической конференции «Проблемы землепользования в зоне рискованного земледелия», Саратов 2007 г.;

- на научно - практической конференции молодых учёных Приволжского федерального округа «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК», Саратов 2007 г.;

- на конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Вавиловские чтения, 2007», Саратов 2007 г.;

- на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова в 2003-2009 гг.

- на теоретическом семинаре инженерных факультетов ФГОУ ВПО ВГСХА в 2009 г.

- непосредственно использовались при проведении проектных и ремонтноэксплуатационных работ на Энгельсской и Приволжской оросительных системах.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах, из них 1 патент Российской Федерации на полезную модель, 2 работы в издании, входящем в перечень ВАК. Общий объем публикаций составляет 1,95 печ. л., из них лично соискателя - 1,33 печ. л.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 121 наименование (из них 14 – на иностранном языке), 7 приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, включая 11 таблиц и 48 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка современного состояния изучаемой проблемы, обоснована ее актуальность. Изложены общие характеристики и структура работы.

В первой главе «Проблемы очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения в открытых каналах и водозаборах» представлен обзор состояния проблемы очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения на водозаборах насосных станций и оросительных каналах Саратовской области.

Анализ состояния мелиоративного комплекса показывает, что оросительные системы отработали более 30 лет, и в ряде случаев износ насосных агрегатов составляет более 50%.

Проблема износа оросительной сети усугубляется за счёт низкой эффективности работы насосных станций, одной из основных причин которой является засорённость оросительной воды мусором, в большей степени растительного происхождения и зелёными водорослями (Рисунок 1).

Интенсивному развитию водорослей в оросительной воде способствуют следующие факторы:

- благоприятный температурный режим;

- интенсивная освещенность в летний период;

- наличие слабощелочной среды в водоеме и необходимое количество питательных веществ.

Оросительная вода является благоприятной средой обитания водорослей в силу малых глубин и скоростей течения в оросительных каналах в связи с резким сокращением орошаемых земель.

Рисунок 1 - Зарастание водорослями головного водозабора Энгельсской оросительной системы Эксплуатация мелиоративных систем должна полностью соответствовать современным экологическим требованиям с минимальными антропогенными воздействиями на окружающую природную среду.

Оценку качества оросительной воды необходимо проводить по экологическим, агрономическим и техническим критериям. Экологические критерии оценивают качество воды с позиции охраны окружающей среды.

Агрономические – с позиции сохранения и воспроизводства почвенного плодородия. Технические критерии учитывают влияние оросительной воды на сохранность и долговечность элементов гидромелиоративных систем.

Качество оросительной воды оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели мелиоративных систем, что неоднократно подчеркивалось в работах М.С. Григорова, В.Н. Щедрина, Б.С. Маслова, В.И. Ольгаренко, Г.В. Ольгаренко, П.И. Коваленко, Ю.П. Полякова, Н.М.

Кошкина и др.

Во второй главе «Математическая модель процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале» рассматривается установившееся движение осредненного турбулентного потока воды, включающего примеси растительного происхождения. Если бы распределение скоростей по глубине было равномерным, то «облако» примеси должно было бы переноситься потоком равномерно со средней скоростью V = const за счет турбулентной и молекулярной диффузии.

Поскольку действительное распределение осредненных скоростей по глубине неравномерное, то в верхних слоях, где u > V, примесь x распространяется вниз по течению быстрее, чем в нижних слоях, где u < V.

x Т.о. в результате конвективного переноса (дисперсии) примесь в верхних слоях распространяется гораздо ниже по течению за счет больших скоростей у поверхности воды.

Процесс распространения в воде различных примесей (зеленые водоросли, плавающие растительные останки, шуга и т.п.) в двумерной плановой постановке описывается уравнением диффузии:

+ u + v = Ф(x, y) + Ф0 (x, y).

t x y (1) Здесь – осредненное значение концентрации примеси на вертикали; t – время; x, y – прямоугольные координаты; u, v – средние по глубине значения плановых проекций скорости на оси координат; h – местная глубина потока;

1 Ф = [ (hDx ) + (hDy ) ] h x x y y, 1 W Ф0 = (GH - GZ ) - ( - ) + fист H Z h h, D - суммарный продольный коэффициент диффузии, учитывающий x турбулентную и конвективную диффузию; D – суммарный поперечный y коэффициент диффузии, включающий коэффициент конвективной диффузии за счёт вторичных течений поперечной циркуляции; G, G - поток H Z примеси через свободную поверхность и дно русла, соответственно;, - H Z концентрация примеси на свободной поверхности и дне русла, соответственно; W - гидравлическая крупность примеси; f – мощность ист источников порождения примеси в единице объема жидкости за счет химических или биологических процессов.

В естественных координатах s, ( = const - семейство линий тока в плане, s = const - семейство ортогональных им линий) уравнение (1) принимает вид:

(2) где w – модуль вектора скорости в произвольной точке плана течения; q – вспомогательная функция, определяемая из условия существования полного дифференциала ds.

Уравнение (2) справедливо при условии достаточно полного смешения примеси по глубине. Такая ситуация наблюдается, например, в мелиоративных каналах, транспортирующих оросительную воду, включающую примеси растительного происхождения.

При равномерном движении воды, когда h=h(x)=h(y), w=w(x)=w(y), вспомогательная функция q становится производной функцией от координаты s. Положим для простоты q=1.

Если предположить, что D не зависит от s, а D не зависит от у, то s у уравнение диффузии (2) принимает вид:

+ w = D + Dy 2 + Ф0 (s, ), t s s y (3) где D=D = AhU ; А - безразмерный эмпирический коэффициент;

s * - динамическая скорость потока; С – коэффициент Шези.

Многочисленные эксперименты, проведённые Элдером, Фишером и другими исследователями показывают, что эмпирический коэффициент А в зависимости от профиля скорости по вертикали принимает следующие значения: 6,1 A 25.

При логарифмическом профиле скорости, наиболее часто реализующемся на практике, расчетная зависимость для эффективного коэффициента продольной диффузии D имеет вид:

s (4) где - постоянная Кармана.

k На основе уравнения (3) можно исследовать как стационарную, так и нестационарную диффузию примеси в плане течения.

Особый интерес представляет распространение примеси во времени по длине канала. Для исследования продольной нестационарной диффузии в равномерном потоке проведем осреднение уравнения диффузии (3) по живому сечению потока и, сменив порядок интегрирования и дифференцирования, получим:

+ V = D + Ф0, (5) t s s где = d - среднее значение концентрации примеси в живом сечении ( ) потока.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»