WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Акопян Александра васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ орошения
ДОЖДЕВАНИЕМ ЧЕРНОЗЕМОВ ростовской области

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация
  и охрана земель

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук

Слабунов Владимир Викторович

доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Мелиорация земель и природообустройство» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»

Григоров Сергей Михайлович

кандидат технических наук, директор ФГБУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз»

Соловьев Александр Витальевич

ФГБОУ ВПО «Новочеркасская
государственная мелиоративная
академия»

Защита диссертации состоится « 3 »  декабря  2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26, зал заседаний.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 2 ноября 2012 г. и размещен на официальном сайте ВАК РФ.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор        А. И. Ряднов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В степной зоне Российской Федерации, при наличии плодородных черноземов и высокой теплообеспеченности, лимитирующим фактором для роста и развития сельскохозяйственных культур является дефицит влаги в почве. В этих почвенно-климатических условиях региона научно обоснованное использование оросительных мелиораций позволяет в два-три и более раза увеличить продуктивность сельскохозяйственных угодий.

Вместе с тем, более чем 30-50-летний опыт применения крупномасштабного регулярного орошения в Южном федеральном округе показывает, что наряду с безусловным продуктивным эффектом от оросительных мелиораций отмечается ухудшение мелиоративного состояния орошаемых почв.

На необходимость разработки и применения ресурсосберегающих технологий орошения земель, в частности черноземов, неоднократно указывали ведущие отечественные ученые академик РАН Добровольский Г. В., академик РАСХН Шумаков Б. Б., академик РАСХН Мирцхулава Ц. Е., академик РАСХН Кружилин И. П., академик РАСХН Григоров М. С., академик РАСХН Щедрин В. Н., Бобченко В. И., Зузик Д. Т., Колганов А. В., Балабко П. Н. и другие. Вместе с тем, и к настоящему времени не все аспекты ведения орошаемого земледелия в целом и регулирования водного режима черноземов, в частности, должным образом теоретически обоснованы, а имеющиеся рекомендации крайне слабо используются на практике.

Для условий Ростовской области следует отметить недостаточность научного обоснования, в том числе теоретических проработок возможностей применения ресурсосберегающих технологий орошения дождеванием, в частности циклического орошения. Отсутствуют также приемлемые конструктивные решения по внутрихозяйственной оросительной сети, обеспечивающие возможности водопользователей получать дополнительную прибавку урожая за счет сохранения почвенного плодородия. Все это приводит к значительному экономическому ущербу в производственной сфере мелиоративного комплекса и ставит обозначенную проблему в разряд крайне актуальных научных исследований.

Изыскания по теме диссертации выполнены в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ РАСХН «Теоретически и экспериментально обосновать параметры почвозащитных и ресурсосберегающих технологий орошения сельскохозяйственных культур, отвечающих требованиям повышения устойчивости и продуктивности мелиорируемых агроландшафтов степной и полустепной зон РФ», обеспечивающей развитие агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг., поз. III.04.02.

Цель работы повышение эффективности использования почвенных и водных ресурсов мелиоративных систем за счет организации ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием и применения новых конструктивных решений оросительной системы.

Задачи исследований:

- проанализировать существующие мероприятия по рациональному использованию почвенных и водных ресурсов в контуре мелиоративных систем;

- провести теоретическое обоснование применения ресурсосберегающего орошения на черноземах Ростовской области и разработать интегральную оценку степени деградации орошаемых черноземов;

- разработать процесс организации оросительных систем при ресурсосберегающем орошении и конструктивные решения оросительных систем, позволяющие рационально использовать почвенные и водные ресурсы;

- установить расчетные зависимости по определению продолжительности орошаемого и неорошаемого циклов и относительной величины поливной нормы с учетом уровня залегания грунтовых и их минерализации;

- выполнить оценку энергетической и экономической эффективности результатов исследований.

Объект исследований оросительные системы Ростовской области.

Предмет исследований –  технологии, методы и способы рационального использования почвенных и водных ресурсов оросительных систем при орошении черноземов.

Методология исследований. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных законов и методов математического анализа, теории планирования эксперимента и теории надежности. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими методическими требованиями и стандартами. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением компьютерного моделирования исследуемых процессов.

Оценка достоверности научных результатов. Достоверность результатов научных исследований подтверждается большим объемом экспериментальных и расчетных данных, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами апробации в производственных условиях.

Научная новизна работы: состоит в уточнении закономерностей продолжительности орошаемых и неорошаемых циклов в зависимости от климатических условий, степени деградации орошаемых черноземов, относительной величины поливной нормы от относительной глубины уровня грунтовых вод при различной их минерализации, разработке процесса организации системы ресурсосберегающего орошения дождеванием, повышении надежности работы оросительной системы за счет применения новых конструктивных решений оросительной системы и алгоритма управления работой системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина» для реализации ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием.

Основные положения, выносимые на защиту:

- интегральная оценка определения степени деградации орошаемых черноземов;

- расчетные зависимости по определению продолжительности орошаемых и неорошаемых циклов в зависимости от климатических условий, степени деградации орошаемых черноземов;

- процесс организации системы ресурсосберегающего орошения дождеванием;

- конструктивные решения оросительной системы для реализации ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием;

- алгоритм управления работой системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина»;

- расчетные зависимости по определению относительной величины поливной нормы от относительной глубины уровня грунтовых вод при различной  их минерализации.

Практическая значимость работы. На основании комплексной оценки мелиоративного фонда осуществлено обоснование и разработка конструктивных решений оросительной системы и установлены расчетные зависимости, позволяющие рекомендовать полученные результаты при проектировании циклически орошаемых площадей в системе севооборотов для условий Ростовской области. Даны практические рекомендации сельхозтоваропроизводителям, которые могут быть использованы при разработке технических заданий для проектировщиков и подрядчиков.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы в ЗАО «Нива» (Веселовский район Ростовской области), ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» (Октябрьский район Ростовской области) и Багаевском филиале ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» при разработке проектов реконструкции орошаемых земель.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях ФГБНУ «РосНИИПМ»: «Гидромелиоративные системы нового поколения» (Новочеркасск, 2008), «Современные приемы повышения эффективности использования орошаемых земель в современных условиях хозяйствования» (Новочеркасск, 2010 г.), «Орошение земель и актуальные проблемы их использования» (Новочеркасск, 2011), «Современное состояние мелиоративной отрасли и перспективы ее развития» (Новочеркасск, 2012 г.), Международной конференции «Инженерная биология в современном мире» (Майкоп, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Развитие инновационного потенциала агропромышленного производства, науки и аграрного образования» (п. Персиановский, 2009), Международной научно-практической конференции «Проблемы, состояние комплексных мелиораций и их роль в обеспечении продовольственной безопасности России» (Волгоград, 2010 г.).

Публикации. Результаты научных исследований по теме диссертации изложены в 18 публикациях общим объемом 17,35 п.л., 4 из которых в изданиях центральной научной печати, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, кроме того, получены решение о выдаче патента РФ № 2011101196/13(001499) от 12.01.2011 г. и положительное заключение экспертизы № 2012133850 от 07.08.2012 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 46 рисунка и 5 приложений. Список литературных источников включает 180 наименований.

Содержание работы

Во «Введении» обоснована актуальность, ставятся цель и задачи исследований, формулируются научная новизна и практическая значимость работы, излагаются основные положения, выносимые на защиту, дается оценка достоверности научных исследований и методология их проведения, приводятся результаты практической апробации полученных результатов.

В первой главе «Современное состояние вопроса» проведен анализ последствий длительного орошения черноземов и технического уровня оросительных систем Ростовской области, а также рассмотрены существующие решения вопроса восстановления плодородия и уменьшения процессов деградации орошаемых черноземов.

Результатами многочисленных исследований черноземов в контуре продолжительно и интенсивно эксплуатируемых оросительных систем, проведенных Шумаковым Б. Б., Щедриным В. Н., Ольгаренко В. И., Сенчуковым Г. А., Скуратовым Н. С., Зайдельманом Ф. Р., Ковдой В. А., Андреевым Г. И., Козлечковым Г. А., Бобченко В. И., Краснощековым В. Н., Айдаровым И. П., Манукьяном Д. А., Борисовым В. С., Кацем Д. М. и другими, установлены факты труднообратимых негативных процессов изменения их водно-физических, агрофизических, физико-химических и других свойств в результате увеличения антропогенной нагрузки, выражающейся в поступлении значительных объемов поливной воды в оросительную систему,

На основании изученных данных изменения мелиоративного состояния черноземов Ростовской области можно определенно установить скорость деградационных процессов, протекающих на них. Средний ежегодный прирост переувлажненных земель (УГВ до 2 м) составил за 25-45 лет орошения на низких террасах – 1,5-2 %, на высоких террасах и склонах водоразделов – 0,5-0,6 %. Темповое увеличение площади земель с критическим уровнем грунтовых вод на высоких террасах составило 0,6-1,1 %, на низких – 0,8-1,5 %. Ежегодное увеличение площадей с почвами, подвергшимися ощелачиванию, составило 1,3 %. Причем минимальные значения показателей соответствуют площадям, на которых применялись мероприятия по рациональному использованию природных ресурсов.

Установлено, что существующие в Ростовской области оросительные системы по своим конструктивным решениям, качеству строительства, низкому техническому уровню и степени износа отдельных групп элементов не позволяют решить проблему эффективного использования водных ресурсов, что особенно актуально в условиях реализации платных государственных услуг и дефицита водных ресурсов р. Дон.

Анализ развития сельскохозяйственного производства за последние 10-15 лет показал, что ресурсосберегающие технологии орошения дождеванием, в частности циклическое орошение, успешно применяются в ряде хозяйств Ростовской области, но без должного научного обеспечения, обосновывающего продолжительность неорошаемого и орошаемого циклов, конструктивные решения оросительных систем, расчет экономической эффективности применения данных технологий. В связи, с чем возникает необходимость в теоретическом обосновании применения ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием на черноземах Ростовской области, что определяет научную новизну и актуальность исследований.

Во второй главе «Организационно-хозяйственные условия и методы исследований» приводятся организационно-хозяйственные условия районов исследований: ЗАО «Нива» Веселовского района Ростовской области, ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района Ростовской области и орошаемом участке Багаевского филиала ФГБУ «Ростовмелиоводхоз», методики проведения исследований, рабочая гипотеза и блок-схема проведения исследований.

В процессе выбора, уточнения направления работ и проведения исследований поиск необходимой информации проводился в документальной базе «Ирбис», фонде научно-технической литературы ФГБНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», в центральной научной сельскохозяйственной библиотеке (ЦНСХБ) и по справочно-информационных системах «Гарант» и «Техэксперт».

В программу полевых исследований входили исследования по определению степени деградации орошаемых черноземов в опытных хозяйствах, продолжительности орошаемого и неорошаемого циклов, надежности быстросборной оросительной сети и особенностей работы системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина», относительной величины поливной нормы с учетом уровня залегания грунтовых и их минерализации, а также учет урожайности в зависимости от метеорологических показателей по годам исследований.

В третьей главе «Теоретическое обоснование применения ресурсосберегающей технологии орошения на черноземах Ростовской области» определена область и условия применения циклического орошения; получены тригонометрические функции аномалий температуры воздуха и осадков; обоснована продолжительность орошаемых и неорошаемых циклов на основе интегральной оценке деградации орошаемых черноземов; представлены номограмма композиций линий уровня гидромодуля при циклическом орошении, принципы выбора структуры циклически орошаемых севооборотов сельскохозяйственных культур и проектирования оросительных систем при циклическом орошении.

Для обоснования организации циклического орошения нами была разработана вспомогательная блок-схема (рис. 1).

Рисунок 1 – Блок-схема обоснования организации циклического орошения на оросительных системах Ростовской области

Продолжительность орошаемого и неорошаемого циклов должна быть максимально приближена к цикличности природной влажности конкретной территории. Проведенный математический анализ аномалий температуры воздуха и осадков за определенный временной ряд позволил получить тригонометрические функции, имеющие следующий вид для:

- аномалий температуры

       ;        (1)

- аномалий осадков

       .        (2)

Графическое представление данных функций позволяет сделать вывод о целесообразности перевода части орошаемых массивов в неорошаемый цикл. А прогнозные значения, определенные по зависимостям 1 и 2, позволяют определить начало процесса организации циклического орошения без ущерба хозяйствам при переводе части орошаемых полей в неорошаемый цикл.

В основу подхода прогнозирования деградации черноземов положена следующая концепция: любая черноземная почва при эксплуатации подвергается различным деградационным процессам и тем самым риску наступления неблагоприятного состояния. Если этот риск будет слишком велик, то почвенная система будет деградирована и даже выведена из строя.

Вероятность ненаступления неблагоприятного состояния для черноземов в целом в течение времени t будет:

       ,        (3)

где – вероятность безотказного функционирования орошаемых черноземов (интегральная оценка);

, , … – вероятности отсутствия признаков деградационных явлений в черноземах по основным показателям.

Тогда прогнозная модель безотказного функционирования почвенной системы при воздействии негативных факторов будет иметь вид:

       ,        (4)

где r(t) – вероятность отказа (риска);

       .        (5)

На основе полученных нами опытных данных в ходе исследований на территории аграрных хозяйств ЗАО «Нива» и ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» было установлено, что продолжительность орошаемого цикла при высоком и среднем уровнях состояния черноземов, варьирует от 1 года до 3 лет, а при выявлении низкого и катастрофического уровня состояния черноземов рекомендуется эти поля выводить из орошения.

Данная оценка степени деградации черноземов I и II надпойменных террас в целом при различных сроках эксплуатации, позволила получить зависимости рисков наступления деградационных процессов от продолжительности цикла орошения (табл.).

Таблица – Зависимости рисков наступления деградационных процессов
от продолжительности цикла орошения

Уровни состояния
черноземов

Уравнение регрессии

R2

I надпойменная терраса (ЗАО «Нива»)

Высокий

0,9847

Средний

0,961

Низкий

0,9703

Катастрофический

0,969

II надпойменная терраса ООО «Агропредприятие «Бессергеневское»

Высокий

0,9737

Средний

0,9832

Низкий

0,9801

Катастрофический

0,9562

х – продолжительность цикла орошения, лет

Организация циклического орошения требует соблюдения следующих уточненных нами рекомендаций: при выявлении деградации черноземов на 15-25 % от всей площади орошаемых земель хозяйства на два-три года выводят из севооборота влаголюбивые орошаемые сельскохозяйственные культуры, при выявлении деградации на 25-35 % от общей площади в систему севооборота вводят солеустойчивые культуры для рассоления пахотного слоя; если выявлена деградация черноземов на площади 35-50 % от общей площади севооборота – в 40-50 % полей вводят засухоустойчивые культуры, а при достижении количественных показателей, соответствующих катастрофическому уровню деградации черноземов, последние выводят из состава сельскохозяйственного фонда и подвергают коренной мелиорации.

Учитывая, что при проектировании оросительной системы необходимо достичь наибольшего суммарного потенциала при прохождении всех циклов (орошение – без орошения) для решения проблем управления и развития производства сельхозпродукции на полях циклического орошения, надлежит использовать следующую математическую зависимость:

       ,        (6)

где Рj – продуктивный потенциал (урожайность на полях, обслуживаемых данной оросительной системой) на j-том цикле орошения;

 – весовой коэффициент продуктивного потенциала;

n – число циклов орошения, осуществляемого оросительной системой или ее элементом;

Рmax – максимально возможные результаты сельхозпроизводства при циклическом орошении.

При формировании показателей, определяющих режим работы и расходы воды оросительной системы, был использован коэффициент мелиоративной нагруженности, предложенный Л. В. Кирейчевой для различных уровней состояния почв: высокий уровень – Кмн = 0,5; средний уровень – Кмн = 0,4; низкий уровень – Кмн= 0,3 и уточнены зависимости для расчета основных параметров оросительной системы для циклического орошения:

- гидромодуль орошаемого массива, л/(с·га)

       ,        (7)

- объем водоподачи, м3

       ,        (8)

- расчетный расход нетто для севооборотного участка, л/с

       ,        (9)

- объем уменьшения потребления воды по всей площади орошения во влажные годы, м3

       ,        (10)

- площадь орошения, га

       ,        (11)

       .        (12)

Результаты теоретических исследований внедрены в практику орошения на полях ЗАО «Нива», ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» и в Багаевском филиале ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» при проектировании оросительных систем из быстросборных трубопроводов.

В четвертой главе «Технические и технологические решения проблемы апробация и внедрения ресурсосберегающего орошения»: разработан процесс организации системы циклического орошения; предложены конструктивные решения оросительной системы для реализации ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием; предложен алгоритм управления работой системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина»; изложены результаты проведенных исследований влияния уровня грунтовых вод на поливную норму при циклическом орошении.

Процесс принятия решений при организации поливов площадей при циклическом орошении записывается в виде:

       M=<S0, T, Q, S, A, B, Y, f, K, Y*>,        (13)

где S0 – проблемная ситуация; T – время для принятия решения; Q – другие ресурсы, необходимые для принятия решения; S – множество альтернативных ситуаций, которые доопределяют проблемную ситуацию S0; A – множество целей, влияющих на ППР; B – множество ограничений; Y – множество альтернативных решений; f – функция предпочтения ЛПР; K – множество критериев выбора наилучшего решения; Y* – оптимальное решение.

Процесс организации циклического орошения разработан для условий сельхозпроизводителя и определяет состав исполнителей, результат после выполнения каждого элемента процесса, вид ограничивающей и предписывающей информации. Условно последовательность процесса организации циклического орошения разделена на шесть блоков (рис. 2).

В результате проработки вариантов устройств системы ресурсосберегающего (циклического) орошения и выше приведенных принципов и подходов к проектированию оросительных систем, нами предложены конструктивные решения оросительной системы, позволяющие уменьшить количество отказов быстросборной оросительной сети вследствие гидравлических ударов, возникающих при регулировании расходов жидкости задвижками, снизить количество непроизводительных расходов поливной воды и уменьшить негативное влияние орошения на плодородие используемых сельскохозяйственных земель. По конструктивным решениям оросительной системы (рис. 3, 4, 5) получено решение о выдаче патента РФ № 2011101196/13(001499) от 12.01.2011 г. и положительное заключение экспертизы № 2012133850 от 07.08.2012 г.

В предложенной нами оросительной системе вода из источника орошения забирается насосной станцией и подается в оросительную сеть, далее в магистральный, подводящие и распределительные трубопроводы, расположенные на поверхности орошаемого массива, и поступает к широкозахватным фронтальным дождевальным машинам через гидранты-водовыпуски или по временным оросителям. При необходимости проведения удобрительных и гидрохимических поливов на этапе подачи воды из магистрального канала в подводящие осуществляют смешивание поливной воды с требуемыми видами удобрений и химмелиорантов в блоке химизации, контролируемое с диспетчерского пункта.

Магистральный, подводящие и распределительные трубопроводы состоят из надземных быстросборных труб, перемещаемых по мере необходимости. Блок химизации предназначен для внесения минеральных, органических и бактериальных удобрений, пестицидов и химмелиорантов вместе с поливной водой. Он может быть многовариантным в зависимости от форм используемых

Рисунок 2 – Процесс организации системы циклического орошения

удобрений, пестицидов и химмелиорантов (сухих и жидких) и мощности оросительной системы.

1 – источник орошения; 2 – насосная станция; 3 – магистральный трубопровод; 4 – блок
химизации; 5 – диспетчерский пункт; 6 – подводящие трубопроводы; 7 – распределительные трубопроводы; 8 – гидранты-водовыпуски; 9 – временные оросители

Рисунок 3 – Оросительная система (забор воды из временных оросителей)

1 – источник орошения; 2 – насосная станция; 3 – магистральный трубопровод; 4 – блок
химизации; 5 – диспетчерский пункт; 6 – подводящие трубопроводы; 7 – распределительные трубопроводы; 8 – гидранты-водовыпуски; 9 – временные оросители; 10 – широкозахватная фронтальная дождевальная машина 

Рисунок 4 – Комбинированная оросительная система (забор воды из гидрантов-водовыпусков быстросборной оросительной сети и временных оросителей)

1 – источник орошения; 2 – насосная станция; 3 – магистральный трубопровод; 4 – блок химизации; 5 – диспетчерский пункт; 6 – подводящие трубопроводы; 7 – распределительные трубопроводы; 8 – гидранты-водовыпуски; 10 – широкозахватная фронтальная
дождевальная машина 

Рисунок 5 – Оросительная система (забор воды из гидрантов-водовыпусков быстросборной оросительной сети)

Диспетчерский пункт представляет собой блок контроля и управления работой оросительной системы, который обеспечивает измерение агрометеопараметров, влажности почвы, концентрации агрохимикатов, водоучет, включение и выключение насосной станции и блока химизации. Временные оросители устраивают на период полива параллельно сторонам поля каналокопателями. Полив сельскохозяйственных культур осуществляется широкозахватными фронтальными дождевальными машинами с забором воды из гидрантов-водовыпусков и временных оросителей.

Разработанные схемы конструкции оросительной системы представляют возможность использования широкого спектра (модельного ряда) дождевальных машин фронтального действия, отличающихся особенностью забора воды: из временных оросителей; комбинированный; из гидрантов-водовыпусков.

Для данных схем конструкции оросительной системы, согласно вышеизложенным рекомендациям, предложены поля двух шестипольных севооборотных участков с чередованием влаголюбивых и засухоустойчивых сельскохозяйственных культур.

Оросительная система (рис. 3) работает следующим образом. Орошение полей первого шестипольного севооборотного участка (Б, В, Е) в течение двух-трех лет (орошаемый цикл) происходит широкозахватными фронтальными дождевальными машинами, работающими в движении с забором воды из временных оросителей. При этом расход воды в подводящем трубопроводе не должен быть меньше суммарного расхода воды потребляемого дождевальными машинами. Подача воды на поле Б осуществляется из гидранта-водовыпуска а, на поле В – из гидранта-водовыпуска с, на поле Е – из f. По истечении орошаемого цикла эти поля переводятся в неорошаемый режим, а поля А, Г, Д – в орошаемый цикл. При этом дождевальная машина с поля Б перемещается на поле Г, подача воды происходит из гидранта-водовыпуска d. Аналогичное перемещение дождевальных машин происходит и на других полях.

На втором шестипольном севооборотном участке (рис. 3) первые 2-3 года орошаются поля З, И, М широкозахватными фронтальными дождевальными машинами, работающими в движении с забором воды из временных оросителей. Подача воды во временные оросители осуществляется из гидрантов-водовыпусков соответственно h, i, l. Перемещение дождевальных машин с одного поля на другое осуществляется по следующей схеме: с поля З на поле К, с поля И на поле Ж и с поля М на поле Л соответственно с подачей воды из гидрантов-водовыпусков j, g, k.

На рисунке 4 показана схема конструкции оросительной системы с комбинированным забором воды, т.е. из гидрантов-водовыпусков быстросборной оросительной сети и временных оросителей. Поля А, Г первого севооборотного участка и поля Ж, К – второго севооборотного участка орошаются широкозахватными фронтальными дождевальными машинами с забором воды из гидрантов-водовыпусков, а поля Д – первого и Л – второго севооборотного участка – широкозахватными фронтальными дождевальными машинами, работающими в движении с забором воды из временных оросителей. Подача воды во временные оросители осуществляется из гидранта-водовыпуска e. На первом севооборотном участке дождевальная машина с поля А перемещается на поле В, с поля Г на поле Б, а с поля Д на поле Е. Перемещение дождевальных машин на втором севооборотном участке происходит аналогично выше описанной схеме. Поля Н, О и П используются для схем конструкции оросительной системы (рис. 3 и 4) в неорошаемом земледелии.

На рисунке 5 показана схема конструкции оросительной системы с работой дождевальных машин от гидрантов-водовыпусков. Подача воды на поля А, Н, Е первого и поля О, З, Л – второго шестипольного севооборотного участка осуществляется из гидрантов-водовыпусков. По истечении орошаемого цикла эти поля переводятся в неорошаемый цикл, а поля Б, В, Г – первого и поля Ж, И, К – второго севооборотного участка – в орошаемый цикл. При этом дождевальная машина на первом севооборотном участке с поля А перемещается на поле В, с поля Н на Б, с поля Е на Г. На втором севооборотном участке дождевальная машина с поля З перемещается на поле К, с поля Ж на Л, с поля О на И. Поля Д, П, М используются в неорошаемом земледелии.

В результате исследований эксплуатационных характеристик быстросборной оросительной сети нами были получены зависимости орошаемой площади, обслуживаемой за сезон (), расхода воды () и металлоемкости на 1 га орошаемой площади () от диаметра быстросборного трубопровода (), позволяющие осуществлять на стадии проектирования подбор вышеприведенных параметров от диаметра быстросборного трубопровода:

- , ;        (14)

- , ;        (15)

- , .        (16)

При эксплуатации дождевальных машин в быстросборной оросительной сети протекают сложные гидравлические процессы, снижающие надежность и эффективность использования всех звеньев системы, а отказы в работе быстросборной оросительной сети приводят к значительным материальным затратам.

Анализ полученных показателей надежности, в частности вероятной безотказной работы и вероятности отказа, свидетельствует о том, что применение быстросборных трубопроводов имеют высокую эксплуатационную надежность (вероятность безотказной работы и вероятность отказа), соответственно Р(t)=0,9956 и Q(t)=0,0044, в сравнении с аналогом – закрытой оросительной сетью Р(t)=0,99768 и Q(t)=0, 0233. Что в свою очередь, объясняется возможностью периодического их осмотра, очистки и ремонта. Согласно проведенным результатам расчета, на значение вероятности безотказной работы трубопровода более весомое влияние оказывает надежность стыковых соединений.

В связи с территориальной разобщенностью ДМ на их осмотр, обнаружение неисправности, запуск и отключение требуются значительные затраты времени обслуживающего персонала, что в свою очередь увеличивают непроизводительные затраты времени. Непроизводительные затраты времени, связанные с включением и отключением дождевальных машин, переездами от одной машины к другой при обслуживании, а также с отысканием и устранением неисправностей на системе занимают 12-15 % (в среднем 300 час.) времени оператора за оросительный сезон. Сокращение непроизводительных затрат времени на одну дождевальную машину на 100 часов даст экономию времени при использовании данного типа дождевальной техники только по Ростовской области более 70000 часов. Непроизводительные затраты времени операторов и простои системы происходят из-за отсутствия информации о состоянии звеньев системы и невозможности оперативно вникать в процесс полива при возникновении аварийных ситуаций.

Для организации работы системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина» нами разработан алгоритм управления (рис. 6), который может быть реализован на оросительных системах при использовании ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием с любым количеством дождевальных машин и позволяет решать задачу своевременного обеспечения водой сельскохозяйственных культур в зави-

Рисунок 6 – Алгоритм управления системой «насосная станция – быстросборная оросительная сеть –
дождевальная машина»

симости от метеопараметров и сократить непроизводительные затраты времени операторов и простои дождевальных машин.

Эффективное регулирование водного режима почв как основы почвообразовательного процесса и обеспечение потребности интенсивного земледелия в Ростовской области сводятся к максимальной экономии естественных ресурсов путем минимизации подачи воды в почву с целью обеспечения в ней потребности растений и создания условий для улучшения почвообразовательного процесса. На основе экспериментальных данных были получены зависимости относительной величины оросительной нормы от относительной глубины уровня грунтовых вод при различной минерализации грунтовых вод и поливной воды, позволяющие оперативно корректировать оросительную норму в течение поливного периода:

- и : , R=0,983;        (17)

- и : , R=0,989;        (18)

- и : , R=0,976;        (19)

- и : , R=0,985.        (20)

где – минерализация грунтовых вод, г/дм3; – минерализация поливной вод, г/дм3; – относительной величины оросительной нормы, мм; – относительная глубина уровня грунтовых вод.

Так как повышение минерализации поливной воды вызывает необходимость дополнительного роста объема оросительной воды, в связи с усилением промывного режима, нами получена зависимость влияния роста минерализации поливной воды на увеличение оросительной нормы:

       , R=0,987.        (21)

Таким образом, при выполнении выше приведенных технических и технологических решений внедрения ресурсосберегающего орошения достигается снижение уровня грунтовых вод, экономия оросительной воды до 700-1500 м3/га, сохраняется и улучшается мелиоративное состояние орошаемых земель и экологическая обстановка на орошаемом массиве.

В пятой главе «Экономическая эффективность результатов исследований» дана оценка влияния отклонения температуры и осадков на урожайность сельскохозяйственных культур, представлены сравнительная биоэнергетическая оценка эффективности технологий циклического и регулярного орошения и расчет экономического эффекта от внедрения циклического орошения.

Энергетическая эффективность агроэкосистемы и энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции при циклическом орошении выше, чем при регулярном и составляют соответственно 13,04 и 581,48 МДж/ц.

Экономический эффект от внедрения технологии циклического орошения составил: в ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района – 998,25 тыс. руб.; в Багаевском филиале ФГБУ «Ростовмелиоводхоз» – 3732,61 тыс. руб.; в ЗАО «Нива» Веселовского района – 6487,54 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих мероприятий по рациональному использованию природных ресурсов и мелиоративного состояния орошаемых земель свидетельствует о развитии деградационных процессов на регулярно орошаемых сельскохозяйственных землях, что в свою очередь доказывает необходимость снижения водной нагрузки на почвы и перехода на ресурсосберегающие технологии орошения.

2. Проведено теоретическое обоснование целесообразности применения ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием на черноземах Ростовской области, определена область и условия применения циклического орошения. Риски наступления деградационных процессов от продолжительности цикла орошения следует определять согласно полученным уравнениям (табл.). Продолжительность орошаемых и неорошаемых циклов при высоком и среднем уровнях состояния черноземов, варьирует от 1 года до 3 лет.

3. Разработан процесс организации системы циклического орошения. Непроизводительные затраты времени, связанные с включением и отключением дождевальных машин, переездами от одной машины к другой при обслуживании, а также с отысканием и устранением неисправностей на системе занимают 12-15 % (в среднем 300 час) времени оператора за оросительный сезон. Разработан алгоритм управления работой системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина.

4. Разработаны конструктивные решения оросительной системы, отличающиеся тем, что оросительная сеть расположена на поверхности орошаемого массива и выполнена по кольцевой схеме из двух попарно-закольцованных линий быстросборных трубопроводов с различными вариантами забора воды дождевальной техникой и использованием мобильных элементов оросительной системы. По конструктивным решениям получено решение о выдаче патента РФ № 2011101196/13(001499) от 12.01.2011 г. и положительное заключение экспертизы № 2012133850 от 07.08.2012 г.

5. Исследованиями установлено, что быстросборная оросительная сеть имеет высокую эксплуатационную надежность (вероятность безотказной работы и вероятность отказа), соответственно Р(t)=0,9856 и Q(t)=0,0144. На значение вероятности безотказной работы трубопровода более весомое влияние оказывает надежность стыковых соединений.

6. Установленные расчетные зависимости по определению относительной величины поливной нормы от относительной глубины уровня грунтовых вод при различной минерализации позволяют достичь снижение уровня грунтовых вод, экономии оросительной воды до 700-1500 м3/га, сохранения и улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель и экологической обстановки на орошаемом массиве.

7. Энергетическая эффективность агроэкосистемы и энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции при циклическом орошении выше, чем при регулярном и составляют соответственно 13,04 и 581,48 МДж/ц.

8. Годовой экономический эффект от внедрения технологии циклического орошения составил: в ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района – 998,25 тыс. руб.; в Багаевском филиале ФГБУ «Ростовмелиоводхоз» – 3732,61 тыс. руб.; в ЗАО «Нива» Веселовского района – 6487,54 тыс. руб.

предложения производству

  1. При организации ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием черноземов Ростовской области следует использовать уточненные зависимости для расчета основных параметров оросительной сети и зависимости рисков наступления деградационных процессов от продолжительности цикла орошения, приведенные в таблице.
  2. При оперативной корректировке оросительной нормы в течение поливного периода использовать установленные соотношения относительной величины оросительной нормы от относительной глубины уровня грунтовых вод при различной минерализации грунтовой и поливной воды.
  3. На полях, подверженных деградационным явлениям, использовать практические рекомендации по организации системы ресурсосберегающей технологии орошения дождеванием, конструктивные решения оросительных систем и алгоритм управления работой системы «насосная станция – быстросборная оросительная сеть – дождевальная машина».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ:

1. Васильев, С. М. Циклическое орошение и технические средства для его осуществления / С. М. Васильев, Т. П. Андреева, А. В. Акопян // Мелиорация и водное хозяйство. – 2011. – № 1. – С. 34-36. (доля автора 40 %).

2. Васильев, С. М. Цикличность климатических факторов в оценке динамики урожайности зерновых культур на орошаемых землях [Электронный ресурс] / С. М. Васильев, А. В. Акопян // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. – Электрон. журн. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – № 65(01). – 14 с. – Режим доступа: http://ej. kubagro.ru/2011/01/pdf/01.pdf – Шифр Информрегистра0421100012\0027. (доля автора 59 %).

3. Васильев, С. М. Результаты анализа проектных параметров, определяющих режим работы оросительной сети при регулярном, циклическом и периодическом орошении / С. М. Васильев, А. В. Акопян // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. – 2011. – № 2 (22). – С. 169-176. (доля автора 61 %).

4. Акопян, А. В. Научные принципы проектирования оросительной сети при циклическом орошении / А. В. Акопян, М. В. Власов, В. В. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. – 2012. – № 2 (26). – С. 184-190. (доля автора 47 %).

- в других научных изданиях:

5. Васильев, С. М. Анализ гидромодуля при расчете основных параметров оросительной сети с циклическим орошением / С. М. Васильев, Т. П. Андреева, С. Ю. Бакоев, А. В. Акопян // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2008. – Вып. 40. – Ч. 1. – С. 40-45. (доля автора 31 %).

6. Васильев, С. М. Обоснование необходимости разработки «Программы восстановления и дальнейшего развития мелиорации в России на 2009-2015 годы» / С. М. Васильев, А. В. Акопян // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2008. – Вып. 39. – Ч. 2. – С. 11-16. (доля автора 48 %).

7. Бакоев, С. Ю. Гидромодуль циклического орошения / С. Ю. Бакоев, А. В. Акопян // Развитие инновационного потенциала агропромышленного производства, науки и аграрного образования: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО «ДонГАУ». – пос. Персиановский, 2009. – Том 2. – С. 165-167. (доля автора 50 %).

8. Акопян, А. В. Общий анализ параметра «гидромодуль» при циклическом орошении / А. В. Акопян // Наука и молодежь: новые идеи и решения: Материалы III Международ. науч.-практ. конф. молодых исследователей, посвященной 65-летию образования Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии / ФГОУ ВПО ВГСХА. – Волгоград: «Нива», 2009. – Ч. 2. – С. 297-300.

9. Проблемы и перспективы использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе России: монография / под общ. ред. В. Н. Щедрина. – М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. – 342 с. (доля автора 70 %).

10. Акопян, А. В. Расчет гидромодуля при циклическом орошении с помощью теории дробно-линейного программирования / А. В. Акопян // Вопросы мелиорации: науч.-практ. журнал / ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ». – Москва, 2009. –№ 1-2. – С. 49-52.

11. Акопян, А. В. Эффективное использование местного стока в Ростовской области за счет циклического орошения / А. В. Акопян // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2009. – Вып. 42. С. 73-77.

12. Акопян, А. В. Общий анализ параметра гидромодуля при циклическом орошении / А. В. Акопян // Проблемы, состояние комплексных мелиораций и их роль в обеспечении продовольственной безопасности России: Материалы Международ. науч.-практ. конф., посвященной 45-летию образования эколого-мелиоративного факультета ВГСХА / ФГОУ ВПО ВГСХА. – Волгоград: «Нива», 2010. – С. 250-253.

13. Васильев, С. М. Анализ проектных параметров полустационарной оросительной сети при реализации ресурсосберегающих технологий орошения / С. М. Васильев, А. В. Акопян, М. А. Щедрин // Вестник агарной науки Дона. – 2010. – № 3. – С. 107-112. (доля автора 65 %).

14. Андреева Т. П. Прогнозирование процессов деградации черноземов Ростовской области / Т. П. Андреева, А. В. Акопян // Вопросы мелиорации: науч.-практ. журнал / ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ». – Москва, 2010. – № 3-4. – С. 48-54. (доля автора 63 %).

15. Акопян, А. В. Интегральная оценка степени деградации черноземов Ростовской области / А. В. Акопян, А. С. Козликина // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2010. – Вып. 43. С. 52-58. (доля автора 80 %).

16. Акопян, А. В. Применение циклического орошения на мелиорируемых агроландшафтах Ростовской области / А. В. Акопян // Инженерная биология в современном мире: Междунар. конф. 27 февраля-15 декабря 2010 г.: Сборник материалов. – Майкоп: ИП Магарин О. Г., 2011. – С. 21-25.

17. Щедрин, В. Н. Теория и практика альтернативных видов орошения черноземов юга Европейской территории России: монография / В. Н. Щедрин [и др.] // Новочеркасск: Лик, 2011. –  435 с. (доля автора 29 %).

18. Оросительная система с использованием местного стока (решение о выдаче патента на изобретение) заявка № 2011101196/13(001499) Рос. Федерация: МПК(51) А01G 25/00 / В. Н. Щедрин [и др.]. – заявл. 12.01.2011.

19 Оросительная система: заявка № 2012133850 Рос. Федерация: МПК A 01 G 25/16 / В. Н. Щедрин [и др.]. – заявл. 07.08.2012.

20 Акопян, А. В. Использование аппарата математической логики и теории множеств в процессе проектирования оросительной сети при циклическом орошении [Электронный ресурс] / А. В. Акопян, М. В. Власов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. период. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. – № 3(07). – С. 175-185. – Режим доступа: http://www.rosniipm-sm.ru/archive?n=113&id=127. (доля автора 70 %).

Подписано в печать «  » октября 2012 г.

печ. л.  Формат 6084 1/16

  Тираж 100 экз.  Заказ №

Отпечатано в типографии «Сармедиа»

Тел.: +7 (8452) 32-43-39







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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.