Расчет элементов техники полива по проточным бороздам и полосам

К элементам техники полива относятся:

- поливная норма, мм или м³/га; - продольный уклон; - длина поливной борозды, м; - расход борозды, м³/с; t - время добегания (ч, с); - скорость впитывания, м/ч или м/с; - коэффициент, учитывающий затухание скорости впитывания.

При расчете элементов техники полива стремятся получить максимальное значение и , достигая этим самой высокой производительности труда на поливе.

Определение пропускной способности поливной борозды производится по формулам гидравлики для установившегося медленно изменяющегося движения. Для расчета необходимо иметь: уклон борозды, допускаемую скорость движения воды по борозде, минимальную поливную норму для вегетационного полива, среднюю скорость впитывания и показатель степени.

В результате расчета определяются расход борозды , длина борозды , продолжительность подачи в борозду t.

Расход борозды , м³/с, равняется:

, (8)

где - допускаемая скорость движения воды по борозде, м/с;

- площадь живого сечения, м².

Для борозд треугольного сечения (рисунок 8) расход , м³/с, равен:

(9)

где - заложение откосов.

Составляется 2-е уравнение:

, (10)

где - коэффициент скорости,м^0,5/с;

- гидравлический радиус, м;

- уклон борозды.

Коэффициент скорости определяется по формуле Н.Н. Павловского:

,

где - коэффициент шероховатости борозды, равен 0,04;

y - показатель степени, при <1, .

Для треугольного сечения борозды гидравлический радиус равен . Подставляя значение радиуса в формулу (10) , находится скорость движения воды по борозде, а затем и глубина воды.

,

,

(11)

Зная глубину воды в борозде, определяем расход борозды , м³/с:

(12)

В соответствии с поливной нормой, определяется объем воды, подаваемый в поливную борозду:

, (13)

где - поливная норма, максимальная для вегетационного полива пропашной культуры, мм или м³/га;

- длина поливной борозды, м;

- расстояние между осями поливных борозд, м;

- расход борозды, м³/с;

- продолжительность подачи воды в борозду, с.

Определяем длину борозды , м, из уравнения (13):

. (14)

Вновь имеется 2 неизвестные величины и . Объем воды, подаваемый в борозду при поливе без сброса, , м³, должен соответствовать количеству воды, которое поглощается почвой и описывается оно уравнением А.Н. Костякова:

, (15)

где - средняя скорость впитывания, м/ч;

- активный смоченный периметр

,

где - коэффициент, учитывающий боковое поглощение воды в откосы борозды капиллярным путем.

Для тяжелых почв = 2,5; средних - 2,0; легких - 1,5.

Заменив на получим уравнение:

. (16)

Из уравнения (16) определяется продолжительность подачи воды в борозду , ч:

. (17)

Полив по проточным бороздам постоянной струей без сброса приводит к неравномерности увлажнения почвы по длине борозды, поэтому в полевых условиях необходимая равномерность достигается поливом переменной струей при коэффициенте неравномерности увлажнения почвы более 0,75.

, (18)

где - расстояние между осями борозд, м.

Связь между глубиной наполнения борозд , м, и шириной зеркала воды в них , м, представлена зависимостью .

Смоченный периметр , м, рассчитывается по формуле:

, (19)

Ширина зеркала воды , м, равняется:

, (20)

где - превышение гребня борозд над уровнем воды в них, м.

Максимальная глубина борозд , м, треугольно-параболического сечения определяется по уравнению:

, (21)

Живое сечение борозды , м², равно:

(21 а)

Зная смоченный периметр, определяем расход борозды , л/с:

. (22)

Вычисленному значению расхода борозды должна соответствовать длина борозды при поливе без сброса.

Длина борозды , м, определяется:

, (23)

Дальность пробега воды , м, за время подачи получается при решении балансового уравнения расходов воды для определенного момента времени t по А.Н. Ляпину:

, (24)

где - расход, поступающий в борозду;

- расход, впитывающийся в русло борозды в момент времени t на длине , м³/мин;

- средняя на длине Х площадь живого сечения борозды, м;

0,06 - коэффициент перехода от л/с к м³/мин.

Тогда:

, (25)

и введя обозначения и

получим дифференциальное уравнение:

. (26)

Это линейное уравнение 1-го порядка:

(27)

Интеграл этого уравнения:

, (28)

где при .

В начальный момент времени , , интегрируя (28) получаем:

.

и окончательно

Член мал по сравнению с 1, поэтому зависимость для определения дальности пробега воды по борозде за время подачи можно представить:

. (29)

Достаточно равномерное увлажнение достигается при , а в конце борозд необходимо обеспечить накопление определенного объема воды с помощью бортов перемычек выводных борозд или временных оросителей.

Если нет данных о водопроницаемости почв, то элементы техники полива принимаются по рекомендациям научно-исследовательских учреждений (ЮжНИИГиМ и др.), в зависимости от зоны.

Тупые борозды применяются на уклонах менее 0,001-0,002 для полива пропашных и овощных культур при ширине междурядий более 60 см на участках со слабоводопроницаемыми почвами или на местности с большими уклонами - более 0,01, но в этом случае их нарезают вдоль горизонталей. В зависимости от рельефа местности длина тупых борозд находится в пределах 40 - 100 м, глубина 20-25 см, а расход 2-4 л/с. В каждую борозду подается объем воды , м³, в соответствии с поливной нормой:

. (30)

Борозды-щели разработаны коллективом ЮжНИИГиМ под руководством академика Б.А. Шумакова. Борозда-щель представляет собой обычную борозду, а в дне прорезана глубокая и узкая щель (рис.7б) глубиной до 20-25 см и шириной 3 см.

Нарезаются они специальными орудиями (БЩН-2, БЩН-3) конструкции ЮжНИИГиМа, на неспланированных площадях и тяжелых почвах при проведении, как правило, влагозарядковых поливов.

Борозды-щели применяются для вегетационных поливов виноградников. Борозда-щель имеет большой смоченный периметр и общую глубину 35-40 см, что позволяет поливной струе преодолевать неровности микрорельефа высотой до 10-15 см. Расстояние между осями борозд на вспаханной поверхности 0,9-1,1 м, а на невспаханной 0,8-0,9 м.

При поливе по бороздам-щелям обеспечивается более глубокое промачивание слабоводопроницаемых почв.

Террасированные борозды применяются при механизации возделывания овощных культур. Когда одновременно с нарезкой поливных борозд справа и слева от нее создаются горизонтальные площадки-террасы. Растения высеваются или высаживаются на эти террасы (рисунке 7в).

Поливы по бороздам - лучший и наиболее распространенный способ поверхностного орошения, при котором происходит капиллярное смачивание почвы водой, лучше сохраняется комковатая структура почвы, при рыхлении обеспечивается аэрация почвы, улучшаются нитрификационные процессы, уменьшаются потери воды на испарение.

Но на больших уклонах и тяжелых почвах происходит (неизбежны) большие потери воды на сбросы, а на легких почвах теряется на фильтрацию 15-25 % воды, на других почвах потери воды на испарение достигают 1-10 % и увеличиваются при поливе по тупым бороздам.

Полив по полосам применяется для орошения узкорядных культур, а также при проведении влагозарядковых поливов.

Полосы бывают с головным и боковым пуском воды. Распространены полосы с головным пуском воды, для этого на орошаемой поверхности нарезаются риджером, полосообразователем или другими орудиями, работающими всвал, земляные валики, высотой 10-20 см.

Расстояние между валиками (ширина полосы) кратная захвату сеялки, минимальная - 3,6 м, максимальная - 20-25 м. Полив по полосам применяется на уклонах местности 0,005-0,015 (продольный) при наличии поперечного уклона не более 0,002 при глубоком залегании грунтовых вод (более 3 м от дневной поверхности).

Д лина полосы , м, устанавливается в зависимости от проницаемости почв , величины уклона и удельного (на 1 м полосы) расхода в полосу , т.е.:

.

Расход , м³/c, зависит от длины полосы, уклона и проницаемости почв, должен быть таким, чтобы не было размыва .

Все элементы техники полива взаимосвязаны и устанавливаются в результате расчета в основном по формулам А.Н. Костякова.

Значения удельного расхода , м³/с, полосы определяется:

, (31)

где - скорость движения воды по полосе, м/с (0,1-0,2 м/с);

- площадь живого сечения, м²;

, если , тогда и

Неизвестно , составляется 2-е уравнение:

. (32)

По Н.Н. Павловскому , тогда гидравлический радиус равен , а скорость движения по полосе , м/с, будет:

, (33)

Глубина воды в полосе , м, равна:

(34)

Удельный расход , м³/с на 1 п. м полосы, вычисляется:

. (35)

Объем воды на 1 п. м полосы в , м³, соответствии с поливной нормой:

, отсюда

(36)

Имеем 2 неизвестные величины и t.

Определяем объем воды на 1 квадратный метр полосы:

Отсюда (37)

Длину полосы , м, можно найти и через :

(38)

На всю полосу расход _, м³/с, равен:

(39)

Длина полосы прямо пропорциональна расходу, подаваемому на 1 п. м. ширины полосы . Длина полосы уменьшается с увеличением водопроницаемости почв и наоборот.

Особенности полива по полосам: более высокая производительность по сравнению с бороздами, равномерное (сравнительно) увлажнение, поскольку увлажняется вся поверхность поля, но имеют место потери на испарение со всей поверхности, ухудшается деятельность полезных микроорганизмов, нарушается аэрация (воздухообмен).