РЕФЕРАТ

Отчет на 199 стр., 1 кн., 66 рис., 22 табл., 97 источн., 2 прил.

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА, СТОКИ, НАВОЗ, ЖИВОТНОВОДЧЕСКАЯ ФЕРМА, ОРОШЕНИЕ ПАСТБИЩ, УДОБРЕНИЕ ПОЛЕЙ, КОРМОВЫЕ КУЛЬТУРЫ, МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНАЯ ДОБАВКА, ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ВНЕСЕНИЕ УДОБРЕНИЙ.

Объектом исследования являются процессы ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм для орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

Цель работы – разработка технологии ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм для орошения
пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

На основе анализа и синтеза отечественных и зарубежных технологий подготовки стоков и навоза животноводческих ферм с учетом требований охраны окружающей среды проведена оптимизация новых технологических и технических решений.

Разработаны методологические основы экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства.

Уточнены элементы экономико-математической модели с увязкой блоков подготовки навозных стоков и навоза на фермах и применения их в качестве органических удобрений при орошении пастбищ и выращивании кормовых культур.

Показаны принципы построения экономико-математической модели разрабатываемых технологических процессов и приведена информационно-аналитическая система поддержки и принятия решений оптимизации технологий производства органических удобрений.

На основе полученной модели определены технологические и режимные параметры технических средств для ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза, а также разработаны системы, обеспечивающие качественное орошение и удобрение пастбищ и полей в замкнутом цикле производства продукции животноводства.

Подготовлены рекомендации по использованию ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза для орошения пастбищ и удобрения полей.

Степень внедрения – технологии ускоренного производства жидких и твердых концентрированных органических удобрений для орошения пастбищ и удобрения полей под кормовые культуры внедрены в ряде хозяйств Ростовской области (СПК колхоз имени С.Г. Шаумяна, ЗАВ «Колхоз Советинский», СПК «КОЛОС» и др.)

Результаты исследования доложены и одобрены на заседании отраслевой секции земельных отношений, растениеводства и научно-технической политики в АПК технического совета МСХиП РО (Приложение 1).

ВВЕДЕНИЕ

В условиях глобализации мировой экономики важнейшей задачей государства является сохранение паритета его продовольственной безопасности. На первом этапе требуется снижение показателя импортозамещения до 15–20% вместо имеющихся в настоящее время в Российской Федерации 38%, тем самым снижая зависимость промышленности и сельского хозяйства от иностранного оборудования и импорта продовольствия.

Для обеспечения продовольственной безопасности государства необходима слаженная работа агропромышленного комплекса и его базовых отраслей: растениеводства и животноводства. В 2019 г. в Российской Федерации собран рекордный урожай зерновых культур в количестве 119 млн. тонн, в 2020 г. – 122,0 млн тонн. В Ростовской области в 2020 г. собрано 11 млн тонн ранних зерновых культур и более 1 млн тонн кукурузы на зерно.

Получение высоких урожаев сопровождается выносом из почвы значительных объемов питательных веществ и, как следствие, ее истощением.

В настоящее время площадь пашни в Российской Федерации составляет более 190 млн га, из которых около 85% подвержено в разной степени водной и ветровой эрозии, что приводит к ежегодному недобору более 25 млн тонн зерна. За последние годы около 40 млн га пашни выведены из общего севооборота и требуют значительных финансовых затрат на их восстанов-ление.

Одним из основных зернопроизводящих регионов Российской Федерации является Южный Федеральный округ. В структуре земель Южного Федерального округа по категориям земли сельскохозяйственного назначения составляют 78,4% (33012 тыс. га).

Применительно к основному субъекту Южного Федерального округа –Ростовской области – в структуре земель сельскохозяйственного назначения (10097 тыс. га) сельскохозяйственные угодья составляют 8512,4 тыс. га (84,3%), в том числе пашня –5867 тыс. га (58,1%) [1, 2]. На указанных площадях за последние три десятилетия наблюдается дестабилизация растениеводческой отрасли, в том числе в связи со значительным снижением эффективного плодородия почв из-за применения экстенсивных технологий производства растениеводческой продукции [1]. Снижение эффективного плодородия почв предопределило их деградацию. Из множества причин увеличения количества деградированных площадей в общем объеме пашни основной является ухудшение структуры продукционного слоя почвы и снижение ее плодородия из-за недостаточного внесения органических удобрений, как основы восстановления почвенного плодородия [3].

Основным источником производства органических удобрений является навоз животноводческих предприятий, помет птицефабрик, органические отходы продукции растениеводства. На животноводческих и птицеводческих предприятиях, в зависимости от технологий содержания животных и птицы, производится жидкий, полужидкий и подстилочный навоз (помет). Следует отметить, что в настоящее время в Ростовской области поголовье свиней составляет 410 тыс. голов, крупного рогатого скота – 590 тыс. гол., в том числе молочного – около 285 тыс.гол.

Существующие технологии рециклинга указанных органических отходов с переводом их в высококачественные органические удобрения являются не эффективными и не отвечают экологическим требованиям при их хранении и дальнейшей переработке в удобрения. Вопросы рециклинга органических отходов животноводства (птицеводства) не решены в настоящее время ни в одной стране мира. Попытки копирования технологий и технических средств переработки органических отходов без учета природно-климати-ческих условий регионов чреваты нарушением экологической обстановки в местах их накопления и использования и не дают ощутимого эффекта в качестве органического удобрения для повышения почвенного плодородия [4].

В последние годы получает развитие система органического земледелия, в основу которой наряду с получением экологически чистой продукции положен принцип сохранения почвенного плодородия земель сельскохозяйственного назначения. Ежегодно в пахотных почвах Российской Федерации минерализуется более 60 млн т гумуса, а восполняется около 27 млн т. Для его восполнения необходимо применять органические удобрения, которые оказывают положительное действие на баланс органического вещества в почве. В настоящее время у нас в стране сложилась сложная ситуация с обеспечением сельхозугодий органическими удобрениями.

За последние 30 лет в Ростовской области выход навоза с 32 млн т сократился до 3,2–3,5 млн т, что явно недостаточно для восстановления почвенных ресурсов. Решить данную проблему можно путем мобилизации всех ресурсов органического сырья, в первую очередь, навозных стоков и навоза животноводческих предприятий.

Орошаемое земледелие Ростовской области базируется в основном на Донском магистральном канале, построенном в 1952 г. протяженностью 112 км, забирающем воду из Цимлянского водохранилища расходом 250 м³/с для орошения 163 тыс. га обводненных пастбищ и хозяйственно-питьевого водоснабжения в засушливых восточных районах области [1].

Мелиоративные системы области представляют собой сложный комплекс гидротехнических сооружений, включающих в себя более 1,5 тыс. км водоподающих межхозяйственных и магистральных каналов, более 100 головных и перекачивающих насосных станций.

Основная часть орошаемых площадей и гидротехнических сооружений, обеспечивающих подачу воды, была введена в эксплуатацию в 60–80-е годы прошлого века и базировалась на земляных магистральных каналах с внутрихозяйственной сетью из железобетонных лотков. За более чем 30-летний период эксплуатации все системы практически вышли из строя.

С 2005 г. на 25 тыс. га сократились общие площади орошаемых сель-хозугодий, в том числе на 7,2 тыс. га, обеспеченные дренажом. На 5 тыс. га уменьшились площади с хорошим мелиоративным состоянием, при этом под категорией с неудовлетворительным состоянием на 2,4 тыс.га возросли площади с засоленными почвами [1].

Для эффективного ведения животноводства необходимо наличие собственной кормовой базы. Для этой цели требуется восстановление пастбищ и полей для кормовых культур на основе разработки и внедрения ускоренной биотехнологии подготовки стоков и навоза в качестве органических удобрений. В Ростовской области пастбища занимают 2497 тыс. га (24,8% от общей площади). Сенокосы занимают 90,2 тыс. га (0,9% от общей площади) [1].

В этой связи проблема эффективного функционирования животноводческих предприятий с замкнутым технологическим циклом на собственной кормовой базе является актуальной, представляет научный и практический интерес.

Цель исследования в 2020 году состоит в разработке ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм для орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

Задачи исследования.

1. Провести анализ и синтез технологий подготовки навозных стоков и навоза в качестве органических удобрений в системах орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур.

2. Разработать методологические основы экономического механизма управления технологическими процессами орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

3. Разработать экономико-математическую модель для решения оптимизационных задач при разработке технологий производства высококачественных органических удобрений.

4. Разработать биотехнологии и технические средства для подготовки навоза в качестве жидких и твердых органических удобрений для производства кормовых культур.

5. Определить технологические и режимные параметры технических средств для ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм для орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

6. Определить социально-экономическую эффективность применения ускоренной биотехнологии и разработать рекомендациИ по её использо-ванию.

Научная новизна работы состоит в обосновании параметров технических средств системы ускоренной биотехнологической подготовки стоков для орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур на основе системного анализа рассматриваемых технологий.

Практическая значимость состоит в реализации в производственных условиях технологий ускоренной биотехнологической подготовки стоков для орошения пастбищ и навоза животноводческих ферм для удобрения полей при производстве кормовых культур.

Результаты исследования доложены и одобрены на заседании отраслевой секции земельных отношений, растениеводства и научно-технической политики в АПК технического совета Министерства сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области (Приложение 1).

По теме данного научного исследования получено более 20 патентов на изобретения и полезные модели, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (Приложение 2), а также опубликовано 4 монографии, более 35 научных статей в изданиях Scopus. Внедрены в производство технологии переработки навоза в органические удобрения и технологические регламенты для его подготовки и хранения.

1 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ ПОДГОТОВКИ СТОКОВ И НАВОЗА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ

1.1 Анализ систем подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органического удобрения для орошения пастбищ и удобрения полей для выращивания кормовых культур

Анализ и синтез систем подготовки навоза к использованию основан на системном подходе к изучению рассматриваемых вопросов и определя-ется внутренними и внешними связями отраслей животноводства и растениеводства [5-8] (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Методы анализа и синтеза на основе системного подхода

Анализ системы – процесс использования, при котором по известным параметрам системы и внешней среды определяются параметры функционирования системы.

Синтез системы – процесс её исследования, при котором по требуемым показателям функционирования системы и имеющимся ограничениям на
ресурсы в известных условиях внешней среды необходимо определить параметры системы (перспективные биотехнологии подготовки стоков и навоза). Практические приемы системного исследования основаны на анализе, синтезе и соблюдении их единства на всех этапах исследования.

Важным фактором производства кормов для животноводства являются условия их выращивания.

Условия выращивания кормовых культур в Ростовской области.
С учетом почвенно-климатических и экономических условий используется деление территории Ростовской области на шесть основных природно-сель-скохозяйственных зон и восемь подзон [1, 9, 10].

1. Северо-западная зона объединяет 9 районов: Верхнедонской, Шолоховский, Боковский, Чертковский, Миллероский, Кашарский, Тарасовский, Каменский, Красносулинский. Следует выделить две подзоны: подзона А – Верхнедонской, Шолоховский, Боковский, Чертковский и Кашарский районы и подзона Б – как более благоприятная по почвенно-климатическим условиям, включающая Миллеровский, Тарасовский, Каменский и Красносулинский районы.

Территория зоны представляет собой повышенную волнистую равнину с общим уклоном с севера на юг и восток к рекам Северский Донец и Дон, к Азовскому морю.

Среднегодовая температура воздуха – 7,7–7,7 ^оС, сумма активных температур – 3100–3300 ^оС. Зима умеренно холодная со средней температурой воздуха января со средней температурой минус 8–9 ^оС, безморозный период 160–175 дней. Среднегодовая сумма осадков – 438 мм, из них в теплый период года – 273 мм с наибольшим количеством в июне и июле. Испаряемость за год – 820 мм. Радиационный баланс – 2682 МДж/м² в год. Слой стока 10%-ной обеспеченности в период снеготаяния – 80–100, в летний период – 6 мм.

2. На территории северо-восточной зоны расположено 9 административных районов: Морозовский, Милютинский, Обливский, Тацинский, Константиновский, Белокалитвенский, Советский, Цимлянский, Усть-Донецкий. Следует выделить две подзоны: подзона А – острозасушливая и менее плодородная, включает Советский, Обливский, Милютинский и Морозовский районы, и подзона Б – засушливая, включает Тацинский, Цимлянский, Константиновский, Белокалитвенский и Усть-Донецкий районы.

Климат зоны носит континентальный характер с четко выраженным годовым ходом температуры воздуха: минимальной – минус 6,6–7,0 ^оС в январе и максимальной – 22,8–23,4 ^оС в июле. Среднегодовая температуры воздуха – 7,8 ^оС, сумма температур выше 10 ^оС – 3187 ^оС, продолжительность безморозного периода – 165–180 дней. Осадков за год в среднем выпадает 394 мм, из них в течение вегетационного периода – 246 мм. Испаряемость за год – 790 мм, радиационный баланс – 2679 МДж/м² в год. Слой стока весеннего снеготаяния 10%-ной обеспеченности – 60 мм, дождевого – 6,2 мм.

3. В состав центральной орошаемой зоны входят: Мартыновский, Пролетарский, Семикаракорский, Багаевский, Волгодонской и Веселовский районы. Выделяются две подзоны: подзона А – менее плодородные почвы и более засушливый климат, включает в себя Мартыновский, Волгодонской и Пролетарский районы и более благоприятная по почвенно-климатическим условиям подзона Б, в неё входят Веселовский, Багаевский и Семикаракорский районы.

Среднегодовая температура воздуха – 8–8,5 ^оС, сумма температур воздуха выше 10 ^оС – 3200–3400 ^оС, безморозный период – 160–180 дней. Среднегодовая сумма осадков – 413 мм, в том числе за вегетационный период – 251 мм. Радиационный баланс солнечной энергии – 2654 МДж/м² в год.

4. Приазовская зона объединяет 8 районов: Матвеево-Курганский, Куй-бышевский, Родионово-Несветаевский, Неклиновский, Мясниковский, Октябрьский, Азовский, Аксайский.

Среднегодовая температура воздуха – 8,5 ^оС, суммарная температура выше 10 ^оС – 3252 ^оС, среднемноголетняя температура января минус 5,7 ^оС, максимальная июля – 22,8–22,9 ^оС. Среднемноголетняя сумма осадков за год – 450–500 мм, из них за вегетационный период – 270–300 мм, испаряемость за год – 840 мм, радиационный баланс – 2693 МДж/м² в год.

5. Южная зона занимает юго-западную часть территории области и включает 6 административных районов: Кагальницкий, Зерноградкий, Егорлыкский, Целинский, Сальский, Песчанокопский.

Среднемноголетняя сумма температур воздуха выше 10 ^оС составляет 3304 ^оС, среднегодовая температура воздуха 8,9 ^оС, максимальная температура июля – 22,9–23,8 ^оС, минимальная января – минус 4,7–5,5 ^оС. Среднемноголетняя сумма осадков за год – 474–500 мм, в т.ч. за вегетационный период – 290–300 мм, испарение за год – 825–912 мм, радиационный баланс – 2641–2685 МДж/м² в год.

6. В состав восточной зоны входят 5 районов: Орловский, Зимовниковский, Ремонтненский, Дубовский, Заветинский. Следует выделить две подзоны: подзона А – острозасушливая с явлениями опустынивания и высокой долей солонцов, включает Ремонтненский, Дубовский, Заветинский районы и подзона Б – острозасушливая с неблагоприятными суховейными явлениями, включает Зимовниковский и Орловский районы.

Климат характеризуется среднемноголетней годовой температурой воздуха – 8,4–9,2 ^оС, суммой температуры воздуха выше 10 ^оС – 3200–3400 ^оС, продолжительностью безморозного периода – 175–185 дней. Сумма осадков за год – 341–417 мм, из них в теплое время года – 180–235 мм. Испаряемость за год –976 мм, радиационный баланс солнечной энергии – 2807 МДж/м²
в год.

Применительно к землеустройству Ростовской области выделяемые поля для кормовых культур и участки для орошения пастбищ органично вписываются в зональные технологии возделывания сельскохозяйственных культур [10, 11].

Многолетние травы и травосмеси могут возделываться в полевых, кормовых, прифермских, сенокосно-пастбищных и специальных севооборотах.

В полевых севооборотах, где планируется двухлетнее использование трав, предпочтительно возделывать люцерну синегибридную и эспарцет в чистом виде.

Люцерна и люцерно-злаковые травосмеси целесообразно размещать после пропашных культур и однолетних трав. Люцерна желтая рекомендуется для возделывания на сенокосах и пастбищах, особенно в восточной и северо-восточной зонах, где синегибридная люцерна неустойчива [11].

На черноземах Ростовской области в полевых севооборотах травы высевают под покров ранних яровых культур (ячменя или гороха).

Эспарцет высевается под покров тех же культур, что и люцерна.

На корм животным в поздне-осенний период можно использовать перко-двухлетнее растение озимого типа, которое в первый год образует мощную розетку листьев.

Амарант – растение с высокой устойчивостью к летней засухе. Засухоустойчивость его объясняется экономичным расходованием воды, потребность в которой в 2–2,5 раза меньше, чем у бобовых и злаковых культур.

Колумбова трава представляет собой многолетнее высокорослое злаковое растение с мощной мочковатой корневой системой. Возделывают её на зелёный корм, сено, сенаж, силос и используют для выпаса животных. В 1 кг зелёной массы колумбовой травы содержится: кормовых единиц – 0,25, переваримого протеина (т/к.е.) – 114, сена – 0,57 и 101, сенажа – 0,35 и 85, силоса – 0,25 и 104, соломы – 0,40–85, зерна – 0,95 и 91 соответственно [11]. В год на одну корову требуется 40–50 ц силоса.

Из кормовых трав в Ростовской области также распространены козлятник восточный, вайда красильная и др.

Из корнеплодов наиболее распространена кормовая свекла. Наибольшие урожаи корнеплодов кормовая свекла даёт при размещении в прифермском севообороте, где применяют повышенные нормы органических удобрений, а расходы на транспортировку урожая сводятся к минимуму. Обычно в хозяйствах посевные площади под кормовыми корнеплодами не очень велики. При определении их размеров исходят из необходимости заготовить на каждую голову КРС не менее 5–6 т корнеплодов в год. Не рекомендуется высевать кормовую свеклу в одном и том же месте ранее чем через 3 года.

Летом животные питаются зелёным кормом. Травы пастбищ (бобовые, осоковые и разнотравье) – недорогое полноценное питание. Чем моложе растение, чем больше в нем воды. Биологическая ценность молодой травы выше. Зелёный корм для КРС состоит из сухого вещества и воды. В зелёных травах содержится 60–80% воды. Питательные вещества: углеводы, лепиды, протеин, витамины Е, К и группы В. Содержание каротина на 1 кг сухого вещества – 150–280 мг. На первом месте по питательности – бобовые, на втором – злаковые культуры, на третьем – разнотравье.

Для КРС требуются также грубые корма – источник растительной клетчатки, которая необходима для нормального функционирования организма травоядных животных. Их включают в рацион в зимний период, ранней весной и поздней осенью, когда пастбища пусты от растительности.
К грубым кормам относятся сено, солома (W_сол=18–20%), сенаж (W_сен=40–60%), веточный корм.

С 2005 года на 27 тыс. га сократились общие площади орошаемых сельхозугодий. Основной причиной является физический износ мелиоративных систем и снижение водных запасов для полива. Резервом для производства кормов является повышение их урожайности за счет использования стоков и навоза животноводческих предприятий.

Основные требования при использовании жидкого навоза и навозных стоков для орошения и удобрения пастбищ

Ветеринарно-санитарными правилами по использованию животноводческих стоков для орошения и удобрения пастбищ установлены определенные требования на их безопасную эксплуатацию, основные из которых приведены ниже.

Земельные участки под орошаемые пастбища выбирают с учетом рельефа местности, типа почвы и её санитарно-гигиенического состояния, уровня стояния грунтовых вод, возможности устройства санитарно-защитных зон. Потребность в пастбищах определяют из расчета в среднем 0,3 га на условную голову.

Санитарно-защитные зоны от границ пастбищ, орошаемых животноводческими стоками, до жилой застройки, производственных зданий, железных и автомобильных дорог при использовании средне- и дальнеструйных дождевальных машин и аппаратов должны составлять не менее 200 м, короткоструйных – 100 м, до животноводческих помещений – 100 и 60 м соответственно.

При устройстве пастбищ, орошаемых животноводческими стоками, вблизи водоёмов (прудов, озер, рек, водохранилищ) необходимо учитывать, что под пастбища запрещается отводить земли в пределах установленной для данной категории водоохранной зоны.

Используемые при орошении пастбищ животноводческие стоки подготавливают путем разделения на фракции, шестисуточного карантирования и дегельминтизации. При возникновении заразных болезней использовать стоки для полива пастбищ запрещается.

Подготовленные животноводческие стоки должны отвечать следующим требованиям:

1. Влажность стоков для комплексов крупного рогатого скота – не менее 95%, свиноводческих – не менее 98%.

2. Величина твердых и длинноволокнистых включений – не более 10 мм, а при применении дождевальных машин с гидроприводом – не более 2,5 мм.

3. Концентрацию общего азота в стоках периодически, не реже 1 раза в месяц, определяет агрохимическая служба. Она не должна превышать следующих показателей:

– для многолетних злаковых трав первого года, люцерны, клевера красного, смеси однолетних трав без бобовых – 1000 мг/л;

– для многолетних злаковых трав второго и последующего лет пользования – 1500 мг/л.

Орошение пастбищ с использованием животноводческих стоков осуществляется поверхностным способом, дождеванием с применением коротко-, средне- и дальноструйных машин и аппаратов, а также мобильным транспортом. Норма внесения животноводческих стоков зависит от содержания в них азота, влагоудерживающей способности почвы, местных гидро-геологических и других условий с учетом продуктивности травостоя пастбищ и определяется расчетным путем.

Пастбища, орошаемые стоками животноводческих предприятий, размещают с подветренной стороны по отношению к жилой застройке. При этом учитывают господствующее направление ветра в теплый период года.

В целях оптимального использования травостоя и соблюдения ветеринарно-санитарных правил орошаемые пастбища должны иметь не менее 8–12 загонов с применением пастбищного оборота.

Пастбища и загоны должны быть ограждены и иметь удобные места входа и выхода животных.

Контакт животных с поливными стоками должен быть исключен. Поение животных на пастбище осуществляется из санитарно-надежных доброкачественных водоисточников.

Бесподстилочный навоз (полужидкий, жидкий и навозные стоки) в зависимости от влажности обладает в разной степени удобрительными и увлажнительными свойствами, что создает перспективу для применения в качестве удобрения сельскохозяйственных угодий и пастбищ.

В сравнении с твердыми видами органических удобрений жидкий навоз и навозные стоки – это удобрения быстрого действия с крайне низким отношением углерода и азота, большей доступностью для растений всех биогенных элементов. Вместе с тем, жидкий навоз и стоки относятся к категории нестабильных органических загрязнителей, в 1 мл которых содержится до 170 млн микробных клеток, в том числе и патогенных.

Бесконтрольное использование жидкого навоза и стоков может привести к чрезмерному загрязнению объектов окружающей природной среды и быть причиной эпизоотической и эпидемиологической угрозы. Поэтому важным элементом в системе природоохранных и противоэпизоотических мероприятий при использовании навоза и стоков для орошения и удобрения пастбищ является соблюдение экологических и ветеринарно-санитарных требований.

При устройстве пастбищ, орошаемых животноводческими стоками, вблизи водоемов (прудов, озер, рек, водохранилищ) необходимо учитывать, что под пастбища запрещается отводить земли в пределах установленной для данной категории водоёма водоохраной зоны. Так, в соответствии с гигиеническими требованиями и охране поверхностных вод (СанПиН 2.1.5.980-00) не допускается сброс сельскохозяйственных, в том числе и животноводческих сточных вод в пределах первого пояса зон санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения; в пределах первого и второго поясов округов санитарной охраны курортов; в местах туризма, спорта и массового отдыха населения, а также в пределах второго пояса зон санитарной
охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, если содержание в них загрязняющих веществ и микроорганизмов превышает взвешенные вещества не более 0,25 мг/дм³; растворенный кислород – не более 4,0 мг/дм³; биохимическое потребление кислорода (БПК5) – не более 2,0 мг О₂/дм³; ХПК – 15,0 мг О₂/дм³. Химические вещества не должны содержаться в воде, водных объектах в концентрациях, превышающих ПДК или ОДУ; не должны содержать возбудителей кишечных инфекций, термотолерантные колиформные бактерии не более 100 КОЕ/100 мл; общие колиформные бактерии не более 1000 КОЕ/100 мл и колифаги – 10 КОЕ/100 мл [12].

Пастбища, орошаемые стоками животноводческих предприятий, размещают с подветренной стороны по отношению к жилой застройке. При этом учитывают господствующее направление ветров в теплый период года.

Санитарно-защитные зоны от границ пастбищ, орошаемых животноводческими стоками, должны быть не менее чем 200 м до жилой застройки, производственных зданий, железных и автомобильных дорог при использовании средне- и дальнеструйных машин и аппаратов, короткоструйных –соответственно.

Определенный интерес представляет уход за пастбищами, который заключается в следующем.

Поддержание высокой урожайности травостоя на протяжении всего периода использования пастбища невозможно без хорошо налаженного ухода за ним.

К приемам текущего ухода за пастбищами относятся весенняя подготовка пастбищных участков, подкормка травостоя удобрениями, регулирование водно-воздушного режима почвы (орошение), подкашивание несъеденных остатков, разравнивание кала животных, борьба с сорными растениями, подсев трав.

Весенняя подготовка пастбищных участков включает очистку территории пастбища от мусора, хвороста, камней, ремонт изгородей, подсобных помещений и ряд других организационно-хозяйственных работ.

Орошение является одним из наиболее эффективных приемов ухода за пастбищами. Оно оказывает разностороннее действие на пастбищный травостой. Прежде всего орошение способствует повышению плотности травостоя: количество побегов на 1 м² увеличивается в 1,4–1,8 раза. Каждый 1 м³ воды при внесении N₆₀Р₄₅К₉₀ обеспечивает прибавку 2,4 кг корм.ед. Орошение препятствует вырождению травостоя. Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что на пятый год пользования содержание несеяного мятлика лугового в травостое увеличилось, благодаря чему повысилась устойчивость дернины к вытаптыванию. При орошении наиболее полно используется пастбищный корм (не только за счет улучшения биохимического состава, но и более быстрой минерализации экскрементов животных).

Самым распространенным способом орошения является дождевание. Оно проводится с помощью различных дождевальных машин («Фрегат», «Волжанка», дождевальные шлейфы, шланговые дождеватели).

Режим орошения лугов, созданных способом коренного улучшения, должен соответствовать потребностям роста многолетних трав во все периоды роста и развития и обеспечивать влажность не ниже 70–75% наименьшей влагоемкости в слое почвы 70–100 см. Его также необходимо увязывать со сроками стравливания травостоя. Количество поливов за один цикл стравливания – 1–2.

Сроки полива устанавливают по влажности почвы в верхнем клубнеобитаемом слое. Полив начинают, когда запас влаги в клубнеобитаемом слое почвы снижается до 70% наименьшей влагоемкости. Глубину расчетного клубнеобитаемого слоя принимают в зависимости от вида многолетних трав. Для травосмеси ориентируются на бобовый компонент.

Запас влаги в клубнеобитаемом слое почвы (W, мм) определяют по формуле

W = 10a · b · h, (1.1)

где а – влажность почвы, % к сухой массе;

b – плотность почвы, г/см³;

h – расчетный слой почвы, м.

Оросительную норму (М, мм) рассчитывают по формуле А.А. Костикова:

М = В – (К · Р + П), (1.2)

где В – водопотребление, мм;

К – коэффициент полезного использования воды на поливной площади;

Р – количество осадков за вегетацию, мм;

П – объем влаги, который может быть взят из почвенного запаса

(для легких почв – 50, для тяжелых – 100 мм в метровом слое), мм.

Максимальная потребность в орошении наблюдается с третьей декады мая по третью декаду июля и составляет около 40 мм в декаду, достигая максимума в июне, затем сокращается на 15–20 мм.

На основе вышеизложенного нами разработаны системы замкнутого цикла производства продукции на свиноводческих фермах, фермах КРС и овцетоварных фермах [13-15].

Особое значение для стабильного функционирования животноводческих предприятий уделяется операциям кормления, уборки навоза, его накопления, хранения и переработки в высококачественные органические удобрения [5–7, 16].

В зависимости от технологии содержания животных на фермах и комплексах производят твердый (подстилочный) навоз (ТН), полужидкий навоз (ПЖН) и жидкий навоз (ЖН).

В свежем виде все указанные виды навоза имеют большое количество патогенной микрофлоры и представляют опасность для растительного и животного мира в местах их накопления и хранения.

Производимый навоз на животноводческих и птицеводческих предприятиях в законодательной базе Российской Федерации определен как отход IV и V класса опасности [4]. По мнению Минприроды России, навоз, помёт и иные органические вещества и материалы, образующиеся в животноводстве в результате содержания сельскохозяйственных животных и являющиеся продуктами жизнедеятельности последних, после их обеззараживания в соответствии с санитарными правилами, а также произведенные на их основе органические удобрения, могут быть реализованы в качестве продукции при соблюдении следующих условий:

– при наличии уставной, проектной, технологической и иной документации, позволяющей относить навоз, помет, иные органические вещества, образующиеся на предприятиях в результате хозяйственной деятельности, к продукции;

– при наличии разработанных и утвержденных технических условий на удобрения на основе навоза, помета, иных органических веществ, которые учитывают государственные и отраслевые стандарты, санитарно-гигиениче-ские нормативы и правила, природоохранные требования, а также при наличии технологического регламента на навоз, помёт, органические вещества и материалы;

– при отражении в хозяйственном, бухгалтерском учете предприятия операций с указанными навозом, помётом, иными органическими веществами и материалами в качестве операций с продукцией.

Следовательно, при соблюдении указанных выше требований, производимый на животноводческих предприятиях навоз можно считать продуктом. Реализация требований перевода отхода (навоза) в продукт (органическое удобрение) требует совершенствования технических средств рециклинга органических отходов [4, 17, 18]. Существующее положение развития технических средств рециклинга органических отходов проводили на основе системного анализа литературных источников и собственных исследований авторов данного научного исследования.

Особое внимание при производстве животноводческой продукции за рубежом уделяется сокращению выбросов аммиака и других газов в атмосферу. В Нидерландах снижение загрязнения окружающей среды проверяется на малых пилотных фермах [19]. Аналогичные эксперименты проводятся в Дании, где дополнительно исследуются системы оценочных средств по использованию белка на корм КРС и их влияние на выделение аммиака [20]. Значительное внимание уделяется исследованиям многоступенчатых очистителей для снижения выбросов вредных веществ на свиноводческих предприятиях [21]. В Европейских странах ведутся исследования по поводу групп микроорганизмов, обеспечивающих снижение выбросов аммиака на птицефабриках [22]. Наиболее эффективным направлением является рециклинг
органических отходов животноводства и птицеводства в органические удобрения как самостоятельно, так и совместно с органическими отходами растениеводства (солома, незерновая часть других сельскохозяйственных культур) [23].

Ученые бывшего СССР и зарубежные специалисты в 70–80-х годах ХХ века активно разрабатывали технологии переработки всех видов навоза в
органические удобрения и технические средства для их реализации. Применительно к крупным животноводческим предприятиям, производящим жидкий навоз и помет, разработаны технологии механического разделения на твердую и жидкую фракции с последующим производством на их основе твердых и жидких органических удобрений. При переработке полужидкого навоза предпочтение отдавалось технологиям производства компостов с использованием различных влагопоглотителей (соломы, торфа и т.д.). Подстилочный навоз, как правило, перерабатывался по традиционной технологии: накопление, буртование, периодическая перебуртовка, внесение на поля (рис. 1.2) [24, 25].

Ферма

Транспортирование

ТН

Производство ТОУ

Внесение ТОУ

Буртование

Периодическое перемешивание

Рисунок 1.2 – Технологическая схема переработки твердого навоза

Переработка полужидкого навоза (W = 86–92%) предусматривает операции его транспортирования, накопления, производства компостов с
использованием влагопоглотителя – соломы, или внесение на поле (после выдерживания в отстойниках-накопителях до 12 месяцев) в качестве полужидкого органического удобрения (ПЖОУ) (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Технологическая схема переработки полужидкого навоза

Производимый на животноводческих предприятиях жидкий навоз (ЖН) перерабатывается по двум вариантам.

Вариант 1. Производство жидких органических удобрений (ЖОУ) путем выдерживания до 12 месяцев в прудах-накопителях.

Вариант 2. Механическое разделение жидкого навоза на твердую (ТФ) и жидкую (ЖФ) фракции с раздельной переработкой их в твердые (ТОУ) и жидкие (ЖОУ) органические удобрения (рис. 1.4).

По варианту 1 жидкий навоз накапливается в прифермском накопителе и насосами по трубопроводам перекачивается в двухсекционные пруды-накопители. Естественное обеззараживание происходит в течение 12 месяцев, после чего ЖОУ специализированными машинами вносятся на поля для удобрения кормовых и зерновых культур. Недостатками данной технологии являются: высокая опасность загрязнения окружающей среды, так навозохранилища зачастую не имеют изолирующего покрытия днища и боковых стенок; значительные затраты на перемешивание и погрузку ЖОУ; высокие дозы внесения – от 400 до 700 м³/га.

Рисунок 1.4 – Технологическая схема переработки жидкого навоза

Наиболее приемлемым является вариант 2, предусматривающий разделение жидкого навоза на твердую и жидкую фракции и их раздельную переработку с интеграцией в твердые и жидкие органические удобрения.

Анализ системы разделения жидкого навоза на фракции показал следующее.

Разработанные ранее системы машин для обработки жидкого свиного навоза в крупных свиноводческих предприятиях не эффективны на малых фермах, поскольку они имеют высокую производительность, относительно большие габаритные размеры, требуют дополнительных затрат труда на обслуживание и т.д.

Поэтому для малых и средних ферм целесообразна разработка технических устройств, органически связанных с основным производством или являющихся естественным его продолжением. В любом случае это должны быть простые, компактные, надежные в работе технические средства, рассчитанные на обработку небольших суточных объемов навоза.

Эффективность и целесообразность предварительного механического разделения навоза на фракции повлекли за собой широкое применение для этих целей методов и средств разделения суспензий из различных отраслей промышленности, вызвали необходимость создания специальных машин и оборудования [5–8, 26]. При этом предпочтение отдается осаждению и фильтрованию. Осаждение под действием гравитационных сил производится в отстойниках различных конструкций. Основным недостатком отстойников являются значительные капвложения на их строительство.

Классификация способов и средств механического обезвоживания жидкого навоза представлена в таблице 1.1.

Осаждение под действием инерционных сил производится в осади-тельных центрифугах. Разделение жидкого навоза происходит под действием центробежных сил в сплошном роторе и разности плотностей твердой и жидкой фракций. Несмотря на компактность этих установок, они имеют ряд недостат-ков: высокое содержание взвесей в фильтрате, значительная энергоемкость, чувствительность к изменению физико-механических свойств обрабатываемо-го продукта.

При фильтровании разделение жидкого навоза производится посредст-вом пористых перегородок, которые задерживают одну фракцию и пропускают другую. Фильтрование осуществляется под действием инерционно-центро-бежных и поверхностных сил давления.

Действие инерционных сил заложено в основе процесса разделения жид-кого навоза на виброфильтрах и вибрационных грохотах, основным элемен-том которых является фильтровальная перегородка, связанная с источником колебаний.

Вибрационные наклонные грохоты ГИЛ-32, ГИЛ-42, ГИЛ-52 отлича-ются простотой устройства и эксплуатации, достаточной надежностью техно-логического процесса и высокой производительностью. Однако, имеющиеся недостатки, такие как низкая эффективность процесса разделения и большая металлоемкость стали преградой на пути их широкого применения для утилизации навоза.

Не получили распространение и виброфильтры, основными недостат-ками которых являются: высокая энергоемкость, сложность обслуживания, высокая влажность твердой фракции (до 90%) и недостаточная влажность фильтрата (до 98%), небольшая производительность и др.

В животноводческих хозяйствах для разделения жидкого навоза на фракции применяют вибрационные грохоты барабанного типа марки ГБН-100 [7, 27]. Несмотря на такие преимущества, как небольшая металлоемкость, простота обслуживания, высокая производительность, ГБН-100 показали низ-кое качество разделения, связанное с заиливанием отверстий на перфориро-ванной перегородке.

Широкое распространение в 80-90 годах XX века на свиноводческих предприятиях получили установки типа «дуговое сито», интерпретированные позже в СД-Ф-50 [28–30]. Основным преимуществом дуговых сит является простота конструкции и технического обслуживания, низкие металлоемкость и энергоемкость, относительно высокая производительность. Однако получае-мый после разделения осадок требует дополнительного обезвоживания [31].

В настоящее время для обезвоживания жидкого навоза применяют центрифуги УОН-700 (УОН-Ф-835) с ножевым съемом твердой фракции конструкции ВНИИМЖ.

Преимуществом центрифуги являются высокая производительность, компактность, возможность разделения на фракции навоза КРС. К недостат-кам можно отнести следующее: чувствительность к изменению физико-меха-нических свойств исходного навоза, частую чистку и замену фильтрующей перегородки, значительный вынос взвешенных веществ с фильтратом, что затрудняет его последующую обработку.

Такими же недостатками обладает фильтрующая центрифуга со шнеко-вым съемом и выгрузкой твердой фракции конструкции ВНИПТИМЭСХ.

Для разделения осадков навозных стоков применяют пресс-шнеки раз-личных конструкций: ВПНД-5, ВПНД-10, взятые из пищевой промышленно-сти, ВПО-20, ПНЖ-68А, разработанные для обезвоживания осадков навоз-ных стоков.

Существующие пресс-шнеки позволяют отделить влагу только от пред-варительно обезвоженной навозной массы, для чего требуются дополнитель-ные устройства предварительного обезвоживания исходного продукта.

Перечисленные выше технические средства приемлемы для работы и на крупных животноводческих фермах и комплексах.

За рубежом, наряду с гомогенизацией (с последующим анаэробным сбраживанием и ферментацией), перспективной также считают сепарацию навоза.

Широкое распространение в Швеции получил сепаратор Roto Sive 3024-51 фирмы «Roto Sive». Он состоит из перфорированного барабана, внутри которого находится шнек, способный отводить полученную твердую фракцию.

Высокие качественные показатели имеет сепаратор фирмы «Reime AS» (Норвегия), позволяющий получить твердую фракцию влажностью 70%. Конструкция его очень проста: шнек размещен в перфорированном цилиндре, выгрузная горловина которого имеет форму конуса. Однако сепаратор имеет низкую производительность (до 2 м³/ч на навозе КРС и 4–6 м³/ч на свином навозе).

Принципы двухступенчатого обезвоживания свиного навоза заложены в конструкции дугового сита со шнековым прессом SP-304/12,2 фирмы «Ausrustungbetriev Gullewirtschaft Sunger heusen» (Германия) и агрегата фирмы «Meprozet Nierodzim» (Польша). Эти комплекты оборудования состоят из двух самостоятельных частей, объединенных в один агрегат: дуговое сито и шнековый пресс.

Сепаратор свиного навоза фирмы «Pan» (Германия) также использует двухступенчатый принцип обезвоживания. Отличительной его особенностью является совмещение двух ступеней в одной конструкции. Первая ступень работает по принципу обычного фильтрования через перфорированную пере-городку без напора исходного навоза. Сгущенная фракция, в которой посто-янно повышается концентрация сухого вещества, шнеком подается в прес-сующую камеру, имеющую форму цилиндра, поверхность которого образована стальными прутьями.

Заслуживает внимания выпускаемый фирмой «Parrow Separator» (Великобритания) сепаратор Parrow Dewater МК-2, который состоит из двух последовательно соединенных криволинейных сит. Над каждым ситом расположены роторы, имеющие щетки и отжимные валики.

Перспективным направлением развития техники для фракционирования навоза является создание мобильных сепараторов, способных обслуживать ряд мелких близлежащих животноводческих хозяйств. Над решением этой проблемы работает ряд зарубежных фирм и уже получены первые резуль-таты.

Фирмой «Sudstall» (Германия) разработана мобильная сепарирующая установка, смонтированная на прицепе [32, 33].

Установка оснащена барабанными сепараторами, насосом и гомогенизатором.

Мобильный сепаратор жидкого навоза предлагает фирма «Energie Versorgung Schwaben AG» (Германия). Рама сепаратора выполнена в виде одноосного прицепа. Установка имеет перфорированный барабан и отжимные вальцы [32, 33].

Основные технологические показатели зарубежных агрегатов и устано-вок представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Основные технологические показатели зарубежных агрегатов

для разделения навоза на фракции

Из таблицы 1.2 видно, что выпускаемое за рубежом оборудование для разделения навоза на фракции отличается разнообразием конструкций и высоким техническим уровнем. Однако по качественным показателям удовлетворяют установки N 620-621 (влажность твердой фракции менее 70%, фильтрата – более 98,5%), в которых используется двухступенчатый принцип обезвоживания навоза.

Исходя из вышеизложенного, для переработки жидкого навоза требуется разработка и создание компактной установки для его локального разделения на фракции.

Применительно к Ростовской области была разработана и внедрена на свинокомплексе «Первомайский» мощностью 24 тыс. голов в год технология переработки жидкого навоза, включающая механическое разделение его на фракции, секционные карантинные хранилища жидкой фракции, земледельческие поля орошения (ЗПО) (рис. 1.5) [34].

1 – животноводческий комплекс; 2 – отделитель механических примесей; 3 – насосная станция; 4 – резервуар-усреднитель; 5 – перемешивающее устройство; 6 – земледельческие поля орошения; 7 – пруд-накопитель; 8 – секционное карантинное навозохранилище; 9 – виброгрохот; 10 – шнек-пресс; 11 – транспортер; 12 – площадка для хранения твердой фракции навоза; 13 – реагентная Рисунок 1.5 – Технологическая схема переработки жидкого навоза на свинокомплексе «Первомайский» Зерноградского района Ростовской области

При этом предусматривается возможно полное выделение взвешенных веществ из жидкой фракции, доведение содержания абсолютно сухого вещества в ней до 1% (с целью надежной работы дождевальных машин) и полученной твердой фракции с содержание абсолютно сухого вещества не менее 30%.

Разработанная система обработки жидкого навоза (см. рис. 1.5) включает в себя насосные станции, приемный резервуар-усреднитель с перемешивающим устройством, цех разделения навоза на фракции, промежуточное карантинное навозохранилище жидкой фракции, площадку для хранения твердой фракции, секционные биологические пруды, земледельческие поля орошения.

Технологический процесс переработки жидкого навоза осуществляется следующим образом. Насосной станцией навоз подается в приемный резервуар-усреднитель, где он тщательно перемешивается лопастными механическими мешалками. Перемешанная до однородного состояния жидкая навозная масса фекальным насосом ФГ-144/10,3 подается в цех для механического разделения.

В состав рабочей и резервной линий входят серийные машины – виброгрохот ГИЛ-42 и шнековый фильтр-пресс ВПНД-5. В процессе разделения жидкого навоза ежесуточно производится 8–10 т твердой фракции и 390–400 м³ жидкой фракции навоза. Твердую фракцию влажностью около 70% подают в транспортное средство и перемещают на площадку для хранения, где ее бульдозером формируют в бурты шириной до 4,5 м и высотой до 2,5 м. В буртах происходит биотермическое обеззараживание навозной массы.

Жидкую фракцию, полученную в процессе разделения навоза, по самотечному коллектору направляют в секционное карантинное хранилище, где ее выдерживают не менее 6 суток для выявления инфекции. Затем жидкую фракцию направляют на обеззараживание в биологические пруды. В процессе хранения (до 1 года) под воздействием микроорганизмов в жидкой фракции развиваются биологические процессы, при которых происходит ее дегельминтизация и естественное обеззараживание. Обеззараженную осветленную жидкость насосной станцией подают в распределительные колодцы каждого участка ЗПО, а затем направляют в распределительные трубопроводы для полива.

Внедрение данной технологической линии обработки жидкого навоза целесообразно при выходе навоза не менее 100 м³/сут. и его влажности не ниже 94%. Эти условия характерны для ферм и комплексов с гидравлической системой уборки навоза в помещениях производственной мощностью не менее 6 тыс. свиней на откорме в год, 5 тыс. голов КРС на откорме и 1200 коров.

Исходя из физико-механических свойств жидкого навоза, во ВНИПТИМЭСХ совместно с АЧГАА было разработано несколько вариантов компактных установок для его разделения на фракции и успешно внедрено в
хозяйствах ЮФО.

Для крупных свиноводческих ферм (до 24 тыс. гол.) были усовершенствованы средства для разделения навоза на фракции с использованием
недорогих и эффективно работающих дуговых сит (рис. 1.6).

1 – приемная камера, 2 – жидкий навоз, 3 – наклонная фильтровальная перегородка, 4 – днище, 5 – боковина, 6 – емкость для жидкой фракции, 7 – отверстие для выхода жидкой фракции, 8 – привод дожимного устройства, 9 – дожимное устройство, 10 – отжимные валики, 11 – скребок, 12 – выравниватель потока   Рисунок 1.6 – Схема дугового сита конструкции ВНИПТИМЭСХ-АЧГАА

Дуговое сито содержит подводящую трубу, связанную с приемной камерой, на выходе которой установлена наклонная фильтрующая перегородка с днищем и боковинами и размещенными под ними сборником жидкой фракции и приемником твердой фракции. В нижней части фильтровальной перегородки расположены отжимные валики со скребковым сбрасывателем. Для повышения эксплуатационной надежности установка снабжена выравнивателем потока установленного горизонтально на выходе приемной камеры вала с лопастями, закрепленными на валу радиально по винтовой линии и работающего по принципу сенгерова колеса.

Работает дуговое сито следующим образом. Гомогенезированный жидкий навоз подается в приемную камеру и распределяется потоком по ширине фильтровальной перегородки. Сходя по наклонной перфорированной поверхности под действием сил гравитации жидкая фракция поступает в подрешетное пространство в емкость и далее отводится по трубопроводу. Твердый осадок по наклонной поверхности подается в зону отжима, где под воздействием двух отжимных валиков дополнительно отделяется часть свободной влаги, поступая в подрешетное пространство. Твердая фракция скребком выгружается из зоны отжима.

Преимуществом установки является простота конструкции, низкая энергоемкость процесса, высокая производительность. Технологические параметры установки представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 – Технологические параметры дугового сита конструкции

ВНИПТИМЭСХ

Общий вид дуговых сит в технологической линии представлен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Общий вид дуговых сит в технологической линии для разделения жидкого навоза на фракции

Для малых свиноводческих ферм (до 12000 голов в год) учеными ВНИПТИМЭСХ и АЧГАА была разработана, внедрена и рекомендована для зонального применения установка для локальной обработки жидкого навоза (щеточный шнек).

Установка для локальной обработки жидкого навоза (рис. 1.8) включает в себя винтовой конвейер, установленный в перфорированном желобе
U-ной формы, эластичные щетки для регенерации фильтровальной перегородки, поддон для сбора жидкой фракции, привод.

Работает установка следующим образом. Жидкий навоз подается в установку по трубопроводу в нижнюю ее часть. Перемещаясь под воздействием винтовой поверхности шнека, жидкий навоз обезвоживается под действием гравитационных и инерционных сил. Выделяемая жидкая фракция через отверстия перфорированного кожуха стекает в поддон и отводится на последующую переработку и использование. Твердая фракция перемещается шнеком к выгрузному окну и подается на дальнейшую переработку. Постоянная регенерация фильтровальной перегородки от закупорки ее твердыми частицами навоза обеспечивается эластичными скребками, закрепленными по периферии витков шнека.

1 – перфорированный желоб, 2 – загрузочное окно, 3 – крышка, 4 – щетки, 5 – шнековый транспортер, 6, 8 – выгрузные окна, 7 – сборник фильтрата Рисунок 1.8 – Схема установки для локальной обработки жидкого навоза

Технико-эксплуатационные показатели установки представлены в таблице 1.4.

Объемный расход установки (производительность) зависит от консистенции исходного жидкого навоза и составляет от 26,8 до 42,9 м³/ч.

Таблица 1.4 – Технико-эксплуатационные показатели установки

для локальной обработки жидкого навоза

По результатам государственных испытаний на Северо-Кавказской МИС установка рекомендована для зонального применения [35].

На сегодняшний день на рынке представлены несколько конструкций технологического оборудования для разделения жидких животноводческих стоков на фракции: вибро-сита; процеживатели; фильтр-прессы и шнековый пресс-сепаратор кампании «Биокомплекс».

В таблице 1.5 приведены результаты сравнения измерений параметров отделения твердых составляющих из жидких стоков и других параметров для каждого оборудования. Концентрация твердых составляющих в исходных стоках 5%.

Таблица 1.5 – Сравнение оборудования для отделения твердой фракции

из стоков

Из таблицы 1.5 видно, что шнековый пресс-сепаратор стоков – это лучшая из доступных сегодня технологий для выполнения задачи по разделению жидких животноводческих стоков на фракции. Удаление твёрдых частиц из жидких животноводческих стоков позволит минимизировать вредное влияние на окружающую среду.

Остальное оборудование для обезвоживания жидкого навоза менее
эффективно по разным причинам: низкое качество отжатого материала,
высокие требования по влажности для входной жидкости, сложность обслуживания и монтажа, высокая стоимость. В частности, большинство сепараторов работает по принципу отфильтровывания жидкости, вытекающей под действием силы тяжести через сито. Такие сепараторы требуют трудоемкой очистки и производят мокрый материал. Модели сепараторов с вальцовым прессом более дороги в обслуживании и не дают существенного улучшения в осушении материала.

Недостатками пресс-сепаратора являются относительно высокая стоимость (до 70 тыс. евро) и высокая потребляемая мощность (5,5 кВт/ч).

1.2 Синтез систем подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органического удобрения для орошения пастбищ  и удобрения полей для выращивания кормовых культур с учетом требований охраны окружающей среды

Проведенный анализ показал, что существующие системы подготовки стоков для орошения пастбищ и навоза для удобрения полей не удовлетворяют сельхозтоваропроизводителей по причинам отсутствия эффективных технологий и технических средств для их реализации.

Синтез рассматриваемых систем показал следующее.

На рисунке 1.9 представлена схема системы замкнутого цикла производства продукции на свинотоварных фермах.

Сущность замкнутого цикла функционирования фермы заключается в том, что поголовье животных обеспечено жизненно необходимыми опциями – кормами и поением, производимыми на собственной базе, что обеспечивается безотходным производством, гарантирующим экологическую безопасность и экономическую стабильность предприятия.

Из рисунка 1.9 видно, что количество производимой продукции свинотоварной ферме (СТФ) зависит от поголовья животных. Основным продуктом является мясо, для стабильного производства которого должны эффективно функционировать технологические процессы, связанные, в первую очередь, с созданием микроклимата, кормлением, поением и уборкой навоза.

Системы микроклимата животных и их поения достаточно отработаны и выбираются в зависимости от поголовья животных и объемов помещений, где они находятся [13–19].

Рисунок 1.9 – Система замкнутого цикла производства продукции

на свинотоварных фермах с использованием биотехнологии

подготовки навоза для орошения полей при производстве кормовых культур

Важным фактором, влияющим на рентабельность производства продукции животноводства, является наличие кормовой базы. Использование собственной кормовой базы в системе замкнутого цикла производства продукции животноводства позволяет не только повысить рентабельность, но и улучшить экологическую обстановку в местах нахождения животноводческого предприятия и сохранить почвенное плодородие земель сельскохозяйственного назначения (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 – Схема замкнутого цикла функционирования животноводческого предприятия с использованием собственной кормовой базы

На рисунках 1.11 и 1.12 показаны системы замкнутого цикла производства продукции ферм КРС и овцетоварных ферм. Основные принципы функционирования данных систем аналогичным системам, представленным на рисунках 1.9 и 1.10.

В системе замкнутого цикла функционирования животноводческого предприятия важной задачей является разработка ускоренной биотехнологии подготовки стоков и навоза в качестве органических удобрений для выращивания и производства кормовых культур. Особенно это актуально для переработки жидкого навоза и навозных стоков.

В Российской Федерации и за рубежом ведутся научные исследования по разработки и внедрению биотехнологий утилизации отходов сельского хозяйства.

Производимый на фермах твердый, полужидкий и жидкий навоз подлежит переработке (см. рис. 1.9, 1.11).

Технологии переработки навоза путем обезвоживания и дальнейшей стерилизации, по мнению некоторых специалистов, весьма энергоемки. Термическая обработка жидкой или твердой фракции высокими температурами приводит к потерям элементов питания для растений. К тому же основными требованиями к технологиям переработки отходов животноводства и получения из них органических удобрений являются сохранение их биологической активности и максимальное содержание соединений азота, фосфора и других элементов.

Рисунок 1.11 – Система замкнутого цикла производства продукции

ферм КРС с использованием биотехнологии подготовки стоков и навоза

для орошения и удобрения пастбищ

Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является биологическая переработка с использованием микро- и макроорганизмов, позволяющая быстро и эффективно перерабатывать значительное количество навоза и помета.

Рисунок 1.12 – Система замкнутого цикла производства продукции

на овцетоварных фермах с использованием биотехнологии

подготовки навоза для орошения и удобрения пастбищ

Перспективным способом биологической утилизации отходов животноводства является культивирование на них микроорганизмов. Для ферментации навоза используют главным образом мицелиальные грибы (твердофазное культивирование), а на навозных стоках осуществляют глубинное культивирование бактерий, дрожжей и грибов. Выращивание бактериальных культур на отходах животноводческих комплексов не получило широкого распространения из-за ограниченного применения бактерий на кормовые нужды.

Существует широкий круг микроорганизмов, способных потреблять вторичные продукты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с образованием микробной биомассы. Самыми перспективными являются быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать не гидролизованные сельскохозяйственные отходы. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют мицелиальные грибы и дрожжи. Известно, что концентрированные стоки являются, по существу, готовой питательной средой для этих микроорганизмов, так как содержат все необходимые компоненты, включая витамины и микроэлементы [36]. Кроме того, рациональное использование животноводческих стоков позволяет получить дополнительный урожай, в денежном выражении оценивающийся эквивалентно использованию 650 тыс. т азотных, 300 тыс. т фосфорных и 600 тыс. т калийных удобрений на всей пашне Российской Федерации.

В целом же наилучшим способом удаления отходов по экономическим и экологическим соображениям является их использование в качестве вторичного сырья. Указанные выше способы биоконверсии отходов могут дать, иногда неожиданно, весьма существенный результат с благоприятными последствиями для развития биотехнологии и энергетики. К сожалению, большинство из них реализуется очень плохо.

Разработаны технологии утилизации отходов сельского хозяйства в специальных установках: биореакторах, биоферментерах (биоферментаторах), модулях, метантенках и т.д. В них, как правило, микробиологическая трансформация отходов осуществляется за счет аэробно-анаэробных процессов. Биотехнологии имеют существенные преимущества перед компостированием за счет снижения потерь питательных веществ в перерабатываемом исходном сырье, значительного повышения экологической чистоты конечных (вторичных) продуктов и сокращения времени переработки сырья.

Управление процессом биоферментации отходов позволяет интенсифицировать минерализацию исходного субстрата, активизировать биосинтез новых соединений и улучшить питательные свойства конечных целевых продуктов. «Сгорание» органической массы можно регулировать физическими, химическими и биологическими воздействиями. В последнем случае активизируются микроорганизмы исходного субстрата или внесенные смешанные микробоценозы, а их ферментные системы преобразуют субстрат в необходимом направлении, ускоряя процессы распада органического материала и микробного синтеза. Получаются продукты заданного качества.

Получение водорода микробиологическим путем – биотехнологическое решение XXI века. Водород является идеальным химическим носителем энергии. Сжигание его при высоких температурах дает большое количество полезной энергии с высоким КПД.

Производство биогаза в процессе метанового брожения широко распространено в мире. За счет конверсии отходов системой метаногенеза может быть получено условное топливо, измеряемое миллиардами тонн. Оставшую-ся в результате метановой ферментации биомассу можно использовать как удобрение [7].

Технология получения молочной кислоты разрабатывается в Санкт-Петербургском государственном университете. Используются нетрадиционные источники углерода или отходы и побочные продукты пищевой и перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Эффективные штам-мы бактерий рубца животного ферментируют различные крахмалсодержащие субстраты с выходом молочной кислоты [36–38].

Продукты вермикультивирования. В животноводстве биомасса червей – эффективный корм для кур, уток, индеек, морской и пресноводной рыбы. Она содержит 60–80% протеина, 9% липидов и 7–16% азотистых веществ. Высокое содержание сбалансированных аминокислот, в том числе и незаменимых, провитаминов D, водорастворимых витаминов свидетельствует о том, что биомасса червей является ценной кормовой добавкой. Черви пригодны для скармливания свиньям, бычкам в сыром и вареном виде. Биомассу красного червя можно использовать в виде пасты для кормления аквариумных рыб. Обезвоженная биомасса червей также представляет собой весьма ценный материал, полезные минеральные вещества. В их состав входят макро- и микроэлементы [5–9].

Для переработки свиных стоков специалистами ООО «НТЦ БИО» проведена многолетняя работа по исследованию и подбору штаммов микро-организмов с высокой антагонистической, ферментативной и деструктивной активностью, в наибольшей степени обеспечивающих снижение содержания вредных веществ в стоках.

В результате комплексных микробиологических, биохимических и биотехнологических исследований ученые ООО «НТЦ БИО» совместно со специалистами научных и производственных организаций страны разработали и организовали производство биопрепарата «Санвит К» для биотрансформации животноводческих стоков.

Полученные результаты в свиноводческих хозяйствах показали, что применение препарата позволяет достичь снижения уровня концентрации аммиака в воздухе производственных помещений свиноводческих комплек-сов на 25–70%, снижения уровня содержания сероводорода на 23–50%, повышения содержания общего азота в свиноводческих стоках в 1,2–2,5 раза. При этом отмечается позитивное влияние на животных (удалось получить увеличение среднесуточного привеса поросят на 4,2–12,0%), создаются более комфортные условия для обслуживающего персонала.

Особого внимания производственников заслуживает весьма редкий факт: затраты на решение экологических проблем окупаются за счет увеличения привесов и повышения сохранности животных благодаря созданию более комфортной среды в помещениях для их содержания.

Перспективным направлением в почвоведении можно считать появле-ние нового вида удобрений – суперудобрений, автором которого является кандидат биологических наук П.И.Короленко (г. Ростов-на-Дону). Супер-удобрение (СУ) обладает уникальными свойствами: повышает плодородие почвы; урожайность сельскохозяйственных культур; позволяет получить экологически чистую продукцию, обладает почвообразующим эффектом.

В 1995–2005 гг. разработана принципиально новая система ключевых агроэкотехнологий оперативного управления естественными процессами почвообразования и потенциальным плодородием почв [5–9].

Комплексные минеральные удобрения, как пра­вило, эффективны только в прямом действии, т.е. для получения высоких урожаев необходимо ежегодно использовать минеральные удобрения. Из со­ображения экономии эти удобрения используются неочищенными. Например, в суперфосфатах содержатся около 20 токсичных микроэлементов. В частности, особо токсичные: кадмий до 180 мг/кг, свинец до мг/кг и ртуть до 0,12 мг/кг. Небольших концентраций достигает фтор: 8500–15500 мг/кг. Рядковое внесение этих минеральных удобрений вызывает локальный рост токсичных элементов, в десятки раз превышает нормативные значения их ПДК. На таком токсичном фоне получить чистую продукцию принципиально невозможно. Массированное ежегодное внесение минеральных удобрений создает другую проблему накопления нитратов в овощных и кормовых культурах, выросших на сверхудобренных почвах. Содержание нитратов в продуктах питания может в несколько раз превышать ПДК. Согласно специальным исследованиям нитраты в кишечном тракте превращаются в нитриты, которые в свою очередь, трансформируются в нитрозамид – сильные канцерогенные соединения.

Следует отметить, что серьезным фактором техногенного характера является крайне неблагоприятная экологическая обстановка не только в сфере водопользования, но и на орошаемых поля. Учеными Б.Б. Шумаковым, Д.П. Гостищевым, Е.В. Кузнецовым и другими определены объемы стоков животноводческих предприятий и площади полей для их утилизации (табл. 1.6) [39–41].

Из таблицы 1.6 видно, что наибольшие земельные площади требуются для утилизации навозных стоков от свиноводческих комплексов (от 2600 до 3400 га для 108000 голов).

На основании проведенного синтеза систем подготовки стоков и навоза в качестве органических удобрений определены основные подходы к их реализации.

Таблица 1.6 – Площади утилизации навозных стоков на сельскохозяйственных

угодьях

Для жидких стоков требуется наличие оросительных систем и автономных (машинных) систем орошения пастбищ.

Для полужидкого и твердого навоза требуется наличие технологий производства концентрированных органических удобрений (КОУ) и технических средств для их реализации. При этом механизмы реализации должны учитывать природную, экологическую, экономическую и технологическую среды. Результатом должно быть достижение синергетического эффекта при функционировании оросительных и других систем в условиях дефицита водных ресурсов.

Выводы по главе

1. Проведенный анализ систем подготовки стоков и навоза для орошения пастбищ и удобрения полей при выращивании кормовых культур показал, что существующие технологии и технические средства не обеспечивают требуемые качественные и экологические показатели их применения на землях сельскохозяйственного назначения.

2. Для орошения пастбищ требуется разработка систем использования биотехнологии с применением мобильных и стационарных установок для смешивания навозных стоков (жидкого навоза) и биологически активных добавок (БАД) с их последующим внесением на поля.

3. Удобрение полей при выращивании кормовых культур целесообразно производить с использованием концентрированных органических удобрений на основе полужидкого и подстилочного навоза.

4. Требуется разработка новых биотехнологических и технических решений по переработке навозных стоков и навоза животноводческих предприятий с получением высококачественных органических удобрений с учетом природной, экологической, экономической и технологической среды.

2 Методологические основы экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства

Под методологией формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства, по нашему мнению, стоит понимать совокупность методов, разработанных на их основе моделей и средств их реализации с выделением основных принципов организации, критериев экономической эффективности, задач управления, нацеленных на выбор оптимальных управляющих воздействий и разработку прогнозных сценариев развития технологических процессов.

Таким образом, из предлагаемой нами трактовки следует конкретизировать этапы реализации методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства: моделирование, анализ и оценка, оптимизация, выбор оптимального управления, принятие оптимальных управленческих решений, прогнозирование (рис.2.1) [8].

Основная задача логической последовательности разработки методологических основ формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства состоит в изучении средств, приемов, методов, выборе оптимального из них для получения нового знания в виде прогнозных вариантов развития. Как правило, выделяют совокупность средств, принципов и методов исследований, положительно зарекомендовавших себя в практическом использовании.

Рисунок 2.1 – Логическая последовательность методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами

орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур

с получением экологически чистой продукции в системе органического

сельского хозяйства

Указанные этапы комплектования методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства играют важную роль наряду с субъектом и объектом исследований. Эффективность разработки и применения методологических основ экономического меха-низма управления технологическими процессами зависит от того, кто дейст-
вует – субъекта исследования, на что воздействует – объекта исследования,
а также какими способами, приемами, методами осуществляется указанное воздействие и в какой форме будет получено новое знание.

В рамках методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства разработаны (рис. 2.2):

– экономико-математическая модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения;

– информационно-аналитическая система поддержки принятия решений (ИАСППР) оптимизации технологий производства органических удобрений (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2015612873 Российская Федерация; правообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА – № 2014-663910; заявл. 29.12.2014; зарегистр. 26.02.2015) [42].

Формирование методологии экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства сводится к выбору биотехнологий производства органических удобрений. На основе расчетной информации аналитического плана производится выбор перспективных для объекта исследования биотехнологии и биотехнологических процессов производства органических удобрений по критерию минимизации эксплуатационных затрат и максимизации прибыли от применения органических удобрений.

В качестве инструментария данного направления методологии управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства разработана ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2015612873 Российская Федерация; правообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА – № 2014-663910; заявл. 29.12.2014; зарегистр. 26.02.2015) (см. рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Структура элементов разработки методологии экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства

Принцип функционирования экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в
органические удобрения определен в рамках взаимозаменяемости и взаимодополняемости биотехнологических процессов, что указывает на возможность реализации нескольких процессов при формировании модели. Данные биотехнологические процессы могут, в зависимости от сроков их осуществления, их оснащения, выступать и как конкурирующие, и как дополняющие друг друга, в случае их параллельной реализации [43].

Принцип замкнутого цикла управления биотехнологическими процес-сами подготовки стоков и навоза в органические удобрения свидетельствует о тесном взаимодействии основных отраслей аграрного сектора – животноводства и растениеводства на разных уровнях. Стоки и навоз, являясь побочными продуктами животноводства, одновременно выступают сырьем для производства органических удобрений. Орошение стоками пастбищ, использование органических удобрений при производстве кормовых культур, позволяют получать экологически чистые корма, повысить урожайность кормовых культур. Таким образом, продукция растениеводства является необходимым условием для поддержания жизнедеятельности животных.

Задачами управления данного направления разработки методологии являются: выравнивание уровня органообеспеченности сельскохозяйствен-ных площадей с целью повышения и восстановления почвенного плодородия, что в свою очередь связано с повышением рентабельности возделывания кормовых культур, ростом рентабельности растениеводства и животноводства. Также к задачам направления следует отнести экологически безопасную утилизацию стоков и навоза, что в свою очередь ведет к повышению уровня рентабельности животноводства, так как предотвращает штрафные санкции за загрязнение окружающей среды, а также возможность применения внутрихозяйственных расчетов при передаче органических отходов от одного структурного подразделения организации к другому.

Оптимизация машинно-тракторного парка объекта исследования для реализации биотехнологических процессов подготовки стоков и навоза в органические удобрения является еще одной задачей разработки методологии. Выбор ресурсосберегающих биотехнологических процессов подготовки стоков и навоза в органические удобрения способствует экологически безопасной утилизации стоков и навоза, что с одной стороны, ведет к росту рентабельности отрасли животноводства, с другой стороны, использование органических удобрений способствует повышению рентабельности отрасли растениевод-ства [44].

Взаимодействие в реализации рассмотренных выше элементов позволило сформировать экономический механизм управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства, в состав которого вошли различного уровня элементы (рис. 2.3). На основе теоретических положений об организационно-экономических аспектах управления, о биотехнологических процессах в аграрном секторе экономики и ресурсосбережении разрабатывается модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения, использование которой способствует повышению эффективности организационно-экономического управления биотехнологическими процессами подготовки стоков и навоза, а также предлагается средство реализации моделей. Эколого-экономическая эффективность предлагаемой модели и средства ее реализации обосновы-вается комплексом разработанных критериев и показателей [45].

Каждый элемент экономического механизма управления технологи-ческими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства оценивается одним или несколькими критериями и показателями, которые для обоснования эффективности разработанного экономического механизма сгруппированы в матрицу систематизации интегральной оценки (табл. 2.1).

Рисунок 2.3 –Экономический механизм управления технологическими

процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур

с получением экологически чистой продукции в системе органического

сельского хозяйства

Таблица 2.1 – Матрица систематизации интегральной оценки экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой

продукции в системе органического сельского хозяйства

Показатели оценки экономического механизма делятся по уровням его реализации (макро- и микро-) на факторные и результирующие. Макро-уровень предусматривает реализацию экономического механизма в рамках региона базирования сельскохозяйственных организаций. Микроуровень – это уровень управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур в рамках хозяйствующего субъекта.

Факторные оценочные показатели позволяют обосновать перспективы развития технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства. На микроуровне (уровне функционирования хозяйствующего субъекта) к факторным оценочным показателям относят долю переработки объема собственных органических отходов (стоков и навоза) предприятия и степень обеспеченности производственной инфраструктурой технологических процессов переработки. Таким образом, данный оценочный блок показателей характеризует наличие ресурсно-сырье-вой базы стоков и навоза для подготовки в органические удобрения и обеспеченность хозяйствующего субъекта биотехнологиями, техническими средствами и другими ресурсами для реализации технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяй-ства.

На макроуровне уровне (уровне функционирования совокупности сельскохозяйственных организаций в рамках региона базирования) в качестве факторных показателей предлагается рассматривать ценовой диспаритет на продукцию промышленности и сельского хозяйства и колебания цен на минеральные удобрения. Указанные показатели отражают состояние отраслевых рынков, динамику цен на сырье и готовую продукцию и являются значимыми при формировании себестоимости сельскохозяйственных культур, в том числе кормовых.

Важно отметить, что факторные оценочные показатели двух уровней рекомендуется рассматривать во взаимосвязи и взаимозависимости. Значительная доля переработки собственных органических отходов при полной инфраструктурной обеспеченности технологических процессов, с одной стороны, позволяет сельскохозяйственным предприятиям полностью обеспечивать свои потребности в органических удобрениях, с другой стороны, замещать часть минеральных органическими удобрениями, что сокращает зависимость организации от колебания цен на минеральные удобрения, и ввиду снижения себестоимости продукции ослабевает ценовой диспаритет на продукцию промышленности и сельского хозяйства.

Результирующие оценочные показатели характеризуют фактическое состояние технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и
полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции
в системе органического сельского хозяйства и являются расчетными данными. На микроуровне к показателям данной группы относятся:

• затраты на реализацию биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений – это целевая функция экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений, которая стремится к своей минимальной отметке;
• доход от реализации органических удобрений – целевая функция экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений, которая стремиться к максимальной величине;
• чистый дополнительный доход от использования удобрений, который также принимает максимальные значения.

Также к результирующим оценочным показателям тактического уровня относят урожайность кормовых культур, которая при применении органических удобрений, как одного из факторов ее роста, повышается, и себестоимость возделывания кормовых культур, которая на фоне замещения органическими части минеральных удобрений, сокращается.

Результирующие показатели макроуровня характеризуют эффективность применения экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства при реализации их во взаимодействии сельскохозяйственных организаций. К ним относятся затраты на транспортировку и переработку стоков и навоза, транспортировку органических удобрений, которые при определении стремятся к минимальному значению.

К результирующим показателям макроуровня относится уровень органообеспеченности, характеризующий количество органических удобрений, вносимых в почву при заданной дозе внесения. Валовой сбор и недополученный валовой сбор кормовых культур, как результирующие оценочные показатели, являются одним из результатов оценки разработки системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур в замкнутом цикле производства продукции животноводства. Валовой сбор кормовых культур отражает эффективность технологических процессов на фоне роста урожайности культур ввиду применения органических удобрений. Недополученный валовой сбор кормовых культур определяется как разность между валовым сбором при уровне органообеспеченности, равном 1,0 (100%) (то есть когда потребности в органических удобрениях полностью удовлетворены и площадь возделывания полностью удобрена), и действительном уровне органообеспеченности.

Разработанные и конкретизированные теоретические положения, экономико-математическая модель, система критериев и показателей эффективности, а также система управления трансфером биотехнологических процессов аграрного сектора экономики и рекомендации по разработке системы
качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур в замкнутом цикле производства продукции животноводства содержат элементы научной новизны и генерируются в единую парадигму экономических аспектов управления технологическими процессам аграрного сектора экономики.

Реализация предложенного направления на макро- и микроуровнях экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства заключается в следующем.

Макроуровень экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства предусматривает их реализацию во взаимодействии совокупности сельскохозяйственных предприятий. Реализация технологических процессов и биотехнологий производства органических удобрений предусматривает принятие управленческих решений по повышению уровня органообеспеченности, оснащению техническими средствами и другими ресурсами, транспортировке органических отходов (стоков и навоза) для переработки и готовых органических удобрений. Целесообразно указанные управленческие решения принимать в рамках осуществления интеграционных процессов объединения сельскохозяйственных организаций для формирования развитой инфраструктуры производства и обеспечения предприятий органическими удобрениями. В соответствующую инфраструктуру войдут:

1. Сельскохозяйственные организации животноводческой и (или) смешанной специализации – поставщики сырья (стоки, навоз) для переработки.
2. Пункты переработки органики (ППО) – сельскохозяйственные организации растениеводческой, животноводческой или смешанной специализации, в которой устанавливаются производственные мощности по подготовке стоков и навоза в органические удобрения. Целесообразно в роли ППО
   выступать сельскохозяйственным организациям животноводческой специализации, которые имеют большие объемы стоков и навоза, либо растениеводческим организациям, имеющим потребности в органических удобрениях, либо сельхозорганизациям, которые территориально расположены в непосредственной близости к поставщикам сырья для переработки.

Важна роль при реализации макроуровня экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства государственных органов власти и, в первую очередь, в плане обеспечения нормативно-правовыми и методическими документами.

Органы местного самоуправления должны быть заинтересованы в
устойчивом развитии муниципальных образований, в том числе за счет
повышения экономической, экологической, управленческой, социальной
эффективности управления технологическими процессами производства и применения органических удобрений, что отражено в формировании и реализации муниципальных программ развития сельского хозяйства и в частности, в программах экономической направленности по поддержке местных сельскохозяйственных предприятий, обеспечивающих рециклинг органических отходов производства отраслей аграрного сектора.

Органы управления субъектов Федерации должны принимать самое активное участие в создании гибких региональных организационных структур, в том числе интеграционных структур с выделением ППО, способствующих оптимальному сырьевому, материальному и финансовому обеспечению
технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства, а также способствовать устойчивому развитию аграрного сектора региона, ориентированного на максимальную переработку, в рамках политики ресурсосбережения, собственных сырьевых источников и улучшения экологической обстановки.

Органы управления федерального уровня в реализации стратегических аспектов технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства должны обеспечить разработку и реализацию федеральных целевых программ, в том числе модельных норма-тивно-правовых актов и методических документов, которые обосновывают, разъясняют необходимость и основные моменты в реализации полного
рециклинга органических отходов производства аграрного сектора.

Таким образом, первостепенная задача органов власти всех уровней состоит в обеспечении сельскохозяйственных товаропроизводителей нормативно-правовой, методической базой для реализации эффективного управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства, нацеленного на устойчивое развитие и консолидацию соответствующих территорий.

Микроуровень реализации экономического механизма управления технологическими процессами состоит в обеспечении конкретно взятой сельскохозяйственной организации необходимым количеством минеральных и органических удобрений. Обеспечение минеральными удобрениями сельскохозяйственных организаций осуществляется через оптовые фирмы, где приобретается необходимое количество видов удобрений. В рамках обеспечения органическими удобрениями возможны следующие варианты.

При первом варианте сельскохозяйственная организация располагает животноводческой базой, накапливаются органические отходы для переработки, имеется возможность наладить собственное производство органических удобрений, тем самым получать дополнительный доход от реализации производимого удобрения в случае его профицита.

В данной ситуации следует использовать разработанную экономико-математическую модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений.

Модель позволяет выбрать ресурсосберегающие эффективные для условий организации технологические процессы биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм, оснастить производство техническими средствами, и при этом с учетом критерия оптимальности – минимума приведенных затрат.

По второму варианту сельскохозяйственная организация не имеет возможности наладить производство органических удобрений ввиду отсутствия сырья, недостаточного его количества или по другим причинам. В данной ситуации целесообразнее приобретать готовые органические удобрения у производителей.

Реализация технологических процессов орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства на микроуровне управления позволяет сельскохозяйственной организации с учетом условий хозяйствования:

– обоснованно подойти к выбору ресурсосберегающей технологиибиотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений;

– рационально использовать машинно-тракторный парк предприятия;

– оптимизировать дозы внесения удобрений;

– обосновать эффективность применения системы удобрений под конкретные культуры севооборота;

– спланировать на определенный период трудовые, материальные и денежные ресурсы предприятия.

Таким образом, методологию формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства необходимо рассматривать как систему упорядоченных знаний, которая обеспечивает реализацию научно обоснованных подходов в вопросах ресурсосберегающей аграрной политики государства.

Выводы по главе

1. Конкретизированы этапы реализации методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства: моделирование, анализ и оценка, оптимизация, выбор оптимального управления, принятие оптимальных управленческих решений, прогнозиро-вание.

2. В рамках методологии формирования экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ и полей для кормовых культур с получением экологически чистой продукции в системе органического сельского хозяйства разработаны:

– экономико-математическая модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения;

– информационно-аналитическая система поддержки принятия решений (ИАСППР) оптимизации технологий производства высококачественных органических удобрений.

3. В основу реализации рассматриваемых технологических процессов положены принципы рационального выбора ресурсосберегающей технологии биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений; эффективного использования машинно-тракторного парка предприятия, а также трудовых, материальных и денежных ресурсов.

3 РАЗРАБОТКА ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений

3.1 Принципы построения экономико-математической модели технологических процессов подготовки навозных стоков и навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений с использованием биотехнологических решений

Реализация традиционных технологий переработки навозных стоков и навоза животноводческих ферм зачастую связана со строительством громоздких, малопроизводительных, дорогих и сложных в эксплуатации сооружений, требующих отторжения значительных земельных площадей [46–48].

Производимые машины и технологическое оборудование, как правило, энергоемки, не взаимоувязаны по производительности, имеют низкую эксплуатационную надежность, не обеспечивают качественное выполнение технологического процесса.

Таким образом, актуальной представляется задача биологизации технологических процессов и технологий подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения при удовлетворении потребностей сельскохозяйственных организации в требуемом количестве органического удобрения для повышения рентабельности возделывания кормовых культур в системе органического сельского хозяйства.

Методы решения задач оптимизации технологических процессов и технологий, вытекающие из классических методов математического анализа, настолько громоздки, что использование их затруднительно [49–59].

Применение экономико-математических методов позволяет решать такие сложные задачи, как обоснование и рациональный подбор технологий подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения [60–63].

Разработку элементов экономико-математической модели рационализации технологий подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в
органические удобрения следует реализовать с учетом биологизации растениеводства, как основы применения ресурсосберегающих, органических технологических процессов в аграрном секторе.

Экономико-математическая модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения содержит следующие элементы [64-68].

Обозначения множеств:

Индексы:

Система переменных экономико-математической модели:

Система ограничений экономико-математической модели содержит следующие группы ограничений.

1. Группа ограничений по использованию техники при реализации
биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм
в органические удобрения.

1.1. Группа ограничений по выполнению заданных объемов работ по биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.2. Группа ограничений по балансу энергомашин при биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.3. Группа ограничений по приобретению энергомашин для биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.4. Группа ограничений по списанию энергомашин, выбывших в процессе биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.5. Группа ограничений по приобретению энергомашин на условиях аренды, лизинга для биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.6. Группа ограничений по формированию агрегатов (альтернативных агрегатов) для биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

1.7. Группа ограничений по периоду использования агрегатов (альтернативных агрегатов), специальных машин, сельскохозяйственных машин (альтернативных с.-х. машин) для биотехнологической подготовки стоков и навоза:

1.8. Группа ограничений по количеству энергомашин в сельскохозяйственной организации:

2. Группа ограничений по использованию сырья и материалов при биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения.

2.1. Группа ограничений по поступлению исходного сырья (стоков,
навоза) с фермы сельскохозяйственной организации:

2.1. Группа ограничений, реализующая условия по балансу сырья:

2.2. Группа ограничений по использованию материалов при биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения:

3. Группа ограничений по использованию трудовых ресурсов при биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения.

4. Группа ограничений по объему органических удобрений: количество стоков и навоза, перерабатываемого при биотехнологической подготовке должно обеспечивать получение заданного объема органических удобрений.

5. Группа ограничений по расчетной потребности в органических удобрениях возделываемых кормовых культур.

5.1. Количество получаемых органических удобрений должно полностью удовлетворять потребности растениеводства:

Условия неотрицательности переменных экономико-математической модели: переменные всех групп неотрицательны.

В качестве критериев оптимальности использованы: показатель приведенных затрат и прибыль, получаемая сельскохозяйственной организацией от биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения.

Обобщенная математическая запись целевой функции по критерию приведенных затрат может быть представлена следующим образом:

Обобщенная математическая запись целевой функции по прибыли, получаемой сельскохозяйственной организацией от биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения представлена как положительная разность между доходом (выручкой), получаемым от реализации произведенных органических удобрений, и себестоимостью (затратами) производства:

Апробация разработанной экономико-математической модели с увязкой блоков биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения производилась на примере конкретной сельскохозяйственной организации – СПК (колхоз) «КОЛОС» Матвеево-Курганского района Ростовской области. Численность КРС в СПК составляет 1300 голов, выход стоков и жидкого навоза равен 17447 т в год, объем производства жидких концентрированных органических удобрений составляет 10904 м³. При оптимизации экономико-математической модели с увязкой блоков биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения определили минимальную величину эксплуатационных затрат на реализацию биотехнологической подготовки стоков и навоза – 2949,52 тыс. руб. в год. При оптимизации модели по критерию максимума прибыли от использования жидких концентрированных органических удобрений получили величину равную 3918,14 тыс. руб. в год.

Внедрение биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения и применение произведенных жидких концентрированных органических удобрений при выращивании кормовых культур позволяет повысить рентабельность их производства до 69,86%. Рентабельность производства кормовых культур традиционным способом (с применением только минеральных удобрений) в СПК (колхоз) «КОЛОС» составляет 35,53%. Таким образом, при внедрении рекомендуемой биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения рентабельность выращивания кормовых культур повышается почти в 2 раза.

В стратегическом направлении развития сельскохозяйственных организаций разработанная экономико-математическая модель биотехноло-гической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения позволяет:

• установить взаимодействие направлений животноводства и расте-ниеводства сельскохозяйственной организации при реализации балансовых ограничений модели в натуральных единицах измерения, а также ограничений по материально-денежным затратам, т.е. в стоимостном выражении;
• учесть специализацию сельскохозяйственной организации в плане обеспечения возделываемых кормовых культур органическими удобрениями:

• если животноводческие отрасли хозяйства не полностью обеспечи-вают потребность растениеводства в органических удобрениях, пре-дусмотрена покупка навоза или готовых органических удобрений;

• если сельскохозяйственная организация производит избыточное
количество органических удобрений, предусмотрена возможность получения дополнительного дохода от его реализации;

• укомплектовать машинно-тракторный парк (МТП) сельскохозяйст-венной организации для выполнения биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения при минимизации приведенных затрат. При этом предусмотрена возможность обновления парка машин, т.е. списание техники и пополнение парка новой техникой на условиях аренды, лизинга, приобретения;
• учитывать при комплектации МТП возможные альтернативы применения энергомашин, сельскохозяйственных машин, сформированных агрегатов, а также специальных машин, что позволит эффективно использо-вать парк машин сельскохозяйственной организации при выполнении других работ за счет выравнивания нагрузки в течение календарного года;
• анализировать потребность трудовых ресурсов, сырья и материалов при биотехнологической подготовке стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения;
• учитывать единовременные денежные затраты (капитальные вложе-ния), необходимые для биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения.

Применение разработанной экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в
органические удобрения позволяет, исходя из практических условий хозяйствования, минимизировать приведенные затраты при обосновании биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения. На основе выбранного варианта биотехнологи-ческой подготовки стоков и навоза, определяется рациональный состав технических средств, обеспечивающих требуемую производительность ресурсосберегающей биотехнологии производства органических удобрений.

3.2. Информационно-аналитическая система поддержки принятия решений оптимизации технологий производства органических удобрений

Информационно-аналитическая система поддержки принятия решений (ИАСППР) оптимизации технологий производства органических удобрений спроектирована и разработана с целью, на основе расчета технико-экономических показателей, реализовать экономико-математическую модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения с учетом технологий возделывания кормовых культур и обеспечения техническими средствами.

На рисунке 3.1 представлена концептуальная схема, из которой видно, что на основе информации, содержащейся в базах данных, формируется экономико-математическая модель биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения, на ее основе разрабатывается проектная технологическая карта с перечнем процессов производства органических удобрений и их обеспечением (техникой, трудовыми ресурсами, материалом и сырьем).

Далее производится компиляция типовых технологических карт (технологических карт организации по возделыванию кормовых культур) и проектных технологических карт по производству органических удобрений.
В результате получается сводная технологическая карта, в которой представлен перечень операций, потребность в сельскохозяйственной технике, трудовых ресурсах, дополнительных материалах (семена, минеральные удобрения, α-добавка и др.), и в конечном счете определяется себестоимость продукции растениеводства при использовании технологии возделывания с применением органических удобрений, произведенных в организации.

В программе реализована возможность сравнения традиционной технологии производства органических удобрений (технологии, применяемой в сельхозорганизации) и ускоренной технологии (проектная технология, основанная на методе ускоренного компостирования с применением биологически активной добавки).

Рисунок 3.1 – Концептуальная схема ИСАППР оптимизации технологий производства органических удобрений

Сравнение технологий производится в рамках реализации экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения. Решение модели является субоптимальным, что указывает на выбор технологии производства орга-нических удобрений по двум критериям – минимум приведенных затрат и
максимум прибыли. Важно отметить, что в программе предусмотрена возможность совместного использования традиционной и ускоренной технологии в различные периоды года.

Основными задачами реализации ИАСППР выступают:

• разработка проектных технологических карт производства органи-ческих удобрений с определением себестоимости получаемого удобрения;
• на основе типовых технологических карт по возделыванию кормо-вых культур и проектных карт по производству органических удобрений формируются сводные карты, где технологические процессы производства ОУ и возделывания кормовых культур представляются единой совокупностью технологических операций и тем самым позволяют отразить парк машин для реализации этих операций, временные интервалы использования машин, необходимые трудовые ресурсы, материалы, сырье и определить
  себестоимость кормовых культуры при использовании в технологии ОУ;
• на основе сводных технологических карт и базы данных по разным видам техники, определить наличие машин для реализации технологических операций, в случае недостатка – выявить его.

Таким образом, на основе произведенных расчетов и сопоставлений требуемого и имеющегося в наличии машинно-тракторного парка сельхоз-организации, принимается управленческое решение – какую из анализируемых технологий производства органических выбрать, или же воспользоваться обеими технологиями, применяя их в разные временных интервалы года.

На рисунке 3.2 представлена структура ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений.

Рабочее пространство программы делится на три области: «Банк данных», «Содержание проекта» и «Результаты расчета».

Банк данных содержит разделы – базы данных «Животные», «Культуры», «Сырье и материалы», «Трудовые материалы», «С.-х. машины», «Энергомашины», «Агрегаты», «Типовые технологические карты» (см. рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Структура ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений

В базе данных «Животные» содержится информация о виде животного, указывается половозрастная группа, к которой животное принадлежит, численность поголовья, технология содержания, тип получаемого от животного навоза, указывается продолжительность стойлового периода.

Информация, вводимая в данную базу данных, используется для расчета общего выхода навоза от животных с определением его типа, с целью подбора приемлемой технологии для его переработки.

Добавление животных осуществляется через справочник «Виды животных». В базе данных расположен справочник «Технологии содержания», где вводятся применяемые технологии содержания животных и при оформлении базы данных выбор технологии осуществляется из контекстного меню.

В базе данных «Культуры» указывается наименование возделываемых кормовых культур, их предшественники, площади посева, урожайность, валовый выход культур, цена реализации и в качестве расчетных данные выступает выручка от реализации. В базе данных расположены справочники «Виды культур» и «Виды культур предшественников».

В базе данных «Сырье и материалы» вводится вид сырья (материала), расход сырья (материала), цена, коэффициент затрат и общая стоимость сырья (материала).

В опции «Трудовые ресурсы» вводится должность, указывается количество человек, работающих в данной должности или доля ставки. Далее вводится информация – объем работ, норма выработки, затраты труда, тарифная ставка на норму, при повышенной заработной плате – процент повышения от основной суммы и вводит процент отчислений в социальные фонды. На основе представленных данных рассчитывается количество нормо-смен, тарифный фонд на весь объем работ, а также общая сумма с начислениями.

База данных «С.-х. машины» содержит информацию о виде и марке машин, указание на энергомашину, с которой агрегируется, остаточная стоимость машины, процент отчисления по амортизации и на ремонт. На основе данных определяются амортизационные отчисления и отчисления на ремонт. Отдельно выделена область с информацией о топливе (для самоходных с.-х. машин), где указывается объем выполненных работ, расход топлива на единицу работ, рассчитывается общий расход топлива в натуральных и стоимостных единицах. Предусмотрена возможность ввода данных о сельхозмашинах в разрезе применяемых технологий.

Аналогичная информация вводится в базе данных о энергомашинах, с указанием марки сельхозмашины, с которой она агрегируется.

На основе информации в базах данных по сельскохозяйственным и энергомашинам в базе данных «Агрегаты» представлена возможность выбора техники, которая будет работать совместно в составе агрегата. С целью выбора разработан справочник по машинам, где в разрезе каждой из применяемых технологий указывается сельхозмашина и энергомашина.

База данных «Типовые технологические карты» формируется следующим образом: по указанию кормовой культуры с площадью посева выбирается файл формата xlsx., кликнув на который загружается типовая технологическая карта возделывания данной культуры, применяемая в анализируемой сельхозорганизации.

В диалогом окне каждой из перечисленных баз данных, вошедших в банк данных ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений предусмотрен стандартный набор опций – кнопки «Добавить», «Редактировать», «Удалить», «Подробнее…» и «Выход».

В области «Содержание проекта» выделены четыре основные опции «Севооборот», «Выбор технологии производства органических удобрений», «Проектные технологические карты» и «Сводные технологические карты».

Опция «Севооборот» служит для формирования структуры севооборота организации с целью определения состава культур и занимаемых ими площадей. Опция содержит справочники «Виды культур» и «Виды культур предшественников». После добавления необходимых культур из справочника формируется круговая диаграмма севооборота при нажатии кнопки «Вывод диаграммы». В случае добавления или удалений какой-либо из культур в диалогом окне предусмотрена кнопка «Обновить севооборот». Также в данной диалогом окне «Севооборот» предусмотрен стандартный набор кнопок – «Добавить», «Редактировать», «Удалить», «Подробнее» и «Выход».

Рассмотрим опцию «Выбор технологии производства органических удобрений». Основным назначением данной опции выступает формирование экономико-математической модели и ее оптимизация. Для этих целей в
опции расположена кнопка «Выполнить оптимизацию», которая позволяет перейти в файл MSExcel с шаблоном экономико-математической модели
оптимизации. При необходимости, в зависимости от условий конкретного предприятия, ЭММ дополняется новыми ограничениями и наполняется исходной информацией. Далее производится оптимизация модели, и результаты оптимизации отражаются в форме таблицы в диалоговом окне «Выбор технологии производства органических удобрений» в области окна «Результаты оптимизации экономико-математической модели выбора ресурсосберегающей технологии производства концентрированных органических удоб-рений».

Формируемая таблица содержит информацию: вид технологии, значения целевой функции, эксплуатационные затраты, уровень рентабельности технологий. В значении целевой функции предусмотрен вывод из файла MSExcel по результатам оптимизации двух значений: минимума приведенных затрат и максимума прибыли.

В рассматриваемом диалоговом окне «Выбор технологии производства органических удобрений» предусмотрена кнопка «Состав МТП при реализации традиционной и ускоренной технологии производства КОУ». При
использовании данной опции открывается одноименное диалоговое окно,
в котором:

– по энергомашинам в разрезе применяемых технологий указывается марка машины и количество машин для реализации данной технологии;

– по сельскохозяйственным машинам в разрезе применяемых технологий указывается марка машины и количество машин для реализации данной технологии;

– по агрегатам в разрезе применяемых технологий указывается марка энергомашины и сельскохозяйственной машины, которые вошли в агрегат.

Таким образом, на основе выполнения оптимизации экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения, полностью формируется машинно-тракторный парк, необходимый для реализации данных техно-логий.

Далее с области «Содержание проекта» главной формы ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений расположена опция «Проектные технологические карты», которая представляет собой диалоговое окно с указанием на вид ресурсосберегающей технологии производства КОУ и закрепленный за названием технологии адрес файла, в котором расположена технологическая карта реализации операций данной технологии. Обычно файлы имеют формат xlsx. Диалоговое окно «Проектные технологические карты» содержит набор стандартных опций, таких как «Добавить», «Редактировать», «Удалить», позволяющих выполнять соответствующие операции с введенными технологиями и файлами с технологическими картами.

Следующая опция главной формы программы – это «Сводные технологические карты». Ее предназначение состоит в генерировании имеющихся типовых и проектных карт, с целью получить полную сводную технологическую карту, в которой отразятся все операции по производству органических удобрений и по возделыванию кормовых культур. Ценность сводной карты для сельхозорганизации – в наглядном отображении всего парка задействованных машин, так как технологии производства органических удобрений и возделывания сельскохозяйственных культур предусматривают применение аналогичных машин с одинаковыми временными интервалами. При наличии сводной карты и далее анализа представленной в ней информации сельхоз-организация получает возможность рационально планировать использование машинно-тракторного парка с целью выполнения технологических операций в полном объеме и в заданные агротехнологические сроки.

Диалоговое окно «Сводные технологические карты» содержит кнопки «Открыть типовую карту», «Открыть проектную карту», а также набор стандартных опций – «Добавить», «Редактировать», «Удалить». В окне представлена связка в виде строки таблицы:

– адрес файла с технологической картой возделывания с.-х. культуры, который выбирается нажатием кнопки «Открыть типовую карту» из диалогового окна «Типовые технологические карты» банка данных программы;

– адрес файла с технологической картой проектной ресурсосберегающей технологии производства органических удобрений, принятой по результатам оптимизации экономико-математической модели. Адрес файла выбирается нажатием кнопки «Открыть проектную карту» при попадании в
диалоговое окно «Проектные технологические файлы»;

– адрес файла, содержащего сводную технологическую карту. Данную карту, при использовании выбранных ранее типовой и проектной карт, самостоятельно формирует пользователь.

Таким образом, при анализе данных сводных технологических карт следует определить сроки и интенсивность использования машинно-тракторного парка организации, проанализировать каких машин будет не хватать, какими их можно заменить.

Для целей анализа сводных технологических карт на главной форме ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений размещена область «Обеспеченность техникой» (см. рис. 3.2). В области выделены опции: «Сводный план механизированных работ», «График загрузки энергомашин», «График наличия техники».

В опции «Сводный план механизированных работ» в разрезе месяцев календарного года из сводной технологической карты выгружаются технологические операции с указанием:

– объема выполняемых работ в гектарах и в условных эталонных гектарах;

– агросроков выполнения операции, выраженные в календарных днях и в рабочих днях;

– количества смен при выполнении данной технологической операции;

– состава агрегата с указанием марки энергомашины и сельхозмашины;

– производительности агрегата;

– расхода топлива на 1 гектар возделываемой пашни и общий расход;

– общего количества энергомашин и сельхозмашин, которые требуются для реализации технологии производства органических удобрений и технологии возделывания сельскохозяйственной культуры;

– количества выполненных нормо-смен, машино-дней и смен.

При использовании опции «График загрузки энергомашин» на основании данных диалогового окна «Сводный план механизированных работ» в разрезе каждого агрегата формируется график, где по месяцам календарного года (ось абцисс) указывается требуемое количество агрегатов (ось ординат).

С нажатием кнопки «График наличия техники» получаем гистограмму отражения количества техники заданной марки в наличии в сельхозорганизации и требуемого количества. Таким образом, пользователь получает возможность выявить насколько сельхозорганизация обеспечена техникой для реализации технологий производства органических удобрений и технологий возделывания кормовых культур. На основании сравнения техники в наличии и требуемого количество принимается управленческое решение либо о заме-не недостающего количества техники, либо о покупке недостающей техники.

Для оценки эффективности выбранной ресурсосберегающей технологии производства органических удобрений в ИАСППР оптимизации технологий производства органических удобрений предусмотрена область «Технико-экономическая эффективность», в которой функционируют опции «Уровень органообеспеченности сельскохозяйственных площадей», «Себестоимость возделывания сельхозкультур» и «Валовый доход» (см. рис. 3.2).

В диалоговом окне «Уровень органообеспеченности с.-х. культур» представлены сельскохозяйственные культуры, выращиваемые в хозяйстве с указанием их площади посева (информация отображается в соответствии с базой данных «Культуры»). Для работы с опцией пользователю необходимо выбрать интересующую культуру и проанализировать уровень органообеспеченности сельскохозяйственной площади ее возделывания. Для этого в диалогом окне «Уровень органообеспеченности с.-х. площадей» расположена кнопка «Редактировать показатель уровня органообеспеченности», при нажатии которой пользователь открывает форму «Редактирование органообеспеченности». В данной форме автоматически, из базы данных «Культуры» отображается название кормовой культуры и площадь посева, а из сводной технологической карты отражается объем произведенного удобрения, предназначенный для внесения под рассматриваемую кормовую культуру и доза внесения. На основании указанных количественных показателей в форме рассчитывается уровень органообеспеченности. Диалоговое окно «Редактирование органообеспеченности с.-х. площадей» содержит стандартные кнопки «Сохранить», «Закрыть».

В свою очередь диалоговое окно «Уровень органообеспеченности с.-х. культур» содержит кнопки «Банк данных по культурам», «Удалить культуру» и «Справочники», с помощью которых возможно добавление или удаление сельхозкультуры, редактирование, корректирование информации.

Следующей опцией в поле «Технико-экономическая эффективность» рассматривается «Себестоимость возделывания с.-х. культур». Информация данной опции формируется:

– из базы данных «Культуры» переносятся названия кормовых культур, выращиваемых в организации в рамках применения научно обоснованного севооборота с указанием их площади посева;

– из базы данных «Типовые технологические карты» по каждому виду сельскохозяйственных культур переносится информация:

• урожайность кормовой культуры, возделываемой по типовой

технологии;

• валовый выход кормовой культуры;

• себестоимость возделывания сельхозкультуры, выраженная на 1 га

площади посева, на 1 ц валового выхода культуры;

– из опции «Сводные технологические карты» по каждому виду с.-х. культур переносится информация:

• урожайность кормовой культуры возделываемой по проектной

технологии;

• валовый выход кормовой культуры;

• себестоимость возделывания кормовой культуры, выраженная на

1 га площади посева, на 1 ц валового выхода культуры.

Форма «Себестоимость возделывания с.-х. культур» содержит кнопки «Банк данных по культурам», «Редактировать себестоимость с.-х. культуры», «Удалить культуру» и «Справочники». Перечисленные опции предоставляют возможность пользователю добавлять, удалять и редактировать информацию, представленную в форме.

Основное назначение формы «Себестоимость возделывания с.-х. культур» в наглядном представлении информации по конкурирующим технологиям возделывания кормовых культур с целью их сравнения и принятия экономически эффективного управленческого решения.

Далее в поле «Технико-экономическая эффективность» представлена опция «Валовый доход». Данные опции формируется:

– из базы данных «Культуры» переносятся названия кормовых культур, выращиваемых в организации в рамках применения научно обоснованного севооборота с указанием их площади посева;

– из базы данных «Типовые технологические карты» по каждому виду кормовых культур переносится информация:

• урожайность кормовой культуры возделываемой по типовой

технологии;

• валовый выход кормовой культуры;

– из опции «Сводные технологические карты» по каждому виду кормовых культур переносится информация:

• урожайность кормовой культуры возделываемой по проектной

технологии;

• валовый выход кормовой культуры.

При использовании цены реализации кормовой культуры (из базы данных по культурам) определяется валовый доход организации, полученный от реализации кормовой культур, а также валовый доход на 1 га пашни и на 1 ц валового производства культур.

Форма «Валовый доход» содержит кнопки «Банк данных по культурам», «Редактировать валовый доход», «Удалить культуру» и «Справочники». Перечисленные опции предоставляют возможность пользователю добавлять, удалять и редактировать информацию, представленную в форме.

Предназначение формы «Валовый доход» состоит в расчете валового дохода от применения альтернативных технологий возделывания кормовых культур с целью их сравнения и принятия экономически эффективного управленческого решения по использованию той или иной технологии в условиях реального хозяйства.

Выводы по главе

1. В разработанной экономико-математической модели в качестве критериев оптимальности использованы: показатель приведенных затрат и прибыль, получаемая сельскохозяйственной организацией от биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения. Данная модель использована в ряде предприятий Ростовской области, в том числе с учетом затрат на переработку стоков и навоза и выращивание кормовых культур.

2. Разработанная информационно-аналитическая система поддержки принятия решений оптимизации технологий производства органических удобрений позволяет:

– формировать, накапливать и редактировать данные по растениеводческому и животноводческому направлениям деятельности в разрезе сельскохозяйственных организаций;

– при использовании экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения выбрать перспективную для данной организации ресурсосберегающую технологию производства органических удобрений;

– на основе данных оптимизации технологии производства органических удобрений формировать проектные технологические карты, отражающие все технологические операции и их обеспечение, а также расчет затрат на реализацию данной технологии;

– при использовании типовых технологических карт по возделыванию кормовых культур и проектных карт по производству органических удобрений компилировать сводные технологические карты, указывающие на необходимое обеспечение двух технологий, а также на затраты по реализации технологий;

– анализировать обеспеченность сельскохозяйственной организации необходимой техникой для реализации технологий возделывания сельхозкультур с производством и внесением органических удобрений;

– обосновать технико-экономическую эффективность применения проектной технологии возделывания кормовых культур.

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ УСКОРЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СТОКОВ И НАВОЗА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ ДЛЯ ОРОШЕНИЯ И УДОБРЕНИЯ ПАСТБИЩ И ПОЛЕЙ ДЛЯ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР

4.1 Разработка новых технологических и технических решений для подготовки стоков к орошению пастбищ

4.1.1 Отличительные признаки орошения культурных пастбищ

Организация территории. Орошаемые пастбища, разделенные изгородью на загоны, с оросительной сетью, со скотопрогонами, площадками для водопоя и отдыха животных, для доения коров называют культурными. Располагают их вблизи фермы или летнего лагеря: при выпасе коров не далее 2 км, телят – 1 км, овец – 2,5–3,0 км. Обычно на 3–5 коров требуется 1 га пастбищ.

Площадь участка разбивают на 10–18 загонов. На каждом загоне животных пасут 2–3 суток. Трава отрастает до пастбищной спелости после стравливания за 22–25 суток на плодородных землях и за 27–30 суток – на менее плодородных. Ширину загонов принимают не менее 0,5–0,7м на одну голову крупного рогатого скота. Наилучшее соотношение сторон прямоугольного загона 1:2–1:3.

Пастбища залужают злаковыми травами и бобовыми (см. раздел 1.1).

Постоянные изгороди устанавливают по границе пастбища, вдоль скотопрогонов (иногда по границам загонов), а переносные – по границам загонов и внутри загона для выделения участков стравливания пастбища. Загоны для выпаса овец с ягнятами огораживают крупноячеистой сеткой.

Постоянное ограждение состоит из железобетонных или деревянных столбиков высотой 1,8–2,0 м, гладкой или колючей оцинкованной проволоки и ворот.

Ворота для впуска и выпуска скота делают шириной 6–8 м, располагая их в середине изгороди (по ширине загона) или ближе к углу в направлении основного перегона скота.

Для перехода скота от фермы или летних лагерей на пастбище и обратно, а также с одного загона на другой устраивают скотопрогоны шириной 10–15 м для крупного рогатого скота и 35–40 м для овец.

Основные скотопрогоны (от фермы до пастбища) покрывают гравийно-песчаным слоем толщиной 25–30 см, а внутрипастбищные – залужают травами, устойчивыми к выпасу.

Режим орошения. Влажность почвы на культурном пастбище не должна опускаться ниже 75% НВ в слое, равном 0,5 м (оптимальная влажность равна 85% НВ). Обычно в промежутке между двумя стравливаниями травы поливают 1–2 раза (в зависимости от осадков и способа полива). Первый полив проводят сразу же по окончании стравливания и удаления остатков несъеденной травы. Второй – через 10–12 сут., но не менее чем за 5 сут. до очередного стравливания. В степной и сухостепной зонах суммарное водопотребление составляет около 7000 м³/га, оросительная норма – 4500–5000 м³/га. Поливные нормы принимают в зависимости от водопроницаемости почвы, способа полива и глубины залегания грунтовых вод.

При поливе дождеванием для увлажнения 0,5 м слоя поливная норма составляет 300–400 м³/га. В засушливые годы проводят до 15 поливов.

Техника полива. Пастбища можно поливать дождеванием, по полосам и затоплением по чекам. Лучший способ полива – дождевание.

При проектировании орошения пастбищ дождеванием используют типовые схемы орошения. Размеры загонов принимают 3–4 га в зависимости от длины дождевальных трубопроводов или крыльев машины и ширины площади полива с одной позиции. Подача воды на водопойные площадки предусматривается от гидранта, если оросительная вода пригодна для водопоя скота.

Оросительная сеть на пастбище может быть открытой, закрытой и комбинированной. Закрытая сеть бывает стационарной, передвижной из труб и комбинированной: из стационарных магистральных трубопроводов в сочетании с разборными распределительными и поливными трубопроводами.

Синтез технологий, представленный в первой главе отчета, трансформирован в биотехнологию ускоренной переработки стоков и жидкого навоза для орошения пастбищ (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема биотехнологии ускоренной переработки стоков

и жидкого навоза для орошения пастбища

4.1.2 Биотехнология ускоренной переработки навозных стоков

Навозные стоки влажностью 97% и более насосами через систему трубо-
проводов подаются в секционный накопитель навозных стоков. Биотехнология предусматривает производство жидких концентрированных органических удобрений (ЖКОУ) путем добавления в емкости стационарного растворного узла биологически активной добавки (БАД) в количестве 5% от объема перемешиваемых стоков. В процессе гидравлического перемешивания в течение 60 мин. биологически активная добавка равномерно распределяется по всему объему, трансформируя раствор в ЖКОУ. Транспортирование ЖКОУ на поля орошения возможно с использованием насосной станции, которая подает их в распределительные колодцы каждого участка ЗПО, откуда направляется в распределительные трубопроводы для полива. Полив осуществляется дождевальными машинами [25, 41, 69, 70].

В случае отсутствия ЗПО внесение ЖКОУ производится технологическими машинами, которые вносят раствор ЖКОУ поверхностно с дозами
4 м³/га. Особый интерес представляет вариант с применением мобильного агрегата с автономной системой перемешивания компонентов (МААСП).
В этом случае стоки насосом загружаются в технологическую емкость
МААСП, куда подается БАД (5% от объема перерабатываемых стоков), и в процессе транспортирования к месту внесения происходит перемешивание компонентов, и готовое ЖКОУ вноситься поверхностно на поле с дозами
4 м³/га.

Важным элементом биотехнологии является совершенствование процессов (см. рис. 4.1) с временным ускорением отдельных операций не в ущерб качеству производимого продукта (ЖКОУ). Предварительной операцией перед выгрузкой навозных стоков из секционного накопителя является их обеззараживание и доведение биомассы до однородного состояния. Для этого предлагается устройство ускоренного обеззараживания навозных стоков и жидкого навоза, которое обеспечивает перемешивание разделенных слоев жидкого навоза, таких как корка, осветленная жидкость и осадок, а также обеспечивает его аэробное окисление по всему объему навозохранилища [71].

Решение поставленной задачи в предлагаемом устройстве достигается путем преобразования энергии ветра в механическую энергию для перемеши-вания навозных стоков и жидкого навоза, что позволяет равномерно окислять жидкий навоз по всему объему навозохранилища кислородом, находящимся в окружающем воздухе.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Ветроротор Савониуса с вертикальной осью вращения, расположенный на плавучей платформе, под действием энергии ветра вращает механически соединенный с ним вал с рядами лопастей и крестовиной на конце, с закрепленными на ее концах отрезками металлических тросов, который помещен в жидкий навоз. При вращении вала лопасти обеспечивают подъем жидкой массы из нижних слоев к поверхности, разрушение корки на поверхности, что обеспечивает их равномерное перемешивание и увеличивает скорость окисления, а тросы обеспечивают перемешивание средних слоев с осевшим осадком. Так как ветроротор Савониуса вращается при скорости ветра от 4 м/с, указанная скорость ветра может наблюдаться в любых широтах и в любое время года, что позволяет использовать предлагаемое устройство на всей территории России.

Устройство содержит (рис. 4.2) корпус платформы с расположенными под ней элементами, обеспечивающими поддержание платформы над поверхностью жидкого навоза, ветроротор Савониуса, закрепленный на валу, жестко соединенном с лопастями и крестовиной с зафиксированными на ее концах отрезками металлического троса, свободное вращение которого обеспечивается снизу опорным подшипником и поддерживающим подшипником, а также руль направления движения платформы, закрепленный на валу, изменение угла которого обеспечивается тягой, управляемой командным механизмом хода, вращающегося на опорном подшипнике, закрепленным на подставке.

Предлагаемое устройство ускоренного обеззараживания стоков и жидкого навоза позволяет активизировать процесс аэробного окисления с помощью возобновляемого источника энергии – энергии ветра, что обеспечивает энергосбережение и способствует снижению загрязнения окружающей среды, а также подготавливает органическую массу в жидком виде для производства ЖКОУ.

Осадок

15

Корка

Жидкий навоз, навозные стоки

1 – платформа; 2 – элементы; 3 – подшипник опорный; 4, 10 – вал; 5 – лопасти; 6 – крестовина; 7 – отрезок металлического троса; 8 – подшипник поддерживающий; 9 – руль платформы; 11 – тяга; 12 – механизм хода; 13 – подставка; 14 – подшипник опорный; 15 – ветроротор

Рисунок 4.2 – Схема работы устройства для перемешивания

и ускоренного обеззараживания жидкого навоза

Данное устройство обеспечивает перемешивание компонентов на глубине до 2,5–3,0 м. Частота вращения лопаток достигает 132 мин^-1 при площади ветролопастей 4 м² (4 штуки на 1 м²).

Принципиальная технологическая схема производства жидких КОУ на основе стоков и жидкой фракции навоза представлена на рисунке 4.3.

Согласно представленной схеме, жидкий навоза влажностью 94–96% насосом подается по трубопроводу к растворному узлу при закрытом кране 4. Растворный узел представляет установленные на фундаменте рабочие ёмкости 21, оснащенные системами гидравлического перемешивания компонентов смеси.

Каждая ёмкость оснащена насосом и системами трубопроводов. В ём-
кости 28 находится БАД, которая подается по заданной программе в емкости 21, 22 или 23 с дозой 50 л/м³ стоков или жидкого навоза. Емкости 7 и 8 заполняются на ¾ объема жидкой фракцией навоза, куда подается насосом 29 расчетное количество БАД.

Перемешивание смеси производится в течение 60 мин., затем насосами 24 (емкость 7), 25 (емкость 22) или 26 (емкость 23) жидкое КОУ выгружается в транспортно-технологическую машину и далее транспортируется на поле.

1 – навозохранилище; 2 – насосная станция; 3 – трубопроводы; 4–20 – краны; 21-23 – ёмкости ; 24–26 – насосы

для перемешивания компонентов и выгрузки КОУ; 27 – пульт управления; 28 – ёмкость для подготовки БАД;

29 – насос для подачи БАД; 31–32 – краны для регулирования процесса подачи БАД

Рисунок 4.3 – Схема растворного узла для производства

жидких концентрированных органических удобрений

В случае необходимости жидкий навоз можно выгружать в транспортно-технологическую машину и вносить на поле по традиционной схеме,
перекрыв для этого кран 5 и открыв кран 4.

Общий вид растворного узла представлен на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Общий вид растворного узла для производства жидких КОУ

Фрагмент загрузки твердой БАД показан на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Фрагмент загрузки твердых БАД в емкость

Фрагмент погрузки жидких КОУ в технологические машины показан на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Погрузка жидких КОУ в МЖТ-16

Перспективным является вариант производства жидких КОУ непосредственно в технологической машине с автономной системой перемешивания компонентов.

Мобильный узел машины с автономной системой перемешивания удобрений включает в себя ходовую систему, емкость с загрузочным люком и оборудованной предохранительной решёткой, дистанционно управляемой крышкой (рис. 4.7).

Привод перемешивающего устройства осуществляется от ВОМ трактора и представляет собой шнек с правой и левой навивкой от середины его вала и диаметром витка, равным трём диаметрам вала, а также шагом витка, равным ½ его диаметра. Шнек установлен с 5-ти сантиметровым зазором наружной кромки его витка от дна емкости. В емкости установлены 2 перфорированные перегородки, расположенные на расстоянии ¼ длины емкости от торцевых стенок в ½ верхней части емкости. В задней части емкости установлены выгрузное окно, фильтр и запорно-соединительное устройство.

Мобильный агрегат работает следующим образом. На участке подачи жидкого навоза из навозохранилища через загрузочный люк емкость машины загружается на ¾ навозом, затем через тот же люк загружается α-добавка
(в порошковом или жидком виде) в количестве 5% от массы навоза. Включается перемешивающий рабочий орган (имеющий привод от ВОМ трактора), выполненный в виде шнека с правой и левой навивкой, и в ёмкость добавляется жидкий навоз до её заполнения. Закрывается крышка, и агрегат следует к месту применения жидких КОУ.

1 – ходовая система; 2 – емкость; 3 – загрузочный люк; 4 – предохранительная решётка; 5 – дистанционно управляемая крышка; 6 – шнек; 7 – перфорированные перегородки; 8 – выгрузное окно; 9 – фильтр;10 – запорно-соединительное устройство

Рисунок 4.7 – Схема общего вида машины с автономной системой перемешивания компонентов для производства жидких КОУ

В процессе вращения шнек создает ускорение перемещения смешиваемых компонентов к торцевым стенкам емкости, отражаясь от которых в жидкости создается обратный поток, который, сталкиваясь с перфорированными перегородками, разделяется на множество струйных потоков, которые входят в контакт и, взаимодействуя между собой, смешиваются, что способствует повышению качества смешиваемых компонентов.

По прибытию на поле жидкие КОУ вносятся поверхностно с дозами
4 м³/га.

Использование мобильного агрегата для приготовления жидких КОУ позволяет повысить эффективность перемешивания для приготовления качественного раствора в закрытой ёмкости в процессе транспортирования к месту внесения, и обеспечивает экологическую безопасность при транспортировке и внесении удобрений.

Основные технико-эксплуатационные показатели работы агрегата представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Основные технико-эксплуатационные показатели работы

машины с автономной системой перемешивания компонентов

Общий вид мобильного агрегата с автономной системой перемешивания показан на рисунке 4.8

Рисунок 4.8 – Общий вид агрегата с автономной системой перемешивания

Ускоренная биотехнология переработки жидкого навоза животноводческих ферм в органические удобрения для внесения на поля при выращивании кормовых культур заключается в следующем.

Жидкий навоз влажностью 92–96% подается в приемный резервуар с перемешивающим устройством. После тщательного перемешивания однородная смесь насосом подается для механического разделения на фракции.

Технологическая линия тонкой очистки жидкого навоза и помета содержит по ходу технологического процесса (рис. 4.9) накопитель навоз-ных стоков 1, дуговое сито (мобильная установка) 2, ленточный вакуум-фильтр 3, тонкослойный отстойник 4, площадку для компостирования твер-дого навоза 5, напорную флотационную установку 6, пруд-накопитель 7 [72].

Принцип действия технологической линии тонкой очистки жидкого навоза и помета следующий: жидкий навоз (помет) из накопителя навозных стоков (влажностью 92–94%) подается на дуговое сито, где происходит раз-деление его на осадок (влажностью 86–88%) и жидкую фракцию (влажно-стью 97,8–98,0%); осадок для обеззараживания поступает на ленточный вакуум-фильтр 3, а жидкая фракция поступает в тонкослойный отстойник.

Рисунок 4.9 – Технологическая линия тонкой очистки жидкого навоза

После ленточного вакуум-фильтра жидкая фракция (влажностью 98,7%) поступает на напорную флотационную установку, а твердая фракция (влажностью 68–72%) – на площадку для компостирования твердого навоза; с тонкослойного отстойника осветленная жидкость (влажностью 98,9–99,0%) подается на напорную флотационную установку, где происходит процесс окончательного осветления флотацией; техническая вода после осветления (влажностью до 99,4%) подается в пруд накопитель, откуда расходуется на рециркуляцию, полив или сливается в природные водоемы, а осадок после осветления в тонкослойном отстойнике и в напорной флотационной установке подается на ленточный вакуум-фильтр, где производится его разделение вместе с поступающим основным технологическим потоком. После завершения про-цесса биотермического обеззараживания твердой фракции навоза полученные органические удобрения (ОУ) вносятся на поля.

При принятии управленческого решения использования технологий
переработки жидкого навоза важную роль играют вопросы экономической
эффективности рассматриваемых технологий [73, 74]. В первую очередь сельскохозяйственных товаропроизводителей интересует величина затрат на внедрение и реализацию технологий по переработке навоза. На рисунке 4.10 представлены результаты расчета эксплуатационных затрат на переработку жидкого навоза свиноводческих ферм по трем технологиям с различным поголовьем.

Из рисунка 4.10 видно, что использование наиболее распространенной в настоящее время технологии переработки жидкого навоза на свиноводческих фермах с использованием отстойников-накопителей (лагун) приводит к значительным затратам на его переработку: от 4570 руб./т (при поголовье 100 свиней) до 450 руб./т (при поголовье более 6000 свиней) (кривая 1).

Применение технологии с использованием стационарного цеха для разделения навоза на фракции требует значительных эксплуатационных за­трат от 3900 руб./т (при поголовье 100 свиней) до 200 руб./т (при поголовье более 6000 свиней) (кривая 2).

1 – технология с использованием отстойников-накопителей;

2 – технология с использованием цеха для разделения навоза на фракции;

3 – технология с использованием мобильной установки

Рисунок 4.10 – Изменение эксплуатационных затрат

на переработку жидкого навоза по различным технологиям

в зависимости от поголовья свинофермы

При применении технологии с использованием мобильной установки для разделения навоза на фракции эксплуатационные затраты изменяются от 3200 руб./т (при поголовье 100 свиней) до 180 руб./т (при поголовье более 6000 свиней) (кривая 3).

Из представленных на рисунке 4.10 данных также видно, что исполь-зова­ние рассмотренных технологий переработки жидкого навоза имеет смысл при поголовье свиней от 1000 голов и более. В указанном диапазоне поголо­вья свиней применение отстойников-накопителей позволяет снизить эксплу­атационные затраты от 900 руб./т до 450 руб./т; применение стационарного цеха для разделения навоза на фракции – от 600 руб./т до 200 руб./т; исполь­зование мобильной установки – от 400 руб./т до 180 руб./т.

Для свиноводческой фермы на 1000 голов применение мобильной установки для разделения навоза на фракции позволяет снизить эксплуатаци­онные затраты на переработку навоза в сравнении с отстойниками-накопи­телями на 56%, в сравнении с цехом разделения навоза – на 33,3%. Для СТФ на 6000 голов применение мобильной установки для разделения навоза на фракции позволяет снизить эксплуатационные затраты в сравнении с отстой­никами-накопителями на 60%, в сравнении с цехом разделения навоза –
на 10%.

Исходя из условия выбора технологий переработки жидкого навоза «эксплуатационные затраты min» для свиноводческих ферм с поголовьем от 1000 голов целесообразно использовать технологию с мобильной установ­кой для разделения навоза на фракции.

Мобильная установка, смонтированная на шасси тракторного прицепа, имеет в наличии фекальный насос, установку для локальной переработки навоза, систему задвижек и тру­бопроводов. Установка для локальной обра-ботки навоза представляет собой установленный в перфорированном желобе щеточный шнек с дожимным устройством [75].

Схема и устройство установки для локальной обработки навоза показаны на рисунке 4.11.

Установка для транспортирования и разделения навоза на фракции содержит закрепленный на раме наклонный перфорированный корпус с установленными в нем на полом приводном валу полыми перфорированными лопастями. Полость каждой перфорированной лопасти сообщена с полостью полого приводного вала посредством отверстий. Перфорированный корпус имеет загрузочное и выгрузное окна и размещенный под ним поддон для сбора жидкой фракции. Полый приводной вал сообщен с поддоном патрубком. Витки полых перфорированных лопастей установлены на полом приводном валу с шагом, равным 1,25–2,0 величины диаметра упомянутого витка. Средство для очистки внутренней поверхности перфорированного корпуса выполнено в виде щеток, которые установлены на кромке полых перфорированных лопастей. В верхней части перфорированного корпуса установлен перфорированный мундштук, в котором с помощью четырех диаметрально расположенных пальцев закреплена подпружиненная полая пластина, которая в верхней части на величину (R+r) имеет перфорацию с внутренней стороны, где R – наружный радиус пластины, r – внутренний радиус пластины (рис. 4.11б).

а

б

а – схема работы установки; б – схема работы дожимного устройства

1 – рама; 2 – корпус; 3 – вал приводной; 4 – лопасть перфорированная; 5 – полость лопасти; 6 – полость приводного вала; 7 – отверстия; 8 – окно загрузочное; 9 – окно выгрузное; 10 – поддон; 11 – патрубок: 12 – щетки; 13 – мундштук перфорированный;

14 — пальцы; 15 – пластина; 16 – пружина

Рисунок 4.11 – Схема и принцип работы установки

для локальной обработки жидкого навоза

Устройство работает следующим образом.

Жидкий навоз по трубопроводу через загрузочное окно подается в перфорированный корпус и полыми перфорированными лопастями транспортируется к выгрузному окну. При этом часть жидкой фракции, находящаяся в свободном состоянии, проходит через перфорированный корпус и поступает в поддон для сбора жидкой фракции. Остаток свободной влаги вместе с навозом, перемещаясь в межвитковом пространстве, контактирует с перфорацией на передней и задней сторонах полых лопастей и поступает во внутреннюю полость лопастей. За счет послойного перемещения навозной массы в межвитковом пространстве происходит ее разрыхление, сопровождающееся разрушением структурные связей, способствующим переходу физико-механически связанной влаги в свободную, которая через перфорацию также поступает во внутреннюю полость перфорированной лопасти. Для очистки внутренней поверхности корпуса используются щетки, установленные на кромке полых перфорированных лопастей. В зоне расположения перфорированного мундштука за счет непрерывной подачи лопастями осадка навозной массы происходит увеличение давления, способствующего разрушению физико-механических связей в навозной массе и дополнительному выделению свободной влаги, которая через перфорированные отверстия в мундштуке, в полых лопастях и полом приводном валу и подпружиненной пластины удаляется в поддон. При достижении давления между витками шнека подпружиненной полой пластины больше давления пружин полая пластина соосно перемещается в сторону выгрузного окна твердой фракции, и происходит ее выход. Затем при достижении давления пружины больше давления поступающей навозной массы полая пластина принимает исходное положение, и цикл повторяется.

Общий вид установки для локальной обработки жидкого навоза в технологической линии показан на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Общий вид установки для локальной обработки

жидкого навоза

Функциональная схема процесса разделения навоза на фракции мо­бильной установкой представлена на рисунке 4.13. В основу разработки функ­циональной схемы положены известные принципы анализа и синтеза элемен­тов системы.

Рисунок 4.13 – Функциональная схема процесса разделения навоза

на фракции мобильной установкой

Процесс разделения навоза на фракции включает в себя три основных блока и четвертый – вспомогательный.

Входными параметрами блока I являются объем поступающего навоза (V_ЖН), его влажность (W_ЖН) и производительность фекального насоса (Q_наc). Выходные параметры – W_ЖН и масса жидкого навоза (М_ЖН), подаваемого на установку для разделения навоза на фракции. Выходные параметры блока I являются входными параметрами блока II. Процесс фильтрования на щеточ­ном шнеке обеспечивается рациональным сочетанием конструктивных и ре­жимных параметров: длины зоны фильтрования (L_ш), угла наклона шнека к горизонту (а), диаметра витка шнека (D) и шага витков (t_в), частоты враще­ния шнека (п).

Важным параметром, влияющим на W_жф, является размер отверстия в перфорированном желобе (R_отв). Выходными параметрами блока II являются масса жидкой фракции (М_жф), влажность жидкой фракции (W_жф), влажность осадка (W_oc) и его масса (М_ос). Входными параметрами блока III являются влажность поступающего осадка (W_ос) и его масса (М_ос). Процесс дообезвоживания осадка обеспечивается рациональным сочетанием длины зоны дообезвоживания (L_дооб) и силой сжатия объема осадка (Р_сж). Выходными пара­метрами блока III являются масса полученной твердой фракции (М_тф), её влажность (W_тф), а также масса образуемой при дожиме жидкой фракции (М’_жф) и её влажность (W’_жф).

Вспомогательный IV блок в качестве своих входных параметров имеет Q_нас, М_жф, М’_жф, W_жф, W’_жф. Выходными параметрами являются W»_жф (W_жф+W’_жф) и М»_жф (М_жф+М’_жф). Посредством блока IV осуществляется вы­грузка жидкой фракции навоза через заранее проложенную трубопроводную магистраль в секции отстойника-накопителя.

Схема функционирования усовершенствованной биотехнологии представлена на рисунке 4.14.

Смонтированная на прицепном шасси установка для разделения навоза на фракции агрегатируется с колесным трактором тягового класса 1,4. При­вод технологического оборудования осуществляется от ВОМ трактора.

1-3 – технологические помещения (свинарники); 4, 6, 8 – приемные резервуары для жидкого навоза; 5, 7, 9 – приемные резервуары для жидкой фракции наво­за;

10 – мобильный агрегат для разделения жидкого навоза на фракции; 11 – центробежный насос; 12 – установка для разделения жидкого навоза на фракции; 13 – двух секционная площадка для накопления твердой фракции навоза; 14 – двух секционная площадка для накопления жидкой фракции навоза

Рисунок 4.14 – Схема усовершенствованной технологии переработки жидкого навоза на свиноводческих фермах с использованием мобильной установки

Технологический процесс осуществляется следующим образом. Агре- гат подъезжает к заполненному жидким навозом приемному резервуару 4, разделенному на две секции: секция для накопления жидкого навоза и секция для приема жидкой фракции. После подключения гидрантов, включается в работу щеточный шнек, в загрузочную горловину которого центробежным насосом подается жидкий навоз.

Схема работы мобильной установки представлена на рисунке 4.15.

Полученная в процессе ме­ханического разделения жидкая фракция самотеком подается в секцию 5 приемного резервуара для жидкой фракции, откуда фекальным насосом по системе трубопроводов поступает в одну из секций отстойника-накопителя жидкой фракции 14. Твердая фракция выгружается в расположенный рядом тракторный прицеп и транспортируется на площадку 13 для накопления и дальнейшей переработки. После окончания операции по переработке жидко­го навоза, агрегат подъезжает к следующему приемному резервуару и цикл повторяется.

ЖН

9

трактора

8

7

6

ВОМ

1

4

5

ЖН

ЖН

ЖН

На прифермское

навозохранилище

ЖФ

ЖФ

ЖФ

2

ТФ

из помещения

навозохранилище

1 – платформа двухосного прицепа с поворотным устройством; 2 – щеточный шнек для разделения навоза на фракции; 3 – гидромотор для привода шнека; 4 – фекальный насос для забора жидкого навоза; 5 – регулировочный кран подачи жидкого навоза

Рисунок 4.15 – Схема работы мобильной установки для разделения

навоза на фракции

Твердая фракция в секциях площадки 13 формируется в бурты, где происходит ее биотермическое обеззараживание и трансформация в твердое органическое удобрение (ТОУ) по двум вариантам:

– в течение 6–8 месяцев (с периодической перебуртовкой) происходит биотермическое обеззараживание твердой фракции путем его самонагрева­ния до температуры 65°С с последующей выдержкой в буртах. Полученное ТОУ вносится на поле с дозами от 40 до 60 т/га;

– применяется метод ускоренного компостирования твердой фракции путем подачи в бурт биологически активной добавки (БАД), которая ускоря­ет процесс самонагревания навозной массы и после 3–5 дневного перемеши­вания компонентов образуется твердое концентрированное органическое удобрение (ТКОУ) которое через 10–15 дней может вноситься на поле с до­зами от 1 до 4 т/га.

Жидкая фракция накапливается в секциях отстойника-накопителя 14, где происходит ее естественное биотермическое обеззараживание в течение 12 месяцев. Трансформация жидкой фракции в жидкое органическое удобре­ние возможна по двум вариантам:

– по истечении 12 месяцев насосной станцией, установленной в секции отстойника-накопителя, навоз перемешивается в месте его забора, грузится в транспортно-технологические машины для внесения жидкой органики и вносится на поле с высокими дозами (до 400 м³/га);

– жидкая фракция насосом грузится в транспортно-технологическую машину с системой автономного перемешивания компонентов, куда одно­временно с жидкой фракцией вносится БАД. В процессе перемешивания в течение одного часа готовое жидкое концентрированное органическое удоб­рение (ЖКОУ) вносится на поле с дозами 4 м³/га. При этом возможно ис­пользование жидкой фракции любой выдержки во времени.

Использование биологически активной добавки способствует насыще­нию органической массы микроэлементами, как питательной средой для рас­тений, так и связывает летучие соединения в навозе, сокращая выбросы
аммиака в атмосферу [76, 77].

Обобщающим выходным параметром мобильной установки является производительность агрегата (Q_агр) и качество разделения навоза (η).

Производительность установки Q_ycm складывается из производительно­сти её отдельных блоков:

Q_ycт ≤ Q₁ ≤ Q₂ ≤ Q₃ ≤ Q₄. (4.1)

Производительность агрегата определяется по выражению

(4.2)

где Т_ц – время цикла работы агрегата:

(4.3)

где Т_подг – время на подготовку агрегата к работе;

Т_ф – время на переработку навоза (фильтрование);

Т_жф – время на откачку жидкой фракции;

Т_пер – время на переезд к другому объекту.

Т_подг включает в себя две операции: подготовку к процессу разделения и подготовку систем сбора и подачи навозной массы к транспортировке.

Из представленной на рисунке 4.13 схемы видно, что производительность блоков зависит от основных режимных, конструктивных и технологических параметров:

(4.4)

Производительность агрегата находится в прямой зависимости от про­изводительности установки, эффективность которой определяется качеством разделения навоза на фракции (η):

(4.5)

где С_исх – концентрация сухого вещества в исходном навозе;

С_ф – концентрация сухого вещества в фильтрате (ЖФ).

Экспериментальными исследованиями установлено, что при исходной влажности навоза 94,6–97,8% производительность установки составляет 26,8–43,0 м³/ч. При этом влажность жидкой фракции достигает 97,8–98,6%, твердой фракции – до 72,0%. Частота вращения шнека 60–80 об/мин, длина рабочего участка шнека – 4,0 м.

Наличие в технологическом процессе переработки жидкого навоза мо­бильной установки позволяет также обслуживать все технологические кор­пуса на ферме и, при необходимости, выполнять аналогичную операцию на других свиноводческих фермах. В этом случае отпадает необходимость уста­новки в приемниках-накопителях насосных станций с перемешивающими устройствами, а также цистерн для откачки и транспортирования жидкого навоза в места его накопления, что снижает затраты на содержание живот­ных и повышает рентабельность производства свинины.

Жидкая фракция навоза после разделения на мобильной установке для последующего обезвоживания подается тонкослойный отстойник, конструкция которого позволяет ускорить процесс коагуляции и оседания навоза на стенках отстойника.

Решение поставленной задачи в предлагаемом устройстве достигается путем предварительного омагничивания жидкой фракции на входе в отстой-ник постоянным магнитным полем напряженностью не менее 25 кА/м, что способствует приобретению частицами навоза электрического заряда, при-водящего к коагуляции твердых частиц и увеличению скорости их притягивания к стенкам тонкослойного отстойника под действием электрического поля напряжением 0,05–0,1 В, приложенного к секциям и корпусу тонкослойного отстойника [78].

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Жидкая фракция навоза на входе в тонкослойный отстойник проходит через электро-магнит постоянного магнитного поля, питаемый постоянным напряжением U1, обеспечивающим напряженность магнитного поля не менее 25 кА/м, где происходит процесс его омагничивания, который способствует приобрете-нию частицами навоза электрического заряда, вызывающего процесс коагуляции; при попадании в тонкослойный отстойник коагулированных частиц навоза, как носителей электрического заряда, под действием электрического поля, обеспечивающего процесс электролиза, происходит ускоренное притягивание заряженных частиц навоза к стенкам и дну секций отстойника, которые подключены к положительному выводу источника постоянного тока напряжением U2 = 0,05–0,1В. Осевшие на стенках и дне секций тонкослойного отстойника частицы навоза под действием силы тяжести перемещаются в накопитель на дне отстойника, откуда через патрубок выводятся по мере их накопления.

Устройство содержит (рис. 4.16) корпус отстойника 9 с расположен-ными на нем входящим 1 и выходящим 4 трубопроводами, электромагнит постоянного магнитного поля 2, расположенный на входящем трубопроводе, секции тонкослойного отстойника 3, прикрепленные к корпусу через электроизолирующие вставки 6 на фиксирующих штангах 10, накопитель осадка 5 с патрубком для удаления осадка 7, регулируемым задвижкой 8.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом: жидкая фракция навоза через входящий трубопровод 1 проходит через электро-магнит постоянного магнитного поля, где происходит процесс омагничи-вания частиц навоза и приобретения этими частицами электрического заряда, способствующего их коагуляции; поступая в тонкослойный отстой-ник скоагулированные заряженные частицы навоза под действием электро-лиза, который обеспечивается подсоединением постоянного напряжения к корпусу тонкослойного отстойника 9 и секциям тонкослойного отстойника 3, зафиксированным на штангах 10, электрически изолированых от корпуса 9 тонкослойного отстойника вставками из токонепроводящего материала 6, притягиваются к стенкам и дну секций 3 тонкослойного отстойника, а затем отдав свой заряд под действием силы тяжести, перемешаются в накопитель осадка 5, где при необходимости удаляются через патрубок удаления осадка 7
с помощью задвижки 8; освобожденная от частиц навоза жидкость выходит из тонкослойного отстойника через выходящий трубопровод 4.

1 – трубопровод входящий; 2 – электромагнит; 3 – секция тонкослойного отстойника; 4 – трубопровод выходящий; 5 – накопитель осадка; 6 – вставка электроизолирующая; 7 – патрубок; 8 – задвижка; 9 – корпус отстойника; 10 – штанга фиксирующая

Рисунок 4.16– Схема рабочего процесса тонкослойного отстойника

Более глубокое осветление жидкой фракции производится на напорной флотационной установке, разработанной учеными бывшего ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград Ростовской области) [3, 5].

Установка (рис. 4.17) состоит из приемного резервуара, флотационной камеры, в нижней части которой расположена напорная полость с насадками, центробежного насоса с эжектором, напорного резервуара, резервуара осветленной жидкости и заборного устройства.

1 – резервуар приемный; 2 – камера флотационная; 3 – эжектор; 4 – устройство заборное; 5 – полость напорная; 6 – насадки; 7 – труба перфорированная кольцевая; 8 – резервуар осветленной жидкости; 9 – насос; 10 – резервуар напорный

Рисунок 4.17 – Схема процесса работы напорной флотационной установки

Технологический процесс осуществляется во флотационной камере, куда через перфорированную кольцевую трубу из приемного резервуара подается избыточный активный ил и фильтрат, полученный при обезвоживании уплотненного активного ила. Сюда же из напорного резервуара через систему трубопроводов, напорную полость и насадки подается рабочая жидкость – пересыщенный раствор воздуха в осветленной жидкости. Дросселирование рабочей жидкости через насадки сопровождается обильным выделением воздуха из раствора в виде микропузырьков, которые образуют со взвешенными частицами комплексы «пузырек-частица». Комплексы двигаются вверх и скапливаются на поверхности жидкости во флотационной камере. Удаляется уплотненный активный ил пеносъемным механизмом. Осветленная жидкость отводится из флотационной камеры через заборное устройство.

Эффективная работа установки обеспечивается на следующих режимах: давление в напорном резервуаре – 400–500 кПа, степень рециркуляции рабочей жидкости – 0,3–0,5, скорость движения скребка пеносъемного механизма – 0,1–0,2 рад/с. Установка обеспечивает влажность уплотненного продукта не выше 96% и эффективность осветления исходного продукта не ниже 70%. Производительность напорной флотационной установки по исходному продукту – 20–25 м³/ч.

Напорная флотационная установка обеспечивает глубокую очистку осветленной жидкости, что позволяет использовать её на рециркуляцию, полив, слив в водоёмы и т.д. Получаемый осадок возвращается на дообезвоживание на ленточный вакуум-фильтр.

Осадок, образуемый в тонкослойном отстойнике, напорной флотационной установке, подается для обезвоживания на ленточный вакуум-фильтр [79].

Ленточный вакуум-фильтр работает следующим образом (рис. 4.18).

Обезвоживаемый осадок поступает в загрузочный лоток, посредством которого распределяется равномерным слоем по всей ширине движущейся ленты с фильтровальной тканью. Происходит фильтрование осадка путем удаления свободной и частично физико-механически связанной влаги через фильтровальную ткань. При перемещении ленты ее продольные прорези совмещаются с прорезями вакуум-камеры и твердая фракция попадает в зону действия вакуума, за счет чего происходит дальнейшее фильтрование и просушка твердой фракции. Однако под действием вакуума происходит дооформление и уплотнение частиц, в результате чего скорость отдачи влаги частицами материала снижается.

а

б

1 – лента; 2, 3 – вакуум-камера; 4 – камера нагнетательная; 5, 6 – барабаны приводной

и ведомый; 7 – ролики поддерживающие; 8 – прорези сквозные продольные; 9 – пазы

поперечные; 10 – канавки продольные; 11 – ткань фильтровальная; 12 –шнурки резиновые;

13 – боковины неподвижные; 14 – крышка; 15 – перегородки выравнивающие; 16 – патрубок для соединения с вакуум-коллектором; 17 – вакуум-коллектор; 18 – патрубок

для соединения с компрессором; 19 – устройство для промывки ленты; 20 – лоток

загрузочный; 21 – нож для съема твердого осадка

Рисунок 4.17 – Схема ленточного вакуум-фильтра с нагнетательной камерой

Сжатый воздух, воздействуя на монолитную уплотненную твердую фракцию, разрушает ее структуру с одновременным отделением твердых частиц от фильтровальной ткани. В процессе продувки находящаяся в капиллярах материала влага переходит в свободное состояние. После выравнивания перегородкой рыхлый слой твердой фракции снова попадает в зону действия вакуума, где происходит дополнительное удаление остатков свободной влаги, тем самым снижая влажность твердой фракции до 68–76%.

Общий вид технологической линии показан на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 – Общий вид линии переработки осадков навозных стоков

с использованием напорной флотационной установки (1) и ленточного

вакуум-фильтра (2) на свинокомплексе мощностью 54 тыс. голов в год

Технико-эксплуатационные показатели работы ленточного вакуум-фильтра представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Техническая характеристика ленточного вакуум-фильтра

и вспомогательного оборудования

Результаты производственной проверки вакуум-фильтра приведены
в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Результаты производственной проверки ленточного вакуум-фильтра на обезвоживании осадков после тонкослойного отстойника и напорной флотационной установки

Из таблицы 4.3 видно, что наивысшая влажность фильтрата получена при обезвоживании осадков от напорной флотационной установки.

Обобщенные данные по составу физико-химических показателей переработки стоков (на примере свиноводческого комплекса) представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Обобщенные данные по изменению физико-химических

показателей переработки стоков свиноводческих комплексов в зависимости

от применения технологических показателей

Из представленных данных видно, что при использовании рекомендуемых технологий переработки стоков свинокомплексов наличие взвешенных веществ снижается с 20997 до 0,3 мг/л, химическая потребность в кис-лороде (ХПК) изменяется от 16685 до 1,0 мг/л, биологическая потребность в кислороде (БПК5) – от 11170 до 0,3 мг/л, азот аммонийный – от 2200 до
0,5 мг/л, фосфаты – от 300 до 0,01 мг/л. Полученные показатели стоков для орошения пастбищ являются безопасными для окружающей среды и способствуют выращиванию кормов с ориентацией на производство экологической продукции.

Полученная в результате реализации ускоренной биотехнологии переработки жидкого навоза осветленная жидкость используется для орошения пастбищ согласно схеме, представленной на рисунке 5.5.

4.2. Разработка новых технологических и технических решений для подготовки навоза животноводческих ферм в качестве органических удобрений для внесения на поля при выращивании кормовых культур

Из результатов представленных выше исследований видно, что перспективным направлением является производство концентрированных органических удобрений (КОУ) на основе твердого (подстилочного) навоза и твердой фракции после механического разделения жидкого навоза. Из известных в мире более 50 видов КОУ на юге России нашли применение биогумус и суперудобрение марки «Агровит-Кор». Отличительной особенностью КОУ от других видов удобрений является наличие в них относительно высокой концентрации питательных веществ (азота, фосфора, калия, органического вещества), экологическая безопасность (отсутствие наличия тяжелых металлов, пестицидов) малые дозы их внесения (от 1,0 до 10 т/га). Сравнительная характеристика разных видов удобрений приведена в таблице 4.5.

Таблица 4.5 – Сравнительная характеристика различных видов

органических удобрений

В настоящее время разработаны варианты инновационной технологии производства твердых КОУ методом ускоренного компостирования с применением биологически активной α-добавки (БАД).

Принципиальную основу добавки составляют микроскопические системы центров почвообразования (ЦПО), придающее ему уникальные свойства. Микросистема ЦПО представляет собой динамически равновесное полифункциональное надмолекулярное гетерогенное образование. В почвенном покрове присутствуют ЦПО первого порядка α-вида (ЦПО-α), ЦПО второго порядка β-вида (ЦПО-β) и ЦПО третьего порядка γ-вида (ЦПО-γ). В естественных условиях каждый из этих видов ЦПО представлен большим разнообразием форм (разновидностями). В природе эти ЦПО в течение многих лет сомоорганизовываются по матричному принципу сборки в соподчиненные макронадмолекулярные системы (МНС). Ядро МНС образует ЦПО α-вида, вокруг формируется ЦПО β-вида (средняя прослойка). На периферии находится ЦПО γ-вида (внешняя рыхлая оболочка). Каждый тип почв содержит определенный специфический набор МНС. Например, МНС черноземов строго специфичен количественным соотношением структурных единиц – одна единица ЦПО α-вида ядра может комплементарно связываться (объединяться) только с определенным количеством ЦПО β-вида. В свою очередь, последние образуют разнообразные связи с ЦПО γ-вида. Более того, каждый тип почв имеет строгий и специфический набор информационных матриц структурных единиц, составляющих их МНС – материнская матрица ЦПО
α-вида и вторичная ЦПО β-вида чернозема отличается от аналогичных образований каштановых и других почв.

Установлено, что все виды ЦПО активно могут функционировать относительно автономно или в составе МНС только при наличии органического вещества (ОВ). При недостатке ОВ структурная организация МНС начинает рушиться. Вначале элиминируются структурные единицы внешней оболочки МНС–ЦПО γ-вида; полупериод жизни этих образований от нескольких лет до 15 лет. Затем, перестраивается или прекращает функционировать средняя прослойка МНС–ЦПО β-вида; полупериод распада их от нескольких десятков до тысячи лет. Ядро МНС, состоящее из ЦПО α-вида, сохраняет свою активность в течение нескольких десятков тысяч лет за счет внутренних запа­сов ОВ и самоорганизации.

Различные искусственные виды ЦПО, входящие в состав суперудобрений, попадая в почвенную среду или материнскую породу начинают активно функционировать и тем самым мобилизуется потенциальное плодородие, при этом изменяются основные агротехнические, физико-химические параметры почвы (породы), при которых создаются оптимальные условия для жизнедеятельности растений формируется оптимальный микробиоценоз.

Активность МНС и составляющих их ЦПО изменяется во времени. Полный (годовой) цикл состоит из трех стадий, которые можно соотнести с периодами года и фазами развития озимых культур. Первая стадия – осенне-зимняя (всходы – кущение озимых культур). Вторая – весенне-летняя (выход в трубку – начало стеблевания). Третья стадия – летняя (колошение – полная спелость). Основным субстратом для МНС служат отмершие остатки растений и микроорганизмов, а также продукты их жизнедеятельности (экзометоболиты). Все эти три стадии функционирования МНС являются основными (доминирующими) процессами генезиса почв (материнской породы), которые определяют агрохимический фон и гумусное состояние природных почв и почв агроценозов.

Многолетние испытания и изучение свойства компоста (суперудобний) проводились в основном в черноземной зоне на выращивании твердых и сильных пшениц (Северо-Кавказкий регион).

Трехстадийный характер функционирования ЦПО даже при неблагоприятных условиях обеспечивает высокую надежность потребительских, удобрительных и почвообразовательных свойств компоста.

Установлено, что при дозах 0,5–12 т/га эти три стадии функционирования ЦПО создают высокий агрохимический фон на уровне или выше парового поля для формирования гарантийного урожая текущего года и нескольких лет последействия. При этом всегда обеспечивается положительный баланс гумуса.

Например, при однократном внесении в пахотный слой чернозема
0,5 т/га или 3 т/га компоста под культуры (пшеница, ячмень, кукуруза, картофель и овощные) резко укоряются процессы почвообразования – содер-жание гумуса в течение нескольких лет возрастает до 7,2–9,6 т/га и
12,5–22,6 т/га соответственно. При этом возрастает содержание питательных
веществ. В год внесения компоста, например, обменного калия в слое 0–4 см дополнительно (по сравнению с контролем) накапливается до 250–280 кг/га, сумма минерального азота возрастает до 130–150 кг/га. Этот агрохимический фон позволяет при благоприятных климатических условиях на второй год получать дополнительную прибавку зерна 20–25 ц/га.

Таким образом, при помощи нового препарата решается одна из основных проблем сельского хозяйства – получение высоких урожаев на фоне
бездефицитного баланса гумуса. Причем, ежегодно возрастает как содер-жание гумуса, так и агрохимический фон почвы, создавая реальную предпосылку для восстановления плодородия почв и воспроизводства земельных ресурсов [80–82].

При помощи уникальных свойств компоста можно получать самую низкую по себестоимости сельхозпродукцию (зерно, картофель, овощи и т.д.). Это обусловлено тем, что высокая активность искусственных ЦПО сохраняется в почвенной среде на протяжении нескольких лет (в лабораторных экспериментах с 1983 года и до настоящего времени, а в полевых условия – уже пять лет). Именно это и служит гарантией высоких удобрительных и почвообразовательных эффектов компоста впоследствии. Например, при дозе 0,5–1,0 т/га компост обеспечивает прибавку урожая зерновых, равную или выше минеральных удобрений в первом году применения и равный урожай на второй год (последействия), т.е. общая прибавка урожая от компоста по сравнению с использованием туков будет в 2,0–2,5 раза выше. При дозе
1–2 т/га компост обеспечивает высокий урожай в течение трех лет (в год внесения и два года последействия). Доза 2–3 т/га компоста позволяет получать высокую прибавку зерновых культур в прямом действии (в год внесения) и 3–4 года последействия.

Технологический процесс ускоренного компостирования твердых органических отходов заключается в следующем.

На бетонированную площадку укладывается слой навоза высотой более 0,5 м. На слой навоза подается α-добавка (БАД) в количестве 5% от массы навоза и смесь перемешивается в течение суток через 12 часов. После первых двух перемешиваний на компостную смесь укладывается дополнительно слой подстилочного навоза, таким образом, чтобы общая высота бурта не превышала 1,5 м. При этом в сформированный бурт дополнительный объем α-добавки и далее производится процесс перемешивания компонентов с 12-часовым интервалом в течение 3–4 суток. Конечной целью процесса является равномерное распределение α-добавки в объеме навоза, что значительно ускоряет процесс нагрева биомассы до 70 ^оС и создает условия полного обеззараживания бурта. Ширина и высота бурта определяются рабочими параметрами самоходного ворошителя и составляют, соответственно,
2,5 м и 1,5 м.

Производство твердых КОУ производится на открытых площадках и площадках закрытого типа (в зимних условиях) (рис. 4.20–4.22).

Рисунок 4.20 – Перебуртовка штабеля навоза КРС на открытой площадке

с применением самоходного ворошителя СВБ–16.30

а – перебуртовка

б – общий вид буртов

Рисунок 4.21 – Производство твердых КОУ

на площадке закрытого типа

а

б

а – распределение буртов на поле; б – ворошение буртов

Рисунок 4.22 – Общий вид буртов при производстве твердых

КОУ в полевых условиях

Схема биотехнологии ускоренной переработки твердых органических отходов в органическое удобрение для использования при выращивании кормовых культур представлена на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 – Схема биотехнологии ускоренной переработки

органических отходов в КОУ для удобрения полей

при выращивании кормовых культур

Технологии применения твердых КОУ предусматривают их поверхностное и внутрипочвенное внесение.

4.2.1 Технические средства для поверхностного внесения

твердых КОУ

Отличительной особенностью концентрированных органических удобрений (КОУ) являются их малые дозы внесения (от 1 до 10 т/га). Технологии их внесения аналогичны технологиям внесения ТОУ: поверхностное под
основную обработку и в подкормку, внесение одновременно с посевом

пропашных культур, в подкормку при междурядной обработке посевов [9]. Однако серийно выпускаемые средства для внесения ТОУ не позволяют качественно вносить КОУ с малыми дозами внесения, так как и рабочие органы не адаптированы к физико-механическим свойствам концентрированных органических удобрений и не определены режимные параметры их внесения. Поэтому адаптация серийно выпускаемых машин для внесения ТОУ применительно к внесению КОУ требует дополнительных перенастроек их режимных и технологических параметров.

Анализ машин и оборудования для поверхностного внесения КОУ
показал следующее.

Известно бункерное устройство, устанавливаемое на сеялки типа аппарата Шлера для внесения трудносыпучих материалов [83]. Недостатком такого оборудования является низкая надежность технологического процесса внесения удобрений и высокая неравномерность их распределения по поверхности почвы.

Во ВНИПТИМЭСХ совместно с АЧГАА (г. Зерноград) разработано бункерное устройство с подвижной стенкой и механизмом привода, а также пневматическим выгрузным рабочим органом [84] (рис. 4.24).

Передняя стенка установлена на расстоянии от подвижной стенки, образуя выгрузную щель для подачи удобрений на скатную доску. Скатная доска имеет ребристую поверхность, обеспечивающую равномерное распределение удобрений по поверхности поля независимо от изменения рельефа. Пневматический выгрузной рабочий орган перемещается синхронно с подвижной стенкой. Его отверстия установлены на уровне верхней линии подвижной стенки.

На выгрузном рабочем органе установлены клапаны, которые, соприкасаясь с удобрением, открывают отверстия для подачи сжатого воздуха.

1 – корпус; 2 – стенка подвижная; 3 – рабочий орган для подачи воздуха;

4 – дефлектор; 5 – стенка корпуса передняя; 6 – щель выгрузная;

7 – доска скатная; 8 – механизм привода

Рисунок 4.24 – Схема бункерного устройства для поверхностного внесения концентрированных органических удобрений

Бункерное устройство работает следующим образом. После загрузки удобрения в бункер включается механизм привода, начинают синхронно опускаться подвижная стенка и выгрузной рабочий орган с дефлектором. Клапаны выгрузного рабочего органа соприкасаются с удобрениями и
открывают отверстия выгрузного рабочего органа, через которые подается сжатый воздух. Воздушный поток захватывает частицы удобрений с поверхности бункера и направляет их в выгрузную щель. Частицы удобрений попадают на скатную доску и далее распределяются равномерно по поверхности поля перед сошниками сеялки.

Когда выгрузной рабочий орган и подвижная стенка достигают нижнего положения, механизм привода отключается, и они возвращаются в исходное положение. При этом под действием пружин клапаны закрывают отверстия выгрузного рабочего органа, и подача воздуха прекращается.

Разработанное бункерное устройство к сельхозмашинам не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду, так как является составной частью серийно выпускаемых технологических машин и обеспечивает
поверхностное распределение КОУ по полю с одновременной их заделкой
в почву сошниками.

В качестве базы для создания технического средства, обеспечивающего поверхностное внесение КОУ, использованы машины типа РУМ (МВУ).

Учеными ВНИПТИМЭСХ совместно с АЧГАА разработана машина на базе РУМ-8, отличительной особенностью которой является совмещение центробежного разброса с пневматическим (рис. 4.25) [9].

1 – кузов машины; 2 – вентилятор высоконапорный; 3 – воздуховод;

4 – транспортер донный; 5 – диск центробежный; 6 – заслонка регулировочная

Рисунок 4.25 – Схема внесения КОУ на базе РУМ-8 конструкции

ВНИПТИМЭСХ-АЧГАА

Технологический процесс протекает следующим образом. В процессе работы концентрированные органические удобрения донным транспортером подаются на выгрузку, где на выходе из бункера делятся на три потока. Первый поток подается на центробежный ротор, которым удобрение разбрасывается по сектору симметрично оси движения агрегата. Второй и третий потоки подхватываются воздухом и распределяются влево и вправо по ходу движения агрегата.

Общий вид машины показан на рисунках 4.26 и 4.27.

Рисунок 4.26 – Общий вид машины для поверхностного внесения КОУ

с пневмоцентробежным разбрасывающим органом в составе агрегата

Рисунок 4.27 – Машина для поверхностного внесения КОУ

с ветрозащитным устройством

С целью повышения надежности технологического процесса и качества распределения удобрений проведена модернизация разбрасывателя с пневмоцентробежным распределяющим рабочим органом.

Для повышения надежности технологического процесса, направленной на ликвидацию сводов в кузове машины, предлагается установка гидроцилиндров по бокам стенок кузова (рис. 4.28) [85].

1 – ходовая система; 2 – кузов; 3 – стенка боковая подвижная; 4 – транспортер донный;

5 – туконаправитель; 6 – гидроцилиндр; 7 – устройство дозирующее; 8 – устройство

рассеивающее; 9 – шарнир; 10 – салазки направляющие

Рисунок 4.28 – Схема разбрасывателя твердых КОУ

В процессе выгрузки удобрений с разными углами схода частиц и физико-механическими свойствами гидроцилиндры обеспечивают равномерность и синхронность изменения угла наклона боковых стенок относительно днища кузова, обеспечивая тем самым непрерывную подачу удобрений на донный транспортер.

Разбрасыватель минеральных и концентрированных органических удобрений включает в себя ходовую систему 1 (см. рис. 4.28) с установленным на ней кузовом 2 с двумя боковыми подвижными стенками 3, донным транспортером 4 и туконаправителями 5, четыре гидроцилиндра 6, дозирующее устройство 7 и рассеивающие устройства 8. Каждая боковая подвижная стенка 3 закреплена в нижней части при помощи шарниров 9. В средней части (по длине) боковых подвижных стенок 3 установлены гидроцилиндры 6, посредством которых по направляющим салазкам 10, расположенным на
передней и задней стенках кузова 2,обеспечивается возможность изменения угла наклона боковых подвижных стенок 3 до вертикального положения.

Разбрасыватель концентрированных органических удобрений работает следующим образом.

Удобрения загружаются в кузов (см. рис. 4.28) и дозирующее устройство устанавливается в положение, обеспечивающее подачу транспортером необходимых доз удобрений на рассеивающие устройства через туконаправители. При движении агрегата по полю при включенном ВОМ удобрения из кузова через дозирующее устройство транспортером направляется в туконаправители, где распределяясь на два потока, попадают на рассеивающие устройства центробежного типа, которые распределяют их по поверхности почвы. При уменьшении массы удобрений в кузове до 0,5 объема кузова посредством гидроцилиндров боковые стенки перемещаются по направляющим салазкам до вертикального положения, обеспечивая полную выгрузку из кузова удобрений.

По окончании выгрузки боковые стенки посредством гидроцилиндров возвращаются в исходное положение.

Для повышения качества распределения КОУ предложена доработка технологической машины (рис. 4.29, 4.30) [86].

Разбрасыватель концентрированных органических удобрений включает в себя ходовую систему 1 (см. рис. 4.29) с установленным на ней кузовом 2 с двумя боковыми подвижными стенками 3, донный транспортер 4 и туко-направитель 5 , гидроцилиндры 6, дозирующее устройство 7 и рассеивающие устройства в виде центробежного диска 8. Каждая боковая подвижная стенка 3 закреплена в нижней части при помощи шарниров 9.

В средней части (по длине) боковых подвижных стенок 3установлены гидроцилиндры 6, посредством которых по направляющим салазкам 10,

расположенных на передней и задней стенках кузова 2, обеспечивается возможность изменения угла наклона боковых подвижных стенок 3 до вертикального положения.

1 – ходовая система; 2 – кузов; 3 – стенка боковая подвижная; 4 – транспортер донный;

5 – туконаправитель; 6, 16, 17 – гидроцилиндр; 7 – устройство дозирующее;

8 – устройство рассеивающее; 9 – шарнир; 10 – салазки направляющие; 11 – вентилятор; 12 – воздуховод; 13 – устройство поворотное; 14 – насадка; 15 – заслонка регулировочная; 18 – рычаг включающий

Рисунок 4.29 – Схема процесса внесения твердых КОУ

Рисунок 4.30 – Схема изменения угла наклона насадок

(обозначения см. на рис. 4.29)

В боковинах кузова установлены два вентилятора 11 с поворотными устройствами 13, закрепленными между воздуховодами 12 и насадками 14 воздуховодов 12, а также телескопическое устройство, включающее рычаги 18 (см. рис. 4.30) и гидроцилиндр 17. Насадки 14 выполнены с регулировочными заслонками 15 с возможностью изменения их угла наклона посредством гидроцилиндров 16.

Разбрасыватель концентрированных органических удобрений работает следующим образом.

Удобрения загружаются в кузов (см. рис. 4.29), дозирующее устройство устанавливается в положение, обеспечивающее подачу донным транспортером заданных доз удобрений на рассеивающее устройство в виде центробежного диска и к насадкам через туконаправитель.

При движении агрегата по полю, при включенном вале отбора мощности (ВОМ) удобрения из кузова через дозирующее устройство донным транспортером тремя потоками по разделителю направляются в туконаправитель, а затем подается на рассеивающее устройство в виде центробежного диска и к насадкам. В зависимости от выбранной ширины разбрасывания удобрений поворотные устройства устанавливаются на необходимый угол наклона насадок к поверхности поля, посредством телескопического устройства (см. рис. 4.30), включающего гидроцилиндр и рычаги. Регулировочные заслонки установлены в нижней части насадок под углом к их основанию с возможностью изменения угла наклона гидроцилиндрами, что обеспечивает требуемую равномерность внесения удобрения на поверхность поля.

Данные по определению доз внесения твердых КОУ предложенной машиной представлены в таблице 4.5.

Технико-эксплуатационные показатели машины представлены в таб-лице 4.6.

Таблица 4.5 – Определение технологических параметров машины для

малообъемного поверхностного внесения твердых КОУ

Таблица 4.6 – Технико-эксплуатационные показатели машины на базе РУМ-5

для поверхностного внесения КОУ

4.2.2 Технические средства для внутрипочвенного внесения

твердых КОУ

Машины и оборудование для внутрипочвенного внесения концентрированных органических удобрений.

Для внутрипочвенного внесения КОУ во ВНИПТИМЭСХ совместно с АЧГАА разработаны туковые ящики к пропашным сеялкам и культиваторам- растениепитателям, особенностью которых является надежность технологических процессов выгрузки удобрений за счет исключения уплотнения трудносыпучей массы [87].

Указанный результат достигается тем, что корпус имеет наклонно
расположенные боковые стенки, а устройство для разрушения сводов выполнено из вала, на котором закреплены сводоразрушающие пластины и ролики для взаимодействия с закрепленным на конце вала шнека кулачком для
обеспечения преобразования вращательного движения вала шнека в возвратно-поступательное перемещение устройства для разрушения сводов (рис. 4.31).

Бункерное устройство включает корпус с наклонно установленными боковыми стенками с верхним загрузочным окном. В нижней части корпуса расположен шнек с левой и правой навивками спирали, два выгрузных патрубка и устройство для разрушения сводов.

На одном конце вала выгрузного шнека установлен приводной вал, а на другом конце – кулачек, который через ролики ограничителей соединен с валом устройства для разрушения сводов с вертикально расположенными сводоразрушающими пластинами.

1 – корпус; 2 – загрузочное окно; 3 – шнек с левой и правой навивками спиралей;

4 – выгрузные патрубки; 5 – вал выгрузного шнека; 6 – приводной вал; 7 – кулачек;

8 – ролик; 9 – ограничитель; 10 – вал сводоразрушающего устройства;

11 – сводоразрушающие пластины

Рисунок 4.31 – Схема бункерного устройства

для внутрипочвенного внесения КОУ

Бункерное устройство работает следующим образом.

После загрузки КОУ в корпус, посредством приводного вала передается вращение выгрузному шнеку, который транспортирует материал к выгрузным патрубкам. При этом закрепленный на валу шнека кулачек, вращаясь, воздействует на ограничители через ролики, преобразовывая вращательное движение вала в возвратно-поступательное перемещение пластин сводоразрушающего устройства. Пластины, постоянно воздействуя на материал над выгрузным неком, препятствуют образованию сводов в надшнековом пространстве, обеспечивая тем самым беспрепятственный сход материала по наклонным боковым стенкам корпуса в направлении выгрузного шнека.
За один оборот вала шнека кулачек перемещает поступательно пластины на расстояние, равное ширине кулачка. Конструкция стенок бункерного устройства в сочетании с кинематикой движения пластин исключает зависание материала на стенках бункера.

Благодаря синхронной работе выгрузного шнека и сводообразующих пластин, обеспечиваются равномерная подача материала в межвитковое пространство выгрузного шнека, который дозировано выгружает удобрения, и высокая надежность технологического процесса.

Общий вид бункерного устройства представлен на рисунке 4.32, сводоразрушающего устройства – на рисунке 4.33.

Рисунок 4.32 – Общий вид бункерного устройства с приводом

для внутрипочвенного внесения КОУ

Рисунок 4.33 – Общий вид сводоразрушающего устройства

На основе проведенных исследований построена номограмма для определения технологических параметров оборудования для внесения КОУ пропашными сеялками и культиваторами-растениепитателями (рис. 4.34).

Из номограммы видно, что с увеличением передаточного отношения на привод вала шнека выгрузного устройства туковых ящиков доза удобрений, вносимых в рядок, растет, принимая значения от 297 до 4237 кг/га. При этом чем выше плотность удобрений, тем больше доза их внесения. Одновременно с увеличением передаточного отношения растет и общая доза вносимых удобрений (Д₂). Наименьшее значение Д₂ = 8,5 кг/га для СУПН-8 и 17,0 кг/га для КРН-5,6. Наибольшее значение Д₂ для СУПН-8 – 121,0 кг/га, для
КРН-5,6 – 242 кг/га. Площадь удобрений (за одну заправку туковых ящиков), вносимых агрегатами с увеличением их дозы, уменьшается от 13,2 до 1,3 га.

Задаваясь дозой, необходимой для внесения концентрированных удобрений (например, рядок Д₁= 600 кг/га), выбираем передаточное отношение
i = 0,126 (ρ_у = 700 кг/м³), или i = 0,151(ρ_у – 600 кг/м³), или i = 0,180( ρ_у =
500 кг/м³) (см. рис. 4.34).

При этом доза вносимых удобрений на гектар посевной площади Д₂ составляет для СУПН-8 17,5 кг, для КРН-5,6 – 35 кг. Одновременно определяем исходя из плотности вносимых удобрений, что за одну загрузку туковых ящиков можно обработать от 11,2 до 12,3 га.

Номограмма позволяет определить технологические параметры агрегата, задаваясь передаточным отношением на привод рабочих органов туковых ящиков базовых машин.

Например, приняв i = 0,353, можем, в зависимости от плотности удобрений, внести в рядок от 1120 до 1630 кг/га, что будет соответствовать дозе на гектар посевной площади для СУПН-8 от 32 до 44 кг, для КРН-5,6 – от 64 до 88 кг.

1 – ρ_у=500 кг/м³; 2 – ρ_у=600 кг/м³; 3 – ρ_у=700 кг/м³

Рисунок 4.34 – Номограмма для определения технологических

параметров агрегатов на базе СУПН-8 и КРН-5,6 для внесения КОУ

Производственная проверка оборудования для внутрипочвенного внесения концентрированных органических удобрений проводилась в хозяйствах Ростовской области одновременно с посевом кукурузы на зерно и подсолнечника СУПН-8 (рис. 4.35) и в подкормку с использованием КРН-5,6 (рис. 4.36).Полученные результаты позволяют рекомендовать оборудование к широкому внедрению [88].

Рисунок 4.35 – Общий вид агрегата на базе СУПН-8

Рисунок 4.36 – Общий вид агрегата на базе КРН-5,6

Таким образом, исходя из физико-механических свойств жидкого, полужидкого и твердого навоза, а также полученных на их основе органических удобрений, исследованы конструкции рабочих органов машин и оборудования, получены их конструктивные и режимные параметры. Широкая производственная проверка машин и оборудования для производства и применения органических удобрений позволяет рекомендовать их для внедрения в типовых севооборотах Северо-Кавказского региона, что положительно скажется на плодородии почв и получении дополнительных объемов выращиваемых сельскохозяйственных культур с учетом агроэкономических и экологических требований.

Выводы по главе

1. Разработаны новые технологические решения по подготовке стоков для орошения пастбищ. В основу биотехнологии ускоренной подготовки стоков и жидкого навоза положены принципы механического разделения их на фракции с последующей подготовкой жидких КОУ с применением БАД, что ускоряет процессы их подготовки в значительно меньшие сроки, чем по традиционным технологиям. Для реализации биотехнологии разработаны и частично внедрены технические средства и машины, основными из которых являются: стационарный растворный узел для переработки стоков; мобильный агрегат с автономной системой перемешивания компонентов и одновременным внесением; технологическая линия для тонкой очистки жидкого навоза с получением жидкой фракции влажностью более 99%, состоящая из мобильной установки для разделения навоза на фракции, тонкослойного отстойника, напорной флотационной установки, ленточного вакуум-фильтра.

Применительно к переработке стоков свиноводческих предприятий конечные физико-химические показатели составляют при рН 7,5–8,0: наличие взвешенных веществ 0,3 мг/л, ХПК 1,0 мг/л, БПК₅ 0,3 мг/л, азот аммонийный 0,5 мг/л, фосфаты 0,01 мг/л, что соответствует ПДК и может использоваться для орошения пастбищ.

2. Новым технологическим решением при переработке твердого навоза и твердой фракции является метод ускоренного компостирования компонентов с использованием БАД. Определены режимные и технологические параметры процесса, позволяющие в течение 7–12 суток готовить твердые КОУ, которые вносятся с дозой 1,0–4,0 т/га.

Разработан и внедрен разбрасыватель на базе машин РУМ (МВУ) с пневмоцентробежным распределяющим рабочим органом, позволяющим вносить заданные дозы на рабочую ширину внесения 8 м с высоким качеством их распределения по ширине и ходу движения агрегата (равномерность внесения более 90%). Для повышения надежности технологического процесса (удаления сводов) доработана конструкция кузова технологической машины.

Для внутрипочвенного внесения разработана принципиально новая конструкция туковых ящиков со сводоразрушающим устройством, которое устанавливается на пропашные сеялки СУПН-8 и культиваторы-растение-питатели КРН-4,6.

3. Разработаны системы ускоренного обеззараживания стоков и жидкого навоза с использованием ветроротора Савониуса, который позволяет ускорить процессы аэробного окисления с помощью возобновляемого источника энергии – энергии ветра. При этом глубина перемешивания смеси достигает до 2,5–3,0 м при частоте вращения лопаток 132 мин^-1 при площади ветролопастей 4 м² (4 штуки на 1 м²).

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ УСКОРЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СТОКОВ И НАВОЗА ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОГО ОРОШЕНИЯ ПАСТБИЩ И УДОБРЕНИЯ ПОЛЕЙ ДЛЯ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР В ЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА

Оросительная мелиорация является наиболее водоемкой отраслью сельского хозяйства и служит гарантом получения высоких урожаев экологически безопасной сельскохозяйственной продукции в условиях засушливых зон Юга России. Однако крайне неблагоприятная экологическая обстановка не только в сфере водопользования, но и на орошаемых полях приобретает характер техногенной катастрофы. При этом работа дренажа в контуре влияния оросительных систем превращает весь комплекс сооружений в своеобразное «предприятие» по производству огромного количества загрязнителей, которые поступают в поверхностные и подземные водные объекты. Качество природной воды, забираемой на полив, низкое из-за контакта со сточными водами населенных пунктов, различных предприятий.

Оросительные системы в настоящее время не оборудованы устройствами для водоподготовки в связи с несовершенством и дороговизной. При этом Водный кодекс Российской Федерации запрещает сброс неочищенных сточных вод в водные объекты.

Таким образом, функционирование оросительных систем и систем дренажа, не оборудованных очистными сооружениями и специальным оборудованием, оказалось вне правового поля.

Основным поставщиком воды для мелиорации (более 80%) в Ростовской области является р. Дон. В 2020 г. р. Дон обмелела до критического уровня (до перехода её вброд). Одной из основных причин является малопродуктивный забор воды для орошения сельскохозяйственных угодий через систему земляных каналов, что способствует значительным потерям дефицитной воды.

В связи с возрастающим дефицитом водных ресурсов и развитием животноводства на первый план выходит решение задач: обеспечение кормовой базы для животных и утилизация стоков и навоза животноводческих предприятий. В Ростовской области производится ежегодно более 3,2 млн. тонн органических отходов различной консистенции. Использование органических отходов для орошения пастбищ и удобрения полей под кормовые культуры позволит на 15–25% увеличить количество производимых кормов и повысить рентабельность животноводства.

5.1 Состав и характеристика технических средств рекомендуемой ускоренной биотехнологической подготовки стоков и навоза для орошения пастбищ и удобрения полей под кормовые культуры

Выбор ускоренной биотехнологии и технических средств для её реализации зависит от влажности перерабатываемых органических отходов (стоки, жидкий навоз, подстилочный навоз), анализ которых подробно описан в предыдущих главах данного исследования.

Комплекс машин для производства жидких и твердых КОУ представлен в таблицах 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1 – Комплекс машин для ускоренного производства жидких КОУ

Продолжение таблицы 5.1

Таблица 5.2 – Комплекс машин для ускоренного производства твердых КОУ

Окончание таблицы 5.2

5.2 Управление процессом созревания буртов

Перемешивание навоза в буртах осуществляется самоходным ворошителем с установленной на нем системой внесения БАД и контроля параметров [89].

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Навоз транспортируется на площадку для буртования и формируется в бурты при одновременном смешивании с жидкой БАД. Через 4–6 часов производится замер температуры и влажности навоза в начале, середине и конце бурта с одновременным перемешиванием слоев и повторным внесением жидкой БАД. Бортовой компьютер производит анализ полученных результатов замеров. При получении в результате замеров в контрольных точках температуры меньше 65ºС и влажности больше 70% через 8 часов процесс замера и перемешивания повторяется до достижения значений контролируемых показателей. После достижения в контрольных точках значений температуры 65ºС
и влажности менее 70% и выдерживании этих показателей в течение 24 часов процесс компостирования считается завершенным и полученные КОУ готовы к использованию.

Устройство для реализации предлагаемого способа (рис. 5.1) содержит установленную на корпусе самоходного ворошителя буртов неподвижную раму, соединенную со сканирующей рамой и механизмом перемещения рамы. Сканирующая рама вынесена вперед по направлению движения самоходного ворошителя буртов на 2 м, что позволяет сканировать температуру и влажность непосредственно в центре (ядре) навозного бурта. Сканирующая рама состоит из поперечной планки с жестко закрепленными на ней сканирующими стержнями треугольной формы. На каждом сканирующем стержне установлены датчики температуры и датчики влажности (рис. 5.1, А-А), которые в рабочем состоянии при погружении сканирующих стержней в навозный бурт, замеряют температуру и влажность в контрольных точках бурта, схема которых представлена на рисунке 5.2. В качестве датчиков влажности применяются емкостные датчики, которые фиксируют изменение емкости при изменении влажности находящегося между пластинами датчика вещества. Подъем и опускание сканирующей рамы осуществляется с помощью механизма перемещения рамы, расположенного в центре неподвижной рамы. Механизм перемещения рамы (рис. 5.3) состоит из неподвижного стержня с резьбой, нижней частью закрепленного по центру подвижной сканирующей рамы. На неподвижном стержне вращается на опорном подшипнике, установленном на неподвижной раме, шестерня, которая приводится в движение входящей в зацепление с ней шестерней меньшего диаметра, закрепленной на валу реверсивного электродвигателя. Также на сканирующей раме расположены конечный выключатель верхнего положения и конечный выключатель нижнего положения. Для предотвращения перекоса и разворота сканирующей рамы при ее вертикальном перемещении предусмотрены две направляющих, закрепленных на сканирующей раме и проходящих через отверстия в неподвижной раме.

1 – корпус; 2 – неподвижная рама; 3 – рама сканирующая подвижная; 4 – механизм перемещения рамы; 5 – планка поперечная; 6 – стержень сканирующий; 7 – датчик температуры; 8 – датчик влажности; 9 – стержень неподвижный; 10 – подшипник опорный; 11, 12 – шестерня; 13 – ограничитель поворота (см. рис. 5.3): 14, 15 – направляющие;

16, 17 – верхний и нижний телескопические кожухи; 18 – излучатель лазерный;

19 – датчик оптический; 20 – компьютер бортовой; 21, 22 – конечные выключатели верхнего и нижнего положений; 23 – пластина; 24 – емкость; 25 – клапан электромагнитный; 26 – форсунка; 27 – электродвигатель реверсивный

Рисунок 5.1 – Устройство для ускоренного компостирования

органических отходов

Стержень защищен от влаги и пыли верхним и нижним телескопическими кожухами, один из которых при перемещении сканирующей рамки раскрывается, а другой закрывается. На неподвижной раме также закреплена пластина с манжетами из эластичного вещества, лазерный излучатель с одной стороны и оптический датчик приема лазерного луча – с другой. Возле рабочего места оператора ворошителя расположен бортовой компьютер. Система внесения биологически активной добавки содержит емкость, электромагнитный клапан для регулирования доз БАД и форсунки для ее внесения.

Рисунок 5.2 – Схема расположения контрольных точек сканирования

сечения навозного бурта

Рисунок 5.3 – Схема механизма подъема сканирующей рамы

(обозначения см. на рис. 5.1)

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На рисунке 5.1а показан самоходный ворошитель буртов с устройством в транспортном положении. На рисунке 5.1б показан самоходный ворошитель буртов с устройством в положении сканирования температуры и влажности бурта. На рисунке 5.2 показана схема контрольных точек сканирования навозного бурта, на рисунке 5.3 – механизм подъема сканирующей рамы, на рисунке 5.4 – схема прохода ворошителя буртов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Самоходный ворошитель буртов, управляемый оператором, подъезжает к контрольной точке А (см. рис. 5.4) в начале бурта, край которого определяется перекрытием лазерного луча, излучаемого лазерным диодом. Оптический датчик приема лазерного луча передает сигнал о соответствии положения сканирующего устройства контрольной точке замера. Бортовой компьютер, расположенный в кабине оператора, подает сигнал на включение электродвигателя в режим опускания сканирующей рамы. На перемещающем механизме расположены конечный выключатель верхнего положения и конечный выключатель нижнего положения сканирующей рамы, подающие сигнал на бортовой компьютер об остановке механизма перемещения для предотвращения повреждения при движении вверх или заглублении сканирующих стержней ниже контрольных точек при движении вниз. После срабатывания конечного выключателя нижнего положения, бортовой компьютер запускает программу опроса датчиков температуры и влажности. После сохранения полученных значений температуры и влажности, эти параметры привязываются координатно с помощью спутниковой системы связи Global Positionning Sistem. («В будущее с системой «Global Positioning Sistem (GPS). Проспект фирмы «Massey Fergusson») и с координатной привязкой записываются в память бортового компьютера. Бортовой компьютер подает сигнал на запуск вращения электродвигателя в направлении, соответствующем подъему сканирующей рамы. Для очистки сканирующих стержней от остатков налипшего при сканировании навоза с целью исключения погрешностей при измерении, на неподвижной рамке жестко закреплена пластина с манжетами из эластичного вещества. При срабатывании конечного выключателя верхнего положения происходит отключение электродвигателя, и сканирующая рама останавливается. Бортовой компьютер подает сигнал на перемещение самоходного ворошителя буртов к следующей контрольной точке Б (см. рис. 5.4), расстояние до которой определяется координатно с помощью спутниковой системы связи (GPS) и процесс сканирования повторяется. Параллельно, при перемещении к следующей контрольной точке Б, самоходный ворошитель буртов производит перемешивание слоев бурта с повторным его формированием. Завершается процесс сканирования в точке В (см. рис. 5.4). После завершения процесса сканирования с помощью программного обеспечения производится обработка полученных данных с целью определения сроков следующего сканирования и ворошения бурта, а также внесения жидкой БАД.

Ворошитель

Сканирующие

устройство

Бурт

Рисунок 5.4 – Схема прохода ворошителя буртов

После получения результата обработки данных сканирования, самоходный ворошитель буртов разворачивается, подходит к точке В с противоположной стороны бурта и начинает выполнять обратное перемещение, производя, в соответствии с определенным программным обеспечением режимом ворошение бурта с внесением или без внесения БАД. В случае выбора режима внесения БАД электромагнитный клапан для регулирования доз БАД, управляемый бортовым компьютером, включает подачу из емкости биологически активной добавки, определенной программным обеспечением дозы, через форсунки для ее внесения.

Предлагаемые способ и устройство ускоренного компостирования органических отходов позволяют ускорить процесс термического обеззараживания твердого навоза, что способствует снижению загрязнения органическими отходами животноводства окружающей среды и получить высококачественное концентрированное органическое удобрение.

Биотехнологические решения по подготовке животноводческих стоков для орошения пастбищ и подстилочного навоза для удобрений полей при выращивании кормовых культур представлены ни рисунках 5.5 и 5.6.

Рисунок 5.5 – Технологические решения по подготовке стоков и жидкой фракции навоза для орошения пастбищ

Рисунок 5.6 – Технологические решения по подготовке подстилочного навоза для удобрения полей

при выращивании кормовых культур

5.3 Охрана окружающей среды и экономические требования к технологиям производства и использования органических удобрений

5.3.1 Техника безопасности и производственная санитария

Безопасность производственных процессов удаления, обработки, хранения навоза, производства из него органических удобрений и использования на сельскохозяйственных угодьях должна быть обеспечена:

– выбором применяемых технологических процессов, приёмов, режимов работы и порядка обслуживания производственного оборудования;

– применением индивидуальных средств защиты работающих;

– отвечать требованиям ГОСТ 12.3.002.75 ССБТОСТ 46.3.2.196-85 ССБТ, ОСТ 10132-96, ОСТ 10133-96 [90].

Дополнительные требования безопасности, предъявляемые к операциям, не предусмотренным типовой операционной технологией, должны быть установлены нормативно-технической документацией, утвержденной в установленном порядке.

При работе со стационарными навозоуборочными устройствами необходимо руководствоваться требованиями СНИП 11-99-77 [91].

При работе с напорными навозоуборочными устройствами необходимо руководствоваться «Правилами устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных установок, воздупроводов и газопроводов» и «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Требования безопасности при обработке, хранении и использовании навоза заключаются в следующем [92].

Навоз удаляют и обрабатывают в системе, отдельной от системы канализации хозяйственных (не навозных) и дождевых стоков фермы. В состав сооружений для переработки навоза в удобрение должна входить санитарно-бактериологическая лаборатория для повседневного контроля его качества. Для охраны здоровья обслуживающего персонала необходимо предусматривать душ с горячей водой, помещения для приёма пищи, умывальник и туалетные комнаты.

5.3.2 Охрана окружающей среды

В соответствии с требованиями Федерального закона «Об охране
окружающей среды» при проектировании, строительстве и эксплуатации систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета должны соблюдаться требования в области охраны окружающей среды, проводиться мероприятия по охране земель, почв, водных объектов, растений, животных и других объектов. Животноводческие предприятия являются потенциальными источниками загрязнения водных объектов и почвы окружающих территорий органическими массами, содержащими биогенные элементы, и распространения возбудителей болезней, содержащихся в навозе.

Площадь сельскохозяйственных угодий, необходимая для использования навоза, рассчитывается с учетом типа и размера предприятия, количества питательных веществ, содержащихся в навозе, вида возделываемых культур, потребности их в питательных веществах, выноса этих веществ с урожаем сельскохозяйственных культур, доз, сроков внесения и способов заделки их в почву.

Конструктивные решения сооружений сбора, накопления и хранения всех видов навоза должны обеспечивать их герметичность и исключить процессы фильтрации жидкости в грунт и инфильтрации грунтовых вод.

Не допускается размещение сооружений и систем подготовки и
использования всех видов навоза на территориях первого и второго поясов санитарной охраны источников водоснабжения, источников минеральных вод и санитарной зоны курортов.

Не допускается строительство новых, расширение существующих
систем удаления и подготовки навоза к использованию на территории санитарно-защитных зон между предприятиями и поверхностными водными объектами.

Территория для размещения сооружений подготовки к использованию навоза и помета должна соответствовать требованиям СНиП II-97-76.

Площадки сооружений по обработке и использованию навоза следует располагать по отношению к предприятию и жилой застройке с подветренной стороны господствующих ветров в теплое время года.

Площадки сооружений должны иметь зооветеринарные и санитарные защитные разрывы от территорий предприятий и жилой застройки. По периметру площадок сооружений следует предусматривать посадки зеленых насаждений, экранирующие и фильтрующие вредные выбросы.

Здания и сооружения на площадке следует ориентировать длинной стороной вдоль преобладающих ветров, обеспечивающих сквозное проветривание пространства.

Технологии обработки и использования навоза должны обеспечивать уменьшение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу за счет:

– проектирования минимальных площадей открытых накопителей навоза;

– применения биологических, химических, физических и комбинированных методов обработки навоза;

– внесения в навоз различных дезодорирующих добавок (клиноптиломита, гашеной и негашеной извести, железного купороса, персульфата нат-рия, древесных опилок и др.).

Площадки сооружений по обработке и подготовке к использованию навоза следует размещать:

– ниже населенных пунктов и водозаборных сооружений по течению поверхностных водостоков;

– ниже сооружений водоснабжения по рельефу местности.

На животноводческих предприятиях, как правило, должны предусматриваться системы бытовой, производственной и дождевой канализации с очистными сооружениями, обеспечивающими показатели, допустимые для сброса на земледельческие поля орошения (ЗПО) или в водные объекты.

Животноводческие предприятия должны быть обеспечены площадями сельскохозяйственных угодий, достаточными для использования всего объема получаемых органических удобрений, или должна предусматриваться обработка навоза, обеспечивающая уменьшение объемов получаемых удобрений, с возможностью вывоза их на дальние расстояния.

Все виды навоза КРС, вносимые в почву в качестве органического удобрения, не должны содержать патогенные микроорганизмы.

Основными критериями оценки экологической безопасности использования органических удобрений являются: их воздействие на плодородие почв, качество сельскохозяйственной продукции, уровни загрязнения воз-духа, воды, земли, засоренность полей, фитосанитарное состояние посевов, здоровье населения и животных (табл. 5.3).

Таблица 5.3 – Экологическая оценка влияния различных видов органических

удобрений на состояние окружающей среды

Примечание: во – влияние отсутствует; нв – незначительное влияние; зв – значительное

влияние; св – сильное влияние.

Из таблицы 5.3 видно, что наименьшее влияние на окружающую среду оказывают КОУ, наибольшее – полужидкое ОУ.

Нарушение регламентов производства, хранения, транспортировки и применения органических удобрений обуславливают химическое и биологическое загрязнения окружающей среды.

Навоз относится к категориям нестабильных органических контаминаторов, в 1 мг которых может содержаться до 170 млн. шт. микроорганизмов, в том числе патогенных, вызывающих эпидемии и эпизоотии. Согласно данным Всемирной Организации Здравоохранения, экскременты определены как фактор передачи более 100 возбудителей болезней животных, птицы, человека с большим сроком выживаемости (табл. 5.4) [93].

Таблица 5.4 – Сроки выживаемости возбудителей болезней

С навозом преимущественно передаются бруцеллёз, колибактериоз, сальмонеллёз, паратуберкулёз, чума КРС, столбняк, некробактериоз и др.,
в навозе в большом количестве могут присутствовать возбудители инвазии: аскаридоза, трихоцефалеза, эзофагостемоза и другие. Попадая с навозом в естественные водоёмы, патогенные микроорганизмы, яйца гельминтов способны вызывать вспышки болезней далеко вниз по течению от первичного эпизодического очага.

По химической природе навоз является сложной органоминеральной системой с высоким содержанием экологически опасных веществ. Расчёты, проверенные по величине популярного эквивалента, показали, что навоз может загрязнить окружающую среду в 10 раз интенсивнее, чем коммунально-бытовые отходы. Среднее количество экскрементов от 1 головы КРС равноценно их количеству от 15 человек. Животноводческая ферма на 500 коров сталкивается с проблемой утилизации такого же количества отходов, как посёлок с 7500 жителями.

В экологическом отношении чрезвычайно важным является вопрос о дозах вносимых органических удобрений. Санитарная способность почвы имеет определенные границы. Исследованиями установлено, что для 1 га пашни оптимальны отходы от 2–3 дойных коров или от 5 телок, или от 25 свиней. Ненормированное бесконтрольное применение органических удобрений усиливает дегумификацию, эрозионные процессы в почве, повышает накопление в ней токсичных соединений, вызывает частичную или полную утрату плодородия почв, химическое и биологическое загрязнение грунтовых, поверхностных вод, продукции растениеводства.

Благополучие экологической обстановки в районе расположения фермы определяется рядом факторов: соответствием выбора места их строительства действующим нормам и правилам; эффективностью применяемых технологий удалений, обработки, хранения, производства и использования органических удобрений; уровнем технологической дисциплины; квалификацией специалистов и др.

Территория местности, отводимая для сооружений по подготовке и хранению КОУ, должна быть, по возможности, не сельскохозяйственного назначения.

Все строительные элементы системы по обработке и хранению навоза, начиная от каналов в животноводческих помещениях и кончая полевыми навозохранилищами, должны обеспечиваться надежной гидроизоляцией, исключающей фильтрацию навозных стоков в грунт и инфильтрацию грунтовых вод в сооружения по транспортировке и хранению навоза.

Все операции по обработке и хранению навоза должны быть механизированы и обеспечены контрольно-измерительными приборами.

5.3.3 Производство органических удобрений

Качество производимых органических удобрений должно удовлетворять требованиям нормативов (технических условий):

1. Содержание токсичных соединений (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов) в сухом веществе органических удобрений не должно превышать соответствующие показатели ОСТов.

2. Органические удобрения должны быть обезврежены и обеззаражены. Для этого применяют биологические, химические и физические способы.

Контроль за эффективностью обеззараживания органических удобрений, получаемых на ферме в периоды вспышек инфекционных болезней животных, осуществляют микробиологическими методами по выживаемости индикаторных микроорганизмов: бактерий группы кишечных палочек, стафилококков [94].

Обеззараживание органических удобрений считают эффективным при отсутствии в 10 см³ пробы кишечных палочек, стафилококков, энтерококков в зависимости от вида возбудителей инфекционных болезней при трехкратном исследовании.

Качество обеззараживания навоза от возбудителей паразитных болезней контролируют по наличию погибших яиц аскариды, личинок стронжлят и других в единице объема отбираемой пробы (100–150 г набора) при трехкратной повторности.

Бактериологический и гельминтологический (паразитологический) контроль обеззараживания навоза осуществляют специалисты ветеринарной лаборатории.

Физико-механические характеристики получаемых органических удобрений должны соответствовать требованиям с учетом условий качественного их внесения существующей сельскохозяйственной техникой (табл. 5.5).

Таблица 5.5 – Физико-механические характеристики органических

удобрений

5.3.4 Хранение органических удобрений

Подстилочный навоз и компост хранят на площадках с твердым покрытием, препятствующим инфильтрации удобрений в почву и грунтовые воды. Площади хранения должны быть оборудованы устройствами для защиты от заливания дождевыми и талыми водами.

Полученные КОУ в пылевидной или гранулированной форме могут храниться в расфасованном виде (мешки массой от 35 до 1000 кг) и россыпью в буртах. Хранение производится в полузакрытых или закрытых помещениях, исключающих попадание влаги и солнечного света.

5.3.5 Использование органических удобрений

К использованию допускаются органические удобрения благополучные по ветеринарно-санитарным и гигиеническим характеристикам.

Площадь сельскохозяйственных угодий, необходимых для утилизации органических удобрений, ориентировочно устанавливается по азоту – N 2000 кг/га (без орошения) и N 300 кг/га (при орошении).

Не допускается использование органических удобрений на затапливаемых полях.

Органические удобрения запрещается применять в водоохранной зоне рыбохозяйственных водоемов, прибрежных полосах рек и закрытых водоемах. Ширина водоохраной зоны определяется длиной реки (табл. 5.6).

Таблица 5.6 – Ширина водоохраной зоны при использовании органических

удобрений

При использовании органических удобрений необходимо максимально предотвратить потери из них биофильных элементов. После внесения органических удобрений суммарное содержание тяжелых металлов и остаточных количеств пестицидов в почве с учетом их рассеивания в пахотном слое не должно превышать предельных и ориентировочно допустимых (ПДК, ОДК) концентраций.

Дозы внесения органических удобрений должны быть приближены к относительным и рассчитаны с учетом выноса питательных веществ запланированным урожаем и их содержанием в удобрениях.

Во избежание загрязнения воздуха, водных источников, потерь питательных элементов необходимо обеспечить быструю заделку органических удобрений, по времени не превышающую 2–4 часа после их поверхностного внесения. Заделка удобрений производится, как правило, на глубину пахотного слоя.

При внесении органических удобрений необходимо соблюдать следующие агротехнические требования:

– неравномерность распределения по ходу движения агрегата – не более 10%, по рабочей ширине захвата – не более 25%;

– отклонение фактической дозы от заданной не должно превышать 10%.

В целях ограничения потерь удобрений, снижения нагрузок на окружающую среду необходимо:

– на полях с неспокойным рельефом удобрения вносить внутрипоч-венно;

– на полях с уклоном более 3^опроводить противоэрозионную обработку почвы, глубокую вспашку, рыхление подпахотного слоя, кротование и т.д.

Сроки внесения жидких органических удобрений следует приблизить к периоду начала вегетации растений.

Залогом экологической безопасности при использовании органических удобрений являются:

– производство высококачественных, обеззараженных и обезвреженных органических удобрений, соответствующих требованиям технических условий;

– экологически чистое хранение органических удобрений с минимальными потерями органического вещества, биогенных элементов;

– применение экологически безопасных органических удобрений в нормах, соответствующих потребностям выращиваемых культур в элементах питания с учетом почвенного плодородия в оптимальные сроки;

– организация систематического и периодического контроля за состоянием окружающей среды и технического контроля за работой сооружений, оборудования по обработке и утилизации навоза.

6 СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ КАЧЕСТВЕННОГО ОРОШЕНИЯ ПАСТБИЩ И УДОБРЕНИЯ ПОЛЕЙ ДЛЯ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ УСКОРЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СТОКОВ И НАВОЗА В КАЧЕСТВЕ УДОБРЕНИЙ

Социально-экономическая эффективность представляет собой производственные отношения, основанные на системе экономических законов и показателей, а социально-экономический эффект выступает в виде конечного народнохозяйственного результата, который может быть выражен в виде конечного продукта сферы производства, распределения, обмена, потребления и воспроизводства в целом.

Ряд современных экономистов отрицают понятие «социально-эконо-мическая эффективность», аргументируя тем, что социальный и экономический эффект не могут рассматриваться в совокупности, и четко разграничивают понятие «экономическая и «социальная» эффективность. В основе
данного мнения находится различная природа возникновения экономической и социальной эффективности. Экономическая эффективность выступает
результатом материального производства, в то время, как социальная эффективность относится к непроизводственной сфере.

Для полноценной оценки эффективности применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур предлагаем использовать системную модель критериев эффективности организации. Рекомендован системный многопараметрический подход к оценке эффективности в сельскохозяйственных организациях. Это означает, что не существует одного критерия для оценки эффективности применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур. Нет также отдельного критерия, оценивающего удовлетворенность всех конкурирующих стратегических групп.

Критерии эффективности являются некоторыми практическими принципами руководства. В хорошо управляемых организациях смешанные критерии эффективности помогают приспосабливаться к различным ситуациям.

Общий экономический эффект рассматривается как результат только производственной деятельности или как результат всей хозяйственной деятельности предприятия. В первом случае экономическим эффектом является произведенная продукция в натуральном или денежном выражении (валовая, товарная, чистая продукция). Во втором случае принимается во внимание не только производство продукции, но и сбыт, реализация (объем реализованной продукции, прибыль). Продукция выражена в текущих ценах, что позволяет соизмерять результат с затратами. Таким образом, повышение эффективности достигается либо путем сокращения затрат для получения того же по объему производственного результата, либо за счет более медленных темпов увеличения затрат по сравнению с темпами возрастания результата, когда увеличение последнего достигается за счет лучшего использования имеющихся ресурсов.

Социальная эффективность обеспечивается реализацией системы мер, направленных на удовлетворение социально-экономических ожиданий, потребностей и интересов стратегических групп.

Рассмотрим четыре комплексных критерия эффективности применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур (рис. 6.1).

Цели применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур, следующие: восстановление почвенного плодородия пастбищ и полей; обеспечение травостоя пастбищ, орошаемых стоками; повышение урожайности кормовых культур за счет применения органических удобрений.

Реализация указанных целей достигается за счет использования ресурсов: совокупности технологий производства органических удобрений; технологий орошения пастбищ; технических средств, необходимых для реализации применяемых технологий. Ресурсы используются во внутренних технико-технологических процессах, осуществляемых в организации. К внутренним технико-технологическим процессам относятся: удаление навоза и стоков; производство и применение органических удобрений; орошение пастбищ навозными стоками.

Рисунок 6.1 – Подходы к социально-экономической оценке

эффективности применения системы качественного орошения пастбищ

и удобрения полей для кормовых культур

Осуществление указанных технико-технологических процессов приведет к удовлетворению социально-экономических ожиданий, потребностей и интересов стратегических групп. К стратегическим группам относятся следующие. Работники предприятия, получающие возможность материальной и не материальной мотивации. К материальной мотивации относится повышение заработной платы, выплаты премий, надбавок на фоне повышения результативности деятельности в виде роста урожайности сельскохозяйственных культур, увеличения надоя и привеса скота. К не материальным методам мотивации относятся гармоничное развитие личности работника, повышение его квалификации, расширение гибкости и мобильности, формирование
благоприятного социального климата, усиление социальной активности. Стоит отметить в категории данной стратегической группы потенциальных работников предприятия, это жители окружающих территорий, которые заинтересованы в организации новых рабочих мест. Внедрение новых технологий производства и применения органических удобрений способствуют данной тенденции развития предприятия.

Представители государственных надзорных органов, государственные служащие, участвующие и контролирующие экологическую ситуацию в регионе базирования сельскохозяйственного предприятия. При загрязнении окружающей среды, вызванном неправильным обращением с органическими отходами, соответствующие органы имеют право наложить штрафные санкции, согласно действующему законодательству. Однако при выявлении
добросовестного отношения к экологической ситуации, применении современных тенденций науки при переработке органических отходов, сельхоз-товаропроизводители вправе рассчитывать на государственную поддержку
финансирования технологических процессов производства и применения
органических удобрений.

Потребители продукции предприятия заинтересованы в получении экологически чистой продукции растениеводства и животноводства в количестве, полностью удовлетворяющем их потребности. Продукция высокого качества должна быть доступной ценовой категории. Применение органических удобрений собственного производства и сокращение применения минеральных удобрений способствуют снижению себестоимости производства сельскохозяйственной продукции.

Стоит выделить еще одну потенциальную стратегическую группу – это жители близко расположенных к сельскохозяйственному предприятию населенных массивов. Ожиданиями этой группы является желание жить и работать в экологически чистом районе, без загрязнения водоемов, почв, без
неприятных запахов от объектов животноводства.

Системный многопараметрический подход к оценке эффективности применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур апробирован в ряде сельскохозяйственных организаций Ростовской области. Подход использован в производственной деятельности СПК-колхоза имени С.Г. Шаумяна Мясниковского района, СПК (колхоз) «Родина» Матвеево-Курганского района, ЗАО «Колхоз Советинский» Неклиновского района Ростовской области.

Проанализируем изменение результатов деятельности указанных предприятий при внедрении системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

СПК-колхоз имени С.Г. Шаумяна Мясниковского района один из признанных лидеров аграрного сектора области. Предприятие применяет в производственной деятельности инновационные разработки, перспективные технологии и технические средства растениеводства и животноводства.
В 2012 г. СПК одним из первых в регионе апробировало систему качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур [95]. Рассмотрим влияние применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур на эффективность производственно-хозяйственной деятельности предприятия (табл. 6.1).

Таблица 6.1 – Динамика производственно-хозяйственной деятельности

СПК-колхоза имени С.Г. Шаумяна Мясниковского района

Окончание таблицы 6.1

Анализ производственной деятельности СПК-колхоза имени С.Г. Шаумяна за период 2013–2019 гг. выявил увеличение основных показателей результативности отраслей растениеводства и животноводства. Урожайность кормовых культур повысилась на 180 ц/га, валовое производство молока увеличено на 1684 т, надой на 1 фуражную корову вырос на 771 кг, среднесуточный привес увеличился на 251 г. В целом по отраслям реализация продукции за рассматриваемый период возросла на 358 млн руб., чистая прибыль увеличилась на 107,8 млн руб. Рентабельность реализованной продукции
достигла 24% в 2019 г., что на 5 п.п. больше уровня 2013 года. Рентабельность предприятия в 2019 г. составила 81%, что на 48 п.п. выше значения 2013 г.

СПК (колхоз) «КОЛОС» Матвеево-Курганского района внедрил систему качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур с 2013 г. [96]. Рассмотрим влияние применения системы на показатели производственной и финансового-хозяйственной деятельности предприятия (табл. 6.2).

Период 2014–2019 годов деятельности СПК (колхоза) «КОЛОС» Матвеево-Курганского района ознаменован незначительными изменениями в площади пашни, варьированием площади под кормовыми культурами (рассматривалась кукуруза на силос), незначительным сокращением пастбищ. Предприятие наращивает поголовье КРС – с 1280 гол. в 2014 г. до 2625 гол. в 2019 г., то есть на 1345 голов, в том числе на 694 гол. коров. Надой на фуражную корову вырос с 6212 кг до 7185 кг, то есть на 973 кг. Соответственно, увеличилось валовое производство молока – на 5479 тонны. Среднесуточный привес составил 711 г в 2019 г., что на 159 г больше по отношению к уровню 2014 года.

Таблица 6.2 – Динамика производственно-хозяйственной деятельности

СПК (колхоза) «КОЛОС» Матвеево-Курганского района

Положительные моменты повышения эффективности производственной деятельности отразились в экономических результатах финансового направления предприятия. Выручка от реализации продукции возросла с 264 млн руб. в 2014 г. до 444 млн руб. в 2019 году. Увеличилась за анализируемый период чистая прибыль предприятия с 50 в 2014 г. до 107 млн руб.
в 2019 г., то есть прирост составил 57 млн. руб. Рентабельность реализованной продукции менялась за анализируемый период, на конец 2019 г. составила 24%. Рентабельность предприятия в целом в 2019 г. равна 45%, что на
20 п.п. выше значения рентабельности предприятия 2014 года.

СПК (колхоз) «Родина» Матвеево-Курганского района внедрил систему качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур с 2014 г. [97]. Влияние системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей на показатели производственной деятельности представлены в таблице 6.3.

Таблица 6.3 – Динамика производственно-хозяйственной деятельности

СПК (колхоза) «Родина» Матвеево-Курганского района

СПК (колхоз) «Родина» почти в три раза увеличил площадь под кормовыми культурами с 153 га в 2015 г. до 450 га – в 2019 г. Связано это, в первую очередь, с ростов поголовья КРС в анализируемом периоде. Наметился рост урожайности кормовых культур (кукуруза на силос) – с 650 ц/га в 2015 г. до 818 ц/га в 2019 г. Площадь пастбищ практически не изменилась. Выросли надои молока – на 610 кг на фуражную корову, среднесуточный привес вырос на 89 г.

Показатели экономической эффективности предприятия указывают на рост выручки от реализации продукции растениеводства и животноводства – с 397 млн руб. в 2015 г. до 561 млн руб. в 2019 г. Однако чистая прибыль в рассматриваемый период сократилась – с 121 млн руб. в 2015 г. до 17 млн руб. в 2018 г., в 2019 г. этот показатель составил 77 млн руб. Рентабельность реализованной продукции в 2015 г., начале анализируемого периода, составила 30%, в 2018 г. сократилась до 4%, в 2019 г., в конце рассматриваемого временного интервала, выросла до 14%. Рентабельность предприятия в 2015 г. составила 68%, в 2018 – 5%, в 2019 – 22%. Выявлено снижение показателей за рассматриваемый период: рентабельности реализованной продукции на 17 п.п., рентабельности предприятия на 46 п.п. Данный факт указывает на рост издержек на производство и реализацию продукции предприятия, увеличение ее себестоимости.

Основными показателями производственной деятельности, характеризующими эффективность применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур приняли урожайность кормовых культур, которая должна варьироваться при применении органических удобрений, надой и привес КРС, которые также должны меняться при размещении животных на пастбищах и кормлении их качественными кормами. Изменения указанных показателей в рассматриваемых хозяйствах за период внедрения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур представлены на рисунке 6.2.

На рисунках 6.3 и 6.4 представлена динамика выручки от продаж сельскохозяйственной продукции и чистая прибыль предприятий.

Рисунок 6.2 – Изменения основных показателей производственной

деятельности, характеризующих эффективность применения системы

качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур

Рисунок 6.3 – Выручка от продаж предприятий при внедрении системы

качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур

Рисунок 6.4 – Чистая прибыль предприятий при внедрении системы

качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур

На рисунке 6.5 представлены изменения экономических показателей предприятий за период применения системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур.

Рисунок 6.5 – Изменения экономических показателей деятельности

предприятий при использовании системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур

Рентабельность реализованной продукции рассматриваемых сельхозпредприятий варьировалась в интервале от 4% (СПК (колхоз) «Родина», 2018 г.) до 31% (СПК колхоз имени С.Г. Шаумяна, 2015 г.) (рис. 6.6). Окончание анализируемого периода ознаменовалось ростом данного показателя: в СПК колхоз имени С.Г. Шаумяна и СПК (колхоз) «КОЛОС» рентабельность реализованной продукции составила 24%, в СПК (колхоз) «Родина» – 14%.

Рисунок 6.6 – Динамика рентабельности реализованной продукции

предприятий при внедрении системы качественного орошения пастбищ

и удобрения полей для кормовых культур

СПК колхоз имени С.Г. Шаумяна имеет достаточно высокую рентабельность предприятия – 81% на конец 2019 года (рис. 6.7).

Рисунок 6.7 – Динамика рентабельности предприятий при внедрении

системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей

для кормовых культур

В СПК (колхоз) «КОЛОС» рентабельность предприятия на конец анализируемого периода составила 45%, в СПК (колхоз) «Родина» – 22%.

На основе проведенных аналитических исследований производственной и финансовой деятельности предприятий СПК-колхоз имени С.Г. Шаумяна, СПК (колхоз) «КОЛОС» и СПК (колхоз) «Родина» выявили следующее. Внедрение системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур положительно отразилось на результатах производственной деятельности. В СПК повысилась урожайность кормовых культур, увеличились надои и привесы животных. Выручка от реализации сельскохозяйственной продукции предприятий неуклонно растет. Чистая прибыль несколько варьируется, что связано с ростом затрат на производство и реализацию продукции. Показатель чистой прибыли организаций также имеет тенденцию к увеличению.

Предприятия, внедряющие систему качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур применяют новейшие научно-обоснованные технологии, что способствует повышению эффективности технологического процесса и трудовой дисциплине. Стоит отметить, что применение системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур способствует социальной ориентированности предприятий, так как создаются новые рабочие места, экологическая ситуация на территории размещения сельскохозяйственных объектов улучшается и производимая продукция экологически более чистая.

Выводы по главе

1. Анализ экономических показателей передовых хозяйств Ростовской области показал, что использование предлагаемых систем ускоренной подготовки стоков к орошению пастбищ и высококачественных органических удобрений для удобрения пастбищ позволяет повысить урожайность кормовых культур, их качество, что способствовало увеличению надоев
молока и привесов животных. За анализируемый период (6–7 лет) урожайность однолетних кормовых культур в анализируемых хозяйствах увеличилась на 12,50–20,54%, надои на одну фуражную корову – от 8,47% до 14,20%, среднесуточные привесы – от 13,30% до 47,73%. Выручка от реализации продукции увеличилась от 29,23% (561 млн. руб. в год) до 47,73% (750 млн. руб. в год).

2. Рентабельность предприятий при внедрении системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур с использованием ускоренной биотехнологии подготовки стоков и навоза составляет от 22 до 81%.

3. Предприятия с замкнутым циклом производства продукции животноводства имеют социальную ориентированность (новые рабочие места, улучшение экологической обстановки, получение экологически чистой продукции), что позитивно сказывается на здоровье населения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ и синтез технологии подготовки стоков и навоза показал, что существующие технологии и технические средства не обеспечивают их ускоренную биотехнологическую подготовку для орошения и удобрения пастбищ и полей при производстве кормовых культур, что требует разработки биотехнологии с применением мобильных и стационарных установок для получения высококачественных органических удобрений с учетом природной, экологической, экономической и технологической среды.

2. Разработаны методологические основы экономического механизма управления технологическими процессами орошения и удобрения пастбищ, которые основываются на:

– экономико-математической модели биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм в органические удобрения;

– информационно-аналитической системе поддержки принятий решений оптимизации технологий производства высококачественных органических удобрений.

Основополагающими в реализации технологических процессов являются принципы рационального выбора биотехнологической подготовки стоков и навоза; эффективное использование машинно-тракторного парка предприятия; трудовые, материальные и денежные ресурсы.

3. Критериями оптимальности в разработанной экономико-математи-ческой модели являются показатели приведенных затрат (ПЗ → min) и прибыли (П → max), получаемые сельскохозяйственными предприятиями от биотехнологической подготовки стоков и навоза животноводческих ферм и использование полученных удобрений при выращивании кормовых культур.

На основе данных оптимизации технологии производства органических удобрений формируются проектные технологические карты, отражающие все технологические операции и их техническое обеспечение, предоставляется расчет затрат на реализацию принятой технологии.

Система ограничений экономико-математической модели при реализации биотехнологической подготовки стоков и навоза содержит три основные группы:

– по использованию техники;

– по использования сырья и материалов;

– по использованию трудовых ресурсов.

Для реализации экономико-математической модели, с учетом принятых ограничений, разработана информационно-аналитическая система поддержки принятия решений оптимизации технологий производства органических удобрений (ИА СППР).

4. В основу биотехнологии ускоренной подготовки стоков и жидкого навоза положены принципы механического разделения их на фракции с последующей подготовкой жидких КОУ с применением БАД, что ускоряет процессы их подготовки в значительно меньшие сроки, чем по традиционным технологиям. Основными техническими средствами являются: стационарный растворный узел (производительность более 700 м³/см); мобильный агрегат с автономной системой перемешивания компонентов и последующим внесением на поле (эксплуатационная производительность до 20/ч; потребная мощность на привод рабочих органов до 30,5 кВт; рабочая ширина внесения жидких КОУ 9–14 м); мобильная установка для разделения навоза на фракции (производительность 26,8–43,0 м³/ч; влажность жидкой фракции до 98,6%, твердой – до 72,0%, частота вращения шнека 60–80 об/мин; длина рабочего участка шнека 4,0 м); тонкослойный отстойник (производительность 25–40 м³/ч; омагничивание на входе в отстойник постоянным магнитным полем напряженностью 25 кА/м, влажность осветленной жидкости до 99,0%, влажность осадка до 86%); напорная флотационная установка (производительность до 25 м³/ч; давление в напорном резервуаре 400–500 кПа, степень рециркуляции жидкости 0,3–0,5, скорость движения скребка пеносъемного механизма 0,1–0,2 рад/с; влажность уплотненного продукта не выше 96%, эффективность осветления 70%, влажность осветленной жидкости 99,2%); ленточный вакуум-фильтр (рабочая ширина ленты 0,5 м, длина вакуум-камеры 3,2 м, производительность 0,0004–0,0008 м³/м²·с; удельная потребляемая мощность 0,474–1,037 кВт/м³·м, влажность фильтрата 98,4–99,35%, твердой фракции 79,85–68,32%, степень обезвоживания 65,0–82,0%, скорость передвижения фильтровальной перегородки 0,033–0,167 м/с, рациональный вакуум в зоне фильтрования 50–-65 кПа; материал фильтровальной перегородки – ткань фильтровальная арт. 56207, регенерация – водой, расход промывочной жидкости 0,144·10^-4 м³/с).

5. В основу биотехнологии при переработке твердого навоза положен принцип ускоренного компостирования компонентов с использованием БАД. Твердые КОУ готовятся за 5–7 суток в летнее время и 12 суток в зимний период. Базовой машиной является самоходный ворошитель буртов с системой подачи БАД и приборами для контроля созревания бурта (производительность 400 м³/ч, частота ворошения 3 суток через 12 часов, доза внесения БАД 5% от объема перерабатываемого продукта, размеры бурта: ширина по основанию 2,5 м, высота 1,5 м).

Для поверхностного внесения твердых КОУ разработан разбрасыватель на базе машин РУМ (МВУ) с пневмоцентробежным распределяющим рабочим органом (агрегатируется с трактором кл. 1.6; грузоподъемность от 2,5 до 3,5 т, рабочая ширина внесения 8,0 м, дозы внесения от 0,2 до 12 т/га, производительность агрегата от 5,2 до 12 т/ч).

Для внутрипочвенного внесения твердых КОУ разработано бункерное устройство со сводоразрушающим устройством к культиваторам-растениепи-тателям типа КРН и пропашным сеялкам СУПН-8.

6. Для ускоренного обеззараживания стоков и жидкого навоза разработана система с использованием ветроротора Савониуса, позволяющего активизировать процессы аэробного окисления с помощью возобновляемого
источника энергии – энергии ветра. При глубине перемешивания смеси 2,5–3,0 м частота вращения лопаток достигает 132 мин^-1 при площади ветролопастей 4 м² (4 штуки на 1 м²).

7. Внедрение системы ускоренной подготовки стоков и навоза для орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур способствовало повышению их урожайности до 20,54%. При этом надои на одну фуражную корову увеличились на 8,47–14,20%; среднесуточные привесы – на 13,30–47,73%.

Выручка от реализации продукции составила от 561 млн руб./год до 750 млн руб./год (увеличение от 29,23 до 47,73%).

Рентабельность при внедрении системы качественного орошения пастбищ и удобрения полей для кормовых культур с использованием ускоренной биотехнологии подготовки стоков навоза составляет от 22 до 81%.

1. состоящих, как правило, из одной энергомашины и одной или более сельскохозяйственных машин. ↑

Список использованной литературы

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет 198 с., 1 кн., 32 рис., 19 табл., 90 источн., 7 прил.

МЕЛИОРАТИВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, КАНАЛЫ, ПОЛИГОНАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАНАЛОВ, ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, БИОИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ, БИОПОЗИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, ГАБИОНЫ.

Объектом разработкиявляются гидротехнические сооружения для гидромелиоративных систем предгорной зоны.

Цель работы – разработка новых типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем и прибрежных зон на основе использования биоинженерных технологий.

В процессе работы проводилось конструирование гидротехнических сооружений для мелиоративных систем, разработаныметодологические рекомендации и расчетные модели оросительных каналов для проектирования и реконструкции мелиоративных сетей.

В результате исследования разработаны технические и технологические условия по проектированию и строительству типовых конструкций мелиоративных гидротехнических сооружений (оросительных каналов, водозаборных сооружений и устройств, берегозащитных сооружений и креплений); рекомендации по выбору эффективных конструкций мелиоративных сооружений и технологий их возведения; методология расчетного обоснования и проектирования мелиоративных каналов полигонального сечения; новые конструктивные и технологические решения по мелиоративным сооружениям, каналам и берегозащитным креплениям.

Итоги внедрения результатов НИР приняты к использованию в проектных и научно-производственных институтах, агропромышленных комплексах и учебных заведениях сельскохозяйственного и водохозяйственного направления.

Эффективность предложенных технологических и технических решений состоит в сокращении материальных затрат на строительство и эксплуатацию, повышении эффективность их работы.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Проблемы повышения эффективности водозаборных сооружений для мелиоративных систем регионов Юга России и Северного Кавказа являются актуальными. Многие водозаборные сооружения, построенные на малых реках еще при Советском Союзе, характеризуются очень низкой эффективностью работы, находятся в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, нуждаются в полной реконструкции. И те водозаборные сооружения, находящиеся в нормальном эксплуатационном состоянии, нуждаются в повышении эффективности и надежности работы. Особенно остро проявились эти проблемы в условиях оросительных систем предгорных зон, где наносные режимы малых рек оказывают существенное влияние на эффективность работы водоприемных устройств и сооружений. Из-за чего в каналы поступают большое количество крупных (влекомых) наносов, приводящие износу и разрушению облицовок каналов.

Большинство мелиоративных водозаборных сооружений (плотинных и бесплотинных), используемых на практике являются энергетически высокозатратными и материалоемкими. Поэтому они не позволяют мелиоративным системам полностью перейти в экономически оправданные отношения с хозяйствами – водопотребителями.

Решению этой проблемы и посвящены научные исследования по данной работе, выполнявшиеся в соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг. согласно заказа МСХ РФ по теме «Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем» (государственная регистрация ФГАНУ ЦИТиС № АААА-А20-120032690080-3 от 26.03.2020 г.) и тематического плана научных исследований ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ.

Цель исследований – разработка новых типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем и прибрежных зон на основе использования биоинженерных технологий в водохозяйственном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор, содержащий научный анализ уровня отечественных и зарубежных научных достижений по исследуемой проблеме с обоснованием необходимых направлений проведения исследований.

2. Разработать методику выполнения НИР.

3. Обосновать конструктивные решения по повышению эксплуатационной надежности оросительных каналов и водозаборных сооружений.

4. Разработать методологию расчетного обоснования мелиоративных каналов полигонального сечения.

5. Обосновать технологические решения по регулированию участков малых рек и повышению эффективности работ водозаборных сооружений.

6. Разработать инновационные технические решения (защищенные патентами на изобретения) по проектированию и строительству новых типов водозаборных сооружений на основе использования природоохранных технологий.

7. Обосновать биоинженерные технологии защиты и обустройства прибрежных зон мелиоративных систем и каналов.

8. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций мелиоративных каналов.

9. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций водозаборных сооружений и устройств.

10. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций защитно-регуляционных сооружений у водозаборных гидроузлов.

11. Оценить качественные и технико-экономические показатели применения разработанных типовых конструкций гидротехнических сооружений для мелиоративных систем на основе применения природоохранных технологий.

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству водозаборных сооружений преобладают техногенные подходы, которые не учитывают экологические и гидрологические особенности малых рек, их наносные и скоростные режимы, технологические условия работы водозаборов, энергозатраты регулирующих устройств водоприемников и промывников. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций водозаборных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек.

В составе водозаборных сооружений мелиоративных систем предусмотрены дорогостоящие промывные устройства и отстойники, которые требуют большие материальные и энергетические затраты. В связи с чем себестоимость оросительной воды для многих хозяйств стала не подъемной, эксплуатационные затраты вообще не окупаются экономически. Поэтому до сих пор сохранилась советская система бесплатного представления оросительной воды для потребителей. Издержки эксплуатационных организаций покрываются за счет бюджетных ассигнований, а это в свое очередь приводит к нерациональному использованию водных ресурсов.

В связи с чем авторы (Курбанов С.О. и Созаев А.А.) долгое время проводили полевые натурные исследования на оросительно-обводнительных системах, расположенных в предгорных зон КБР. Ими были разработаны более эффективные конструктивные и технологические решения по строительству каналов, водозаборных сооружений в условиях малых рек, характеризующими высокими наносными и скоростными режимами. Для этого вначале были изучены проблемы эксплуатационной надежности и эффективности существующих магистральных каналов и водозаборных сооружений малых рек. Более подробные натурные и аналитические исследования были проведены по магистральным каналам и водозаборным сооружениям предгорных оросительных систем КБР, расположенных на реках Чегем, Баксан и Черек:

— исследованы наносные режимы рек, эффективности работ промывников и отстойников головных водозаборных сооружений;

— исследованы гидравлические режимы работ водосбросных сооружений в период паводков;

— изучены и исследованы эффективность работы водозаборных сооружений в соответствии с графиком водопотребления оросительных систем;

— исследованы гидравлические и наносные режимы магистральных каналов Чегемской ООС;

— разработаны эффективные технические решения по проектированию и строительству каналов полигонального сечения, подрусловых и горизонтальных водозаборов комбинированных конструкций (часть из них защищены патентами на изобретения, а честь находится на рассмотрении).

Дополнительно разработаны и поданы еще 4 заявки на изобретения по конструктивным и технологическим решениям возведения подрусловых и горизонтальных водозаборных сооружений. И одна заявка по способу возведения противоэрозионного крепления биопозитивной конструкции, который может быть использован для восстановления эродированных участков мелиорируемых земель.

Разработанные в работе новые технические решения по водозаборным сооружениям и водопроводящим каналам для прибрежных мелиоративных систем обеспечивают повышение эффективности работы и эксплуатационной надежности мелиоративной сети.

Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методологию проектирования. Имеются разработанные методики проектирования и расчетного обоснования мелиоративных каналов с двумя и тремя парами симметричных откосов. Разработана также методика оптимизации полигональных сечений мелиоративных каналов.

Имеются также, разработанные и экологические методы регулирования участков русел рек, где проектируются новые типы водозаборных сооружений. В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны.

Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения для условий предгорных зон.

Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА МЕЛИОРАТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1 Общая характеристика проблем проектирования и строительства каналов и водозаборных сооружений для прибрежных мелиоративных систем предгорных зон

В области проектирования и строительства мелиоративных сооружений и каналов в России имеются свои (отечественные) научно-технические достижения. Научную (теоретическую) часть которых,по мнению авторов,можно оценить на «отлично», а практическую часть на «удовлетворительно», так как объем внедренных (реализованных) в производство научных достижений составляет менее 30%. А по гидротехническим каналам полигонального профиля и водозаборным сооружениям (подрусловым и горизонтальным) – менее 10%. Применение на существующих оросительных системах традиционных плотинных водозаборов и каналов прямоугольного или трапецеидального профилей привело к снижению их эффективности и надежности.В результате высокая себестоимость оросительной воды и высокие эксплуатационные затраты оросительных систем приводят к удорожанию сельхоз продукции. Поэтому до сих пор сохранилась советская система бесплатного представления оросительной воды для потребителей. Издержки эксплуатационных организаций покрываются за счет бюджетных ассигнований, а это в свое очередь приводит к нерациональному использованию водных ресурсов.

В существующей научно-технической, справочной и нормативной литературе [1,2-12] содержится множество методик гидравлических и технико-экономических расчетов каналов: на равномерный и неравномерный режимы движения, по допускаемым скоростям; со статически или динамически устойчивым руслом; облицованных каналов с гидравлически гладкими руслами, с шероховатыми руслами и с неоднородной шероховатостью по периметру и т.д. Однако все перечисленные виды расчетов разработаны в основном для каналов с трапецеидальным (в большей части) и прямоугольным сечениями. Имеющиеся в настоящее время научно-технические разработки, рекомендации по проектированию каналов различного назначения, технические условия и строительные нормы и правила до 95% были выполненыи разработаныс обоснованием для трапецеидальных форм их русел. Многие авторы, занимавшиеся гидравлическимипроблемамиканалов, проводили своиисследованияи разрабатывали методикирасчетовтолькодля каналовс трапецеидальным поперечнымсечением.Влияниеформыпоперечногосечениянарасчетныехарактеристикиканаловбыло малоизучено. Для каналовполигональногопрофиляотсутствуют научно обоснованные подходы и методологии проектирования.

Большой вклад в разработку методов гидравлических расчетов каналов внесли: И.И. Агроскин, Т.А. Алиев, В.С. Алтунин, В.А. Большаков, Г.В. Железняков, Ю.Г. Иванченко, Б.А. Ибад-Заде, Ю.М. Косиченко, К.А. Михайлов, Ц.Е. Мирцхулава, Н.Н. Павловский, И.С. Румянцев, Е.К. Рабкова, Р.Р. Чугаев, М.М. Скиба, Д.В. Штеренлихт и др. В развитие научного направления по динамике русловых процессов существенный вклад внесли работы Бернадского Н.М., Великанова М.А., Гришина К.В., Лелявского Н.С., Ржаницына Н.А. и др. Изучение процесса воздействия потока на подвижное размываемое русло развивалось в направлении изучения наиболее важных закономерностей и установления на этой основе методов расчета инженерных задач. В развитии этого научного направления большой вклад внесли работы Абольянца С. Х, Боровкова В.С., Гончарова В. Н., Леви Ч. Ч., Магомедовой А.В., Мирцхулава Ц. Е., Замарина Е. А., Знаменской Н. С., Чалова Р.С. и др.

Однако научный анализ работ выше приведенных авторов, а также действующей справочной и нормативной литературы показывает, что для каналов полигонального профиля отсутствуют эффективные, научно обоснованные методы проектирования и расчетного обоснования. Новые методы гидравлического и технико-экономического расчетов каналов полигонального профиля, предлагаемые авторами данных исследований и опубликованные в научных работах, не получили широкого применения так как нужно эти методы включить в нормативные документы (технические условия, типовые проекты и др.).

На практике наибольшее распространение по форме поперечного сечения получили каналы призматического сечения, которые подразделяют на прямоугольные, трапецеидальные, треугольные и полигональные. Каналы трапецеидального профиля получили наибольшее распространение (примерно 80 %), и по изученности и разработанности научных основ и методов расчета они более проработаны. В этом ряду каналы с полигональным поперечным сечением менее изучены и распространены. Для них до текущего времени нет научных основ проектирования и нет обоснованных методик гидравлического расчета, по которым можно определять их оптимальные наивыгоднейшие параметры с достаточной обоснованностью.

И в зарубежных научных публикациях открытого доступа очень мало информации по проблемам проектирования истроительства мелиоративных каналов и водозаборов. Наиболее значимые научные работы в области водного хозяйства и мелиорации выполнены и опубликованы учеными и специалистами «Бюро мелиорации» США. Бюро Мелиорации США создано в 1902 году для обслуживания 17 засушливых западных штатов. На сегодняшний день оно является самым крупным поставщиком воды в США. Оно обеспечивает питьевой водой 31 млн. человек и поливной водой 140 000 фермеров для орошения 4 млн. га сельхозугодий, на которых выращивается 60 % овощей и 25 % фруктов и орехов в США. Главной стратегической задачей Бюро Мелиорации является управлять, развивать и охранять водные и другие, связанные с ним ресурсы с учётом экологических и экономических аспектов в интересах американского общества.

Наряду со своей традиционной деятельностью в настоящее время Бюро Мелиорации занимается:

— управлением водными ресурсами, обеспечивая растущий спрос на воду путём мелиорации и повторного использования, сохранения качества воды и поощрения вод сбережения;

— восстановлением и защитой окружающей среды, путём охраны и развития среды обитания рыб и диких животных, включая вымирающие виды, рыборазведения и восстановления популяции мигрирующих рыб;

— эксплуатацией и содержанием сооружений, путём защиты инфраструктуры, усиления безопасности плотин, обеспечения прибыли и сбора платы от воды и энергии, развития рекреации;

— исследованиями и развитием новых технологий по повышению надёжности инфраструктуры, водораспределению, охране качества воды в водохранилищах и окружающей среде.

Однако наиболее значимые разработки по мелиоративным сооружениям и системам в открытой печати не публикуют, только общие реферативные данные. У них создана закрытая информационная система научных достижений, туда доступ имеют только они и ихаффилированные организации.

В зарубежной практике опубликованных в открытой печати материалов по водозаборным сооружениям (подрусловым и горизонтальным) и каналам полигонального профиляочень мало. Приводятся обрывочные материалы и ссылки на отчетные материалы НИРпо проектированию и расчету каналов полигонального профиля. Результаты этих исследований не публиковались и доступны на платной основе. Такая ситуация во всех развитых странах запада.

В странах Востока в доступной научно-технической литературе также нет доступных материалов по этим проблемам. Только в Китае имеются некоторые материалы по проектированию и строительству больших каналов, опубликованные в открытой печати. И эти материалы в основном по каналам трапецеидального сечения, а по каналам полигонального сечения публикаций нет.

1.2 Конструкции облицовок каналов и вопросы их надежности

Облицовки каналов подразделяют на противофильтрационные и берегоукрепительные [13,14-18]. Противофильтрационные предназначены для: снижения потерь воды из каналов на фильтрацию и тем самым предотвращению подтопления и возможного засоления примыкаемых земель. Берегоукрепительные защищают откосы русла от размыва потоком, волновыми и ледовыми воздействиями, снижают сопротивления движению воды и повышают коэффициент полезного действия (КПД) канала. В практике строительства мелиоративных каналов чаще требуется комбинированная облицовка, выполняющая одновременно противофильтрационную и берегоукрепительную функции, а также снижающая сопротивление потока.

Бетонные и железобетонные облицовки представляют собой покрытия из монолитного бетона или из сборных железобетонных плит типа НПК. Облицовка из монолитного бетона разрезается на конструктивно-технологические карты устройством температурно-деформационных или температурно-усадочных швов. Толщину облицовок принимают в зависимости от ряда факторов: для монолитных от 10 до 20 см, а сборных 8 – 12 см.

Бетонопленочные облицовки состоят из противофильтрационного элемента из полимерной пленки, защищенной слоем монолитного бетона или сборными железобетонными плитами.

В грунтопленочных облицовках пленочные экраны укладываются под слоем грунта толщиной 0,5 – 1,0 м. Устраиваются каналы и с полимерным покрытием без защитного слоя.

На практике чаще всего устраивают каналы с облицовкой из предварительно напряженных армированных гладких плит типа НПК и толщиной 6 см. Они экономичны, с относительно небольшим армированием, однако материал плит обладает низкой морозостойкостью и склонностью к образованию трещин. Поэтому плиты типа НПК эффективнее применять в облицовках в комбинации с полиэтиленовым экраном.

Под сборными плитами облицовки устраивают подготовку из гравия и песка в виде обратных фильтров и вдоль каналов дренажные устройства для снятия возможного фильтрационного противодавления под креплением при волновом воздействии воды.

На Северном Кавказе широко используют оросительные каналы прямоугольного и трапецеидального сечений, выполненных в железобетонной сборно-монолитной облицовке из сборных блоков и плит и монолитным дном.

Преимуществами данного типа каналов перед каналами в земляном русле являются: возможности транспортирования небольших расходов воды на десятки километров по территории со сложным рельефом, сложенной грунтами с высоким коэффициентом фильтрации; высокая степень индустриализации, строительства и ремонта; высокий уровень КПД в силу низких потерь воды; низкие затраты на эксплуатацию, потому что исключены зарастание и заиление; относительно высокая прочность и долговечность железобетонной облицовки, большая вероятность безотказной работы; высокий коэффициент земельного использования; исключается необходимость учета свойств и характеристик грунтов и конструирование каналов с учетом допускаемых неразмывающих скоростей.

При эксплуатации канала его элементы подвергаются воздействиям различных факторов случайной природы, которые приводят к отклонениям от расчетных значений параметров канала. Эти отклонения квалифицируются как отказ. Ситуация, когда одновременно действуют несколько причин отказов, наиболее типична в практике. При этом среди множества причин, вызывающих отказы, имеются одна – две преобладающие, влияние остальных будет слабым и практически не приводящим к отказам. Соответственно, канал, и его отдельные элементы могут находиться в одном из двух состояний – безотказном H_i и отказа H_j. Между событиями H_i и H_j может быть корреляционная связь, которая определяется коэффициентом корреляции:

(1.1)

где — вероятность появления соответственно H_i и H_j; — вероятность одновременного появления H_i и H_j.

Определение общего уровня эксплуатационной надежности сложная многофакторная задача, решаемая путем количественной оценки. Наиболее полная количественная оценка возможна на основе статистической обработки данных об отказах. При отсутствии статистических данных об отказах, оценка надежности возможна на основе вероятностно- статистического анализа отдельных элементов или факторов. Кроме анализа статистических данных надежность канала может быть охарактеризована оценкой физики возможных отказов, свойств материалов, анализом конструктивных схем, запасов и т.д.

Разными авторами в области расчетов надежности каналов различного назначения решались следующие основные задачи [19, 20-26]:

— оценка надежности каналов по пропускной способности;

— оценка надежности каналов по совокупности условий работоспо-собности (по пропускной способности, неразмываемости и незаиляемости, по транспортирующей способности потока);

— оценка устойчивости русла канала по условиям неразмываемости и незаиляемости;

— оценка надежности канала как системы, состоящей из ряда взаимосвязанных элементов;

— обобщенная оценка гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов.

Согласно [20] под надежностью канала следует понимать свойство, обеспечивающее выполнение заданных функций (подача заданного расхода воды потребителю) при сохранении установленных эксплуатационных показателей (пропускной способности, поперечного сечения, напора, высоты командования, гидравлического сопротивления) в заданных пределах в течение заданного срока службы при условии качественной эксплуатации, технического обслуживания и своевременных ремонтно-профилактических работ. Для каналов надежность – это свойство своевременно и в требуемом объеме подавать воду на орошение, это один из основных показателей качества, связанный с фактором времени и отражающий все изменения, происходящие в канале и его элементах в период эксплуатации. Показатель надежность лотковой сети определяется отношением фактической пропускной способности (t)к требуемой (расчетной) Q_p(t):

(1.2)

Здесь Q_p(t) закладывается на стадии проектирования и обеспечивается необходимыми величинами параметров, определяющих пропускную способность (V, I, n, , , и т.д.). Следовательно, если < возможно определение фактических величин выше изложенных параметров и оценивание их влияния на пропускную способность. Пропускная способность и параметры пропускной способности, характеризующие функциональность канала в произвольный момент времени, определяют уровень эксплуатационной надежности [24,25,26,27].

Пропускная способность является случайной величиной, зависящей от различных факторов (гидравлического сопротивления, деформаций плит облицовки, изменения геометрических параметров канала и уклона дна, отложения наносов и др.). Согласно [24] пропускную способность канала с достаточной точностью можно считать распределенной по нормальному закону:

(1.3)

где — табличный интеграл вероятности; — пропускная способность канала; — расчетный расход в канале; — среднеквадратическое отклонение расхода канала.

Отказ сооружения (снижение пропускной способности) происходит в результате постепенного накопления повреждений. Налицо многофакторная мера повреждений. В качестве меры (показателя, параметра, фактора) оценки многофакторной меры накапливаемых повреждений, оценки уровня технического состояния и эксплуатационной надежности с учетом динамики изменения показателей, определяющих степень его соответствия предъявляемым требованиям, можно принимать априорную меру повреждений D, равную нулю для начального состояния работы сооружения и единице после ее эксплуатации, к моменту выхода из строя [19]:

(1.4)

где — значение меры накапливаемых повреждений в начальный период эксплуатации (t = 0); — конечное значение меры накапливаемых повреждений в момент отказа; — текущие значения меры накапливаемых повреждений.

При t = 0 соблюдаются начальные условия:

Отказ наступает при исчерпании срока службы Т:

Оценивать эксплуатационную надежность лотковых каналов, его работоспособность, можно, если в качестве универсальной меры накапливаемых повреждений принять пропускную способность, которая полностью отражает влияние всех изменений технического состояния каналов и его элементов, гидравлических характеристик, качества эксплуатации, а также конструктивных и проектных недоработок.

Функцию всех переменных можно рассматривать как произведение элементарных функций тех же переменных:

(1.5)

гдеА – постоянный множитель; — элементарные функции, описывающие изменение пропускной способности под действием фактора.

Повреждения, вызываемые факторами , как правило, проявляются совместно. В общем случае выражение (5) для функции изменения пропускной способности примет вид:

(1.6)

Общая функция изменения пропускной способности каналов зависит от частных функций , каждая из которых отражает влияние отдельного фактора. Любая частная функция может быть получена экспериментально, детально исследована с необходимой достоверностью и точностью прогноза.

Для оценки надежности каналов по совокупности условий работоспособности или же, как системы, состоящей из ряда расчетных элементов можно воспользоваться методикой расчета, основанной на положениях теории обобщенных корреляционных функций и теории сложных технических систем [24]. В общем случае выражение вероятности безотказной работы канала имеет вид

(1.7)

где P_i – вероятность безотказной работы канала по i-му условию работоспособности или вероятность безотказной работы i-го элемента;P_m = minP_i– минимальное из значений P_i ; п – количество расчетных условий (элементов); K_n – коэффициент, учитывающий статистическую взаимосвязь между условиями, элементами или отказами элементов канала, определяемый по зависимости:

(1.8)

В случае, когда статистическая связь отсутствует,

(1.9)

т.е. значение общей надежности всего канала равно произведению вероятностей безотказной работы отдельных элементов.

Когда все элементы статистически зависимы:

(1.10)

В этом случае вероятность безотказной работы канала определяется вероятностью безотказной работы самого ненадежного элемента.

Вероятность безотказной работы Р является мерой безотказности. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени [20]. Тогда вероятность безотказной работы Р вероятность того, что в пределах требуемого времени (срока службы) t объект не теряет работоспособности:

(1.11)

гдеt_i – время работы объекта до момента потери работоспособности; P(t) в формуле (11) есть показатель надежности.

Безотказность работы элементов канала – необходимое, но недостаточное условие надежности. Обобщающим показателем надежности по совокупности условий является работоспособность, по которой можно оценивать качество или эффективность функционирования каналов. За работоспособность принимают состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. То есть, для каналов под работоспособностью следует понимать состояние, при котором пропускная способность выше, чем расчетный расход, транспортирующая способность потока больше фактической мутности потока, а скорости потока меньше размывающей и больше заиляющей.

Понятно, что со временем, постепенно, работоспособность будет снижаться. В общем виде работоспособность канала приближенно можно охарактеризовать одним общим определяющим параметром, а для более достоверной оценки работоспособности необходимо учитывать все основные параметры: пропускную способность канала; транспортирующую способность потока; гидравлические параметры потока; фильтрационные потери; КПД и др. При этом должны соблюдаться условия не превышения фактических значений параметров над допустимыми, или предельных значений определяющих факторов над действующими эксплуатационными:

Вер{J_пр – J_д = u>0}, (1.12)

где J_пр– предельное значение определяющего параметра;J_д – действующее эксплуатационное значение параметра.

Вероятность того, что канал окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается, характеризуется коэффициентом готовности. Канал как сложная техническая система имеет несколько условий работоспособности. Вероятность работоспособности канала по теории вероятностей определяется зависимостью [26]

= (1.13)

где — матрица коэффициентов корреляции между условиями работоспособности; из-за сложности решения этого интеграла возможно использование лишь двух условий работоспособности φ₁ > 0, φ₂ > 0.

Расчетные скорости в облицованных и лотковых каналах должны удовлетворять условию незаиляемости и неразмываемости (способности материала сопротивляться истирающему действию наносов). Увеличение скорости течения воды до максимально возможных пределов приводит к снижению площади поперечного сечения канала, значит к снижению затрат на его строительство. В условиях предгорной зоны уклоны поверхности земли позволяют в полной мере следовать этому правилу, однако наличие наносов в потоке приводит к истиранию облицовки. Допускаемые скорости потока в соответствии со СНиП 2.06.03-85 должны назначаться в зависимости от проектной марки материала облицовки по прочности. Для обеспечения устойчивой и надежной работы облицовок расчетные скорости наносовлекомого потока рекомендуется ориентировочно назначать в зависимости от типа покрытия в пределах 1,0 – 4,0 м/с.

Исследования многих авторов [14,15, 28,29] показывают, что на истирание облицовок влияют следующие факторы: скорость потока; концентрация наносов; форма и твердость частиц наносов; длительность воздействия; плотность и состав бетона; размеры и износостойкость зерен крупного заполнителя. Нужно отметить преимущества щебня перед гравием в качестве крупного заполнителя. Повышенная шероховатость, угловатость зерен щебня обеспечивают более прочное соединение с цементным камнем в отличие от окатанных и более гладких зерен гравия. Параллельно износу идет процесс выщелачивания, т.е. разрушения бетона вследствие растворения и выноса из его структуры компонентов цементного камня (гидроксида кальция Ca(OH)₂, обеспечивающих прочность связей в контактной зоне «цементный камень – заполнитель». По данным В.М. Москвина представляет большую опасность сочетание процесса поверхностного выщелачивания и механического воздействия взвешенных и влекомых наносов.

Исследованиями влияния на истирание высокопрочного мелкозернистого керамзитобетона для сборных конструкций сетевых сооружений мелиоративных систем прочности, крупности заполнителей, условий твердения, попеременного замораживания и оттаивания, скорости потока, защитного покрытия установлено, что износостойкость бетона от прочности и условий твердения зависит незначительно, четкой зависимости между прочностью и истираемостью не установлено.

Анализ многочисленных исследований показал, что скорость потока является одним из самых существенных факторов, определяющих интенсивность износа. Ц.Е. Мирцхулава предложил зависимость [24] для определения оптимальной скорости течения потока с точки зрения минимального износа и устранения отказов, обусловленных износом:

(1.14)

где — износ, определяемый как — предельное значение скорости потока; — интенсивность отказов; — время для устранения отказов.

Способность материала облицовки сопротивляться истирающим воздействиям называется износостойкостью. Для традиционных тяжелых гидротехнических бетонов повышение износостойкости связано с использованием качественных цементов и заполнителей из высокопрочных каменных материалов, увеличением суммарной площади поверхности заполнителя, правильным подбором состава бетона, уплотнением структуры материала и соблюдением технологии строительства. Хорошие результаты дает введение добавок, обеспечивающих пластификацию, плотность, морозостойкость и трещиностойкость. Применение полимеров в качестве добавок (8 – 12%) [30] повышает сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов в 10 раз, но при этом значительно снижает среднюю плотность и прочность.

С точки зрения противофильтрационной надежности облицовок каналов важным является недопущение потерь на фильтрацию и предупреждение подъема уровня грунтовых вод.

2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В рамках решения поставленных задач по разработке ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных системстало необходимым выполнить определенную программу исследований, которая состоит из теоретической части и экспериментальной части.

Теоретическая часть включает в себя:

— изучение и анализ опыта строительства и эксплуатации гидромелиоративных системах регионов СК за последние 30..35 лет;

— разработка и обоснование эффективных конструкций водозаборных и регуляционных сооружений для мелиоративных систем прибрежных зон малых рек;

— осуществление анализа оптимальных гидравлических характеристик трапецеидального и прямоугольного каналов и обоснование необходимости приведения их к полигональному профилю;

— разработка и обоснование эффективных конструкций водопроводящих каналов полигонального сечения;

— методологические основы и модели гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов полигонального сечения;

— разработка и обоснование биоинженерных технологий регулирования участков малых рек и защиты прибрежных участков мелиоративных гидроузлов и каналов;

— разработка технических условий по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения;

— разработка технических условий по проектированию и строительству подрусловых фильтрующих водозаборов для мелиоративных систем;

— разработка типового проекта мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

Экспериментальная часть включает в себя:

— визуальное обследование техническое состояние существующих водозаборных сооружений рек Чегем, Черек и Баксан, предгорных оросительных систем КБР;

— обследование и оценка состояние облицовок магистральныхканалов Чегемской ООС с учетом ранее проведенных авторами натурных исследований;

— изучение влияния гидравлических и наносных режимов магистральных каналов на надежность их работы.

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОЗАБОРНЫХ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ ПРИБРЕЖНЫХ ЗОН МАЛЫХ РЕК

3.1. Новые конструктивные решения по горизонтальным и подрусловымводозаборным сооружениям мелиоративных систем

Проведенный анализ состояния существующих мелиоративных водозаборных сооружений малых рек на их предгорных участках показывает, что 70% сооружений находится в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, только около 30% сооружений находится в относительно удовлетворительном состоянии (и те после капремонта и реконструкции). Конструктивные и технологические особенности этих водозаборов не способствуют эффективной борьбе с наносами, повышению коэффициента водозабора и регулированию водоподачи в оросительные каналы [21, 31,32].

Таким образом возникла необходимость в совершенно новых типах и конструкциях водозаборных сооружений, которые обеспечивали бы забор и подачу необходимого количества и качества оросительной воды при минимальных материальных и энергетических затратах. Для этого по многим параметрам подходят подземные горизонтальные и подрусловые водозаборные сооружения комбинированной конструкции [33,34,35,36].

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству водозаборных сооружений преобладают техногенные подходы, которые не учитывают экологические и гидрологические особенности малых рек, их наносные и скоростные режимы, технологические условия работы водозаборов, энергозатраты регулирующих устройств водоприемников и промывников. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций водозаборных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек [37, 38].

Учитывая актуальность проблемы,авторами были разработаны более эффективные конструктивные и технологические решения по подземным горизонтальным и подрусловым водозаборам. Для этого вначале были изучены проблемы эксплуатационной надежности и эффективности существующих водозаборных сооружений малых рек предгорных и горных зон. Более подробные натурные и аналитические исследования были проведены по водозаборным сооружениям предгорных оросительных систем КБР, расположенных на реках Чегем, Баксан и Черек:

— исследованы наносные режимы рек, эффективности работ промывников и отстойников головных водозаборных сооружений;

— исследованы гидравлические режимы работ водосбросных сооружений в период паводков;

— изучены и исследованы эффективность работы водозаборных сооружений в соответствии с графиком водопотребления оросительных систем;

— исследованы гидравлические и наносные режимы магистральных каналов Чегемской ООС;

— разработаны эффективные технические решения по проектированию и строительству подрусловых и горизонтальных водозаборов комбинированных конструкций (подтвержденных патентами на изобретения, и заявками с положительными решениями) [39,40-48].

Начиная с 1995г авторами выполнялись исследования по проблемам эффективности существующих гидротехнических сооружений мелиоративных систем и разрабатывались новые эффективные сооружения. Под руководством Курбанова С.О. разрабатывается научное направление в области мелиорации и водного хозяйства «Развитие теории методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля». Им разработаны методика оптимизации и модели расчетного обоснования полигональных каналов и мелиоративных сооружений в условиях предгорных зон [38, 49-52].

Данная работа продолжена и в рамках данной НИР. Предлагаются новые конструкции и технологии строительства подземных горизонтальных и подрусловыхфильтрующих водозаборных сооружений и каналов биопозитивной конструкции с максимальным использованием местных и безопасных искусственных материалов для небольших мелиоративных систем. В прибрежных зонах малых рек, имеются большие запасы подземных вод неглубокого залегания, которые могут быть эффективно использованы для орошения сельскохозяйственных земель и остаются не использованными по настоящее время.

Прорабатываются еще ряд конструктивных и технологических решений для возведения бесплотинных и подрусловых водозаборных сооружений, а также защитно-регуляционных сооружений и креплений биопозитивной конструкции. Имеются разработанные экологические методы регулирования русел рек на участках, где проектируются водозаборные сооружения. В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны(легкие и тяжелые фашины, гибкие тюфяки и др.) [39-48, 53-58].

Результаты проведенных исследований подтверждают, что большинство мелиоративных водозаборных сооружений (плотинных и бесплотинных), используемых на практике, являются энергетически высокозатратными и материалоемкими.

Ниже приводятся некоторые предлагаемые новые технические решения по подземным горизонтальным и подрусловым водозаборам комбинированной конструкции.

В основе работы подземного водозаборного сооружения лежит принцип дренирования грунтовых вод из прибрежных водонасыщенных слоев грунта, подпитываемых речным стоком, сбор и отвод этой воды в резервуар для дальнейшей подачи по назначению. В безнапорном водоносном слое грунта из-за того, что уровень грунтовых вод находится выше дренирующих элементов водозабора вода под действием гравитационных сил поступает через фильтрующие элементы в дренажные трубы, затем в лоток и в водосборный колодец.

Не требуют в составе гидроузла отстойников, конструкция фильтрующего водоприемника обеспечивает очистку воды от наносов. Качество воды позволяет использовать ее и для систем капельного орошения.

Подземные дренирующие водозаборы не требуют обслуживания и эксплуатации. При заборе воды из водосборного колодца, когда уровень воды в нем опустится ниже уровня грунтовых вод, дренирующая система начнет работать. Это также является существенным преимуществом данного типа водозаборов.

Подземные фильтрирующие водозаборы могут быть эффективно использованы на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

Обеспечивают забор необходимого количества и качества воды без нарушения режима рек.

3.1.1. На рисунке 3.1. показаны схемы подземного горизонтального водозабора комбинированной конструкции.

Подробное описание водозабора и рекомендации по его применению приведены в описаниях авторских патентов [40, 41].

В прибрежных и пойменных участках малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 7 м может быть наиболее эффективно использован подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции. Для поддержания его эффективной работы из водосборного колодца требуется обеспечить непрерывный забор воды с помощью глубинного насоса или насосной станции. По материальным затратам и степени воздействия на природную среду водозабор является экономически эффективным и экологически безопасным.

Рисунок 3.1– Горизонтальный водозабор комбинированной конструкции: фиг.1 –продольное сечение концевого участка горизонтального водозабора; фиг.2 – то же самое в плане;

фиг.3 – поперечное сечение водозабора.

Рассмотренный выше горизонтальный водозабор был усовершенствован с учетом реальных условий предгорных участков малых рек и повышения надежности. На этот усовершенствованный тип водозабора под названием «Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции» был получен патент на изобретение [43].

3.1.2. На рисунке 3.2.приводятся план, сечения и конструктивные элементыподземногогоризонтального водозабора комбинированной конструкции. На рисунке 3.2, на фиг.1 изображено продольное сечение по оси водоприемного лотка горизонтального подземного водозабора; на фиг.2 – план основной части водозабора; на фиг.3 – поперечное сечение водосборного лотка по линии продольных осей дополнительных линий габионных тюфяков; на фиг.4 –габионный тюфяк; на фиг.5 – гибкий тюфяк из легких фашин.

Горизонтальный подземный водозабор состоит из водоприемного лотка 1 с металлической решеткой 2, уложенной по верху лотка, габионных тюфяков 3,выполненных из легких фашин 4 с дренажами из перфорированных труб 5. Поверх габионных тюфяков 3 продольными рядами укладывают гибкие тюфяки 6, выполненные из легких фашин 4, завернутых в геосетку. С двух сторон перпендикулярно к лотку 1 на определенном расстоянии друг от друга устроены дополнительные водосборные линии 7 из габионных тюфяков 3. Вода из дополнительных линий через короткие наклонные каналы 8 поступает в лоток 1. В конце водоприемного лотка 1 устроен водосборный колодец 9, оборудованный водозаборным (всасывающим) трубопроводом 10. Вокруг колодца 9 и по верху насыпного грунта по линии лотка 1 устроен защитный экран 11 из глинистого грунта.

Горизонтальный подземный водозабор комбинированной конструкции работает следующим образом.В безнапорном водоносном слое грунта вода через гибкие тюфяки 6 и габионные тюфяки 3 с хорошими дренирующими свойствами поступает в дренажные перфорированные трубы 5 и по ним транспортируется в водоприемный лоток 1 и далее в водосборный колодец 9.

Рисунок 3.2 — Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции

Легкие фашины 4, изготовленные из сухого камыша, являются хорошим дренирующим материалом, который сохраняет свои свойства 15-20 лет.

При ремонте дренирующие материалы могут быть заменены, т.е. заменены и переложены габионные 3 и гибкие тюфяки 6. Наиболее эффективно работает водоприемный лоток 1 с сегментным или параболическим сечением.

Горизонтальный водозабор комбинированной конструкции более эффективно подходит для условий прибрежных зон малых рек, где близко залегают грунтовые водыот поверхности земли на глубине до 7-10 м. Он может быть использовани для водоснабжения сельских поселений и небольших городов.

3.1.3. На рисунке 3.3 приведены схемы подруслового фильтрующего водозабора комбинированной конструкции, где на фиг.1 показано сечение сооружения по продольной оси водосборной галереи; на фиг.2 — участок водозабора в плане; на фиг.3 — поперечное сечение сооружения по оси трубчатого водоприемника.

В описаниях авторских патентов на изобретения [39, 42] приведены основные характеристики подруслового водозабора: «Водозабор состоит из водосборной галереи 1 и водоприемника, выполненного из металлической решетки 2 и гибких тюфяков 3, уложенных в два ряда по верх решетки. В первый ряд 4 гибкие тюфяки 3 плотно уложены по всей ширине галереи и по направлению ее продольной оси, а второй ряд 5 — поперек галереи и по направлению поверхностного потока воды. При этом второй ряд 5 тюфяков уложен с уклоном и большей длиной, перекрывающей ширину водосборной галереи 1 с двух сторон. В верхнем бьефе перед водоприемными тюфяками 3 предусмотрен направляющий порог 6. На глубине под порогом 6 по направлению русла устроен трубчатый водоприемник 7, концевая часть которого с уклоном входит в водосборную галерею 1 на уровне уреза воды.Трубчатый водоприемник состоит из перфорированных труб 8, гибких тюфяков 3 и жестких ребер 9. В конце водосборной галереи устроен отводящий канал 10.»

Рисунок 3.3 — Подрусловой фильрующий водозабор комбинированной конструкции

Подрусловой водозабор наиболее эффективно может быть использован на предгорных и горных участках малых рек, характеризующихся высокими наносными и скоростными режимами. Материалоемкость и энергоемкость водозабора на 50% ниже по сравнению с другими типами водозаборов.

3.1.4. В рамках выпонения НИР подготовлены и зарегистрированы в Роспатенте для получения патентов еще четыре новых конструктивных и технологических решений по горизонтальным и подрусловым водозаборам [45-48]. Схемы одного из этих водозаборов (подруслового комбинированной конструкции) приведены на рисунке 3.4, где на фиг.1 показано сечение по продольной оси водоприемного лотка и водосборного колодца; на фиг.2 – участок водозабора в плане; на фиг.3 – поперечное сечение лотка; на фиг.4 – сечение колодца по линии водозабора.

Состоит подрусловой водозабор из водоприемного лотка 1, укрытого металлической решеткой 2, повер которой слоями уложены габионные тюфяки 3 и георешетка 4 с заполнением ячеек щебнем. Габионные тюфяки 3 выполнены из нескольких слоев геоматов 5, завернутых в габионную сетку 7 и уложенных в них двух ниток перфорированных труб 6. В конце лотка 1 устроен водосборный колодец 8 с боковым водоотводом 9.

Подрусловой водозабор обладает высокой степенью надежности и эффективности работы. Использование дренажных полимерных (перфорированных) труб 6 и геоматов 5 для изготовления тюфяков 3 обеспечивают им гибкость и пластичность, хорошие водоприемные и фильтрующие свойства [39]. Они экологичны, не имеют запаха, не выделяют вредных и токсичных веществ, устойчивы к условиям внешней среды. Эти изделия из геосинтетики обладают высокой прочностью и долговечностью более 25 лет. Могут использоваться при температурах от -20^о до +40^оС.

Таким образом, подрусловой водозабор комбинированной конструкции обеспечивает эффективный прием и отвод очищенной (профильтровавшейся) воды речных русел.

Фиг. 2
2 – 2 Фиг. 3.	3 – 3 Фиг. 4.

Рисунок 3.4 -Подрусловой водозабор комбинированной конструкции

3.1.5. На рисунке 3.5. показано горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции [45].

Горизонтальное водозаборное сооружение состоит из водоприемного лотка 1, укрытого металлической решеткой 2, габионных тюфяков 3 с дренажными каналами, выполненных из геоматов 4, перфорированных труб 5 и завернутых в габионную сетку. Габионные тюфяки 3 укрыты слоем щебня 6.

а Б

в г

Рисунок 3.5–Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции:

а– продольное сечение концевой части водозабора; б – план основной части сооружения; в– дренажная труба с кольцами (ребрами) жесткости; г – габионный тюфяк из геоматов и перфорированных труб

С двух сторон перпендикулярно к лотку 1 на определенном расстоянии друг от друга устроены дополнительные водосборные линии 7. Они выполнены в виде трубчатых дренажей 8, состоящих из перфорированных труб 9, обернутых в два-три слоя геоматами 11 между ребрами жесткости 10 с сетчатой оболочкой из габионной сетки 12. Вода из трубчатых дренажей 8 дополнительных водосборных линий 7 поступает в лоток через короткие каналы 13. В конце водоприемного лотка 1 устроен водосборный колодец 14, оборудованный водозаборным (всасывающим) трубопроводом 15.

Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции, наиболее эффективно может быть использовано в мелиоративных целях для отбора воды из пойменных и прибрежных водоносных грунтовых массивов малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 5 м, гидравлически связанных с открытыми водными потоками рек. Рекомендуется его использовать для забора воды в оросительные системы прибрежных земель предгорных зон.

3.2.Эффективные технологические решения по подрусловым и горизонтальным водозаборным сооружениям мелиоративных систем

Авторами разработаны не только конструктивные решения по горизонтальным и подрусловым водозаборным сооружениям, но и эффективные технологические решения по их строительству. На способы возведения новых типов подземных и подрусловых водозаборов получены патенты на изобретения, и еще несколько заявок находятся на рассмотрении [45-48]. Разработаны подробные технологические операции и схемы возведения этих водозаборов.

3.2.1 Способ возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкции [40-43,44-46].Конструкция этого водозаборного сооружения описана выше, на рисунке 3.5 приведены основные конструктивные схемы водозабора. Для полного понимания технологии возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкции на рисунке 3.5а приведено дополнительно сечение 2-2 по оси трубчатых дренажей 8.

Рисунок 3.5,а– Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции

Способ возведения горизонтального водозаборного сооружениякомбинированной конструкции осуществляется и работает следующим образом.

Вначале, по заданным размерам,для изготовления габионных тюфяков и трубчатых дренажей нарезают необходимое количество отрезов геомата, отрезков перфорированных труби габионных сеток. При этом дренажные перфорированные трубы должны быть из полимерных материалов, а ребра жесткости из плотной полосовой резины. Далееразрабатывают основную траншею под водоприемный лоток 1, вспомогательные траншеи под дополнительные водосборные линии 7 из дренажных труб 8 и котлован под водосборный колодец 14. Планируют основание лотка 1 с уклоном в сторону колодца и дно котлована под водосборный колодец 14. Уклон траншеи под водоприемный лотоксоставляет0,01…0,015, а траншей дополнительных водосборных линий 7 в сторону лотка 1 – 0,01…0,025. Затем одновременно строят водосборный колодец 14 илоток 1. Они могут быть выполненыиз бетона, железобетона, металла или полимерных материалов. Поверх лотка 1 устраивают арматурную сетку 2(А240 Ø 14-16мм) с ячейками 10х10 см или 10х20см. Производят засыпку траншеи вокруг лотка 1 до верха местным грунтом. В местах входа дополнительных линий 7 устраивают короткие каналы.Укладывают перпендикулярно к лотку 1 трубчатые дренажи дополнительных линий 7. Трубчатый дренаж представляет собой перфорированные трубы 9 с надетыми на определенном расстоянии друг от друга кольцами жесткости 10. На участки трубы между кольцами плотно наматываютгеомат 11 до радиуса колец жесткости 10 и натягивают сетчатую оболочку 12. Концевые участки дренажных труб 9проходят поверх лотка 1 в короткие каналы 13. После этого над лотком 1 по всей длине на арматурную решетку 2 укладывают продольные ряды габионных тюфяков 3, стыкуя между собой дренажные трубы 5. Сверху тюфяков 3 укладывают слой щебня, толщиной 10-15 см для предотвращения заиления габионных тюфяков. Габионные тюфяки 3 могут иметь следующие размеры: 30×20×120 см, 35×25×150 см, 40×30×200см и другие. Перфорированные трубы 5 для габионных тюфяков имеют диаметр до 10 см, адренажные трубы 9для дополнительных линий – до 20 см. В качестве геомата для тюфяков 3 и дренажных труб 8 наиболее подходит «Геомат СМТ 400», толщиной 3-5 мм.В водосборном колодце 14 монтируют всасывающий трубопровод 15, так чтобы входная часть патрубка находилась выше дна на не менее 30 см. Траншеи заполняют местным грунтом и территорию вокруг водозаборного сооружения планируют.

Способ возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкциии, наиболее эффективно может быть использован при реконструкции существующих и строительстве новых водозаборных сооружений на предгорных участках малых рек.

3.2.2 Способ возведения подземного горизонтального водозабора комбинированной конструкции.Основные конструктивные и технологические схемы водозабора приведены на рис. 3.6, где на схемеапоказано сечение по оси концевой части водозабора; на схеме б– план участка водозабора; на схеме в – поперечное сечение водозабора;на схеме г– габионный тюфяк из легких фашин и дренажных перфорированных труб; на схеме д– легкаяфашина; на схемее– гибкий тюфяк из легких фашин.

На дне водоприемной траншеи продольными рядами укладывают габионные тюфяки,состоящие из легких фашин, завернутых в габионную сетку с дренажными трубами. По верх габионных тюфяков вдоль траншеи укладывают гибкие тюфяки из рядов легких фашин, завернутых в геосетку. В устьевой части траншеи предусматривают жесткий лоток прямоугольного сечения, консольная часть которого соединена с водосборным колодцем. При этом габионные тюфяки с дренажными устройствами укладывают от траншеи до середины лотка.

Способ возведения подземного горизонтального водозабора осуществляется и работает следующим образом.

Из сухого и созревшего камыша изготавливают необходимое количество легких фашин 3. Из них, укладывая послойно с перфорированными трубами 4, изготавливают габионные тюфяки 2. Из легких фашин 3, заворачивая их в геосетку по 4-5 штук, изготавливают гибкие тюфяки 5. Разрабатывают водоприемную траншею 1 необходимой глубины и ширины, а также котлован под водосборный колодец 7. Планируют дно котлована под водосборный колодец 7 и дно траншеи 1 под габионные тюфяки 2, гибкие тюфяки 5 и жесткий лоток 6. При этом уклон траншеи 1 в сторону колодца 7 составляет 0,02…0,05.

а

б

в г

д е

Рисунок 3.6 — Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции

Строят водосборный колодец 7 и жесткий лоток 6 из бетона, железобетона или полимерного материала. После набора необходимой прочности материалов колодца 7 и лотка 6 в траншею в два ряда плотно укладывают габионные тюфяки, стыкуя перфорированные трубы 4. На ряды габионных тюфяков укладывают также продольными рядами гибкие тюфяки 5в два слоя с перевязкой. Габионные тюфяки могут иметь следующие размеры: 30×20×120 см, 35×25×150 см, 40×30×200 см и др. Гибкие тюфяки 5 делают длиной 150-200 см и диаметром 20-25 см. Траншея до верха заполняется местным грунтом.

Авторами этот подземный горизонтальный водозабор был усовершенствован и на способ его строительстватакже получен патент «Способ возведения горизонтального подземного водозабора комбинированной конструкции»[44].

Конструкция горизонтального подземного водозабора комбинированной конструкциивключает водоприемник и водосборный колодец. Основной водоприемник выполняют в виде открытого лотка 1, покрытого сверху металлической решеткой 2. На нее продольными рядами укладывают габионные тюфяки 3 с дренажными устройствами. Габионные тюфяки 3 изготавливают из легких фашин, перфорированных труб и металлической сетки. Поверх габионных тюфяков 3 вдоль лотка укладывают гибкие тюфяки 6из плотных рядов легких фашин, завернутых в геосетку. К основному водоприемнику перпендикулярно подходят дополнительные водосборные линии 7, выполненные из габионных тюфяков 3. В конце водоприемного лотка 1 устраивают водосборный колодец 9, оборудованный водозаборным трубопроводом 10.

Строительство подземного горизонтального водозабора осуществляется следующим образом.Изготавливают из камыша необходимое количество легких фашин 4 и гибких тюфяков 6. Также из легких фашин 4, укладывая их послойно с перфорированными трубами 5, изготавливают и габионные тюфяки 3. Разрабатывают в водоносном слое грунта основную траншею под водоприемный лоток 1, вспомогательные траншеи под дополнительные водосборные линии 7 и котлован под водосборный колодец 9. Подготавливают дно траншей под лоток 1 и вспомогательные линии 7 и дно котлована под водосборный колодец 9. При этом уклон основной траншеи под лоток 1 в сторону колодца 9 составляет 0,015…0,025, а уклоны траншей дополнительных водосборных линий 7 в сторону лотка 1 составляют 0,025…0,05. Строят одновременноводсборный колодец 9 и лоток 1 из бетона или железобетона. Лоток 1, укрывают арматурной решеткой 2 из A240 Ø 14-16 мм с ячейками 10×10 см или 10×20 см. Затем траншею лотка 1 до верха засыпают местным грунтом и перпендикулярно к нему в местах входа дополнительных линий 7 устраивают короткие каналы 8. Укладывают продольные ряды габионных тюфяков 3 над лотком 1 и в траншеи дополнительных водосборных линий 7. Сверху габионных тюфяков 3 вдоль лотка 1 укладывают продольными рядами гибкие тюфяки 6 в два слоя. Траншеи заполняют местным грунтом, а вокруг водосборного колодца 9 и на поверхность лотка 1 укладывают защитный экран 11 из глинистого грунта толщиной не менее 25 см для предотвращения попадания поверхностного стока в водоприемную часть сооружения.

Способ возведения горизонтального водозабора комбинированной конструкции наиболее эффективно может быть использовано в мелиоративных целях для отбора воды из пойменных и прибрежных водоносных грунтовых массивов малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 5 -10 м, гидравлически связанных с открытыми водными потоками рек. Рекомендуется его использовать также для забора воды в оросительные системы прибрежных земель предгорных зон.

3.2.3 Способ возведения подруслового водозабора комбинированной конструкции[48].

На рисунке 3.4 приведены основные конструктивные схемы водозабора. Разработаны технологические схемы строительства на возведения этого водозабора.

Подрусловойводозабор комбинированной конструкции, включает водосборную галерею в виде лотка с фильтрующим водоприемником из слоев габионных дренирующих тюфяков игеорешетки с заполнением ячеек щебнем. Дренирующие тюфяки изготавливают призматической формы из нескольких слоев геомата и двух ниток перфорированных труб, обернутых в габионную сетку. В концевой части лотка устраивают водосборный колодец, укрытый по металлической решетке водоприемником по аналогии с водосборным лотком. Из водосборного колодца устраивают закрытый водопровод для отвода воды по назначению.

Вначале выбирается место строительства водозабора и осуществляется привязка сооружения. Заготавливается необходимое количество геоматов 5, перфорированных труб 6, георешетки 4 и металлической решетки 2. Изготавливают необходимое количество габионных тюфяков 3.

После выполняются работы по отводу реки от места строительства и разрабатывают траншею под водоприемный лоток 1 и котлован под водосборный колодец 8 и отводящий водопровод 9. Сначала строится водоприемный лоток 1 из монолитного бетона или железобетона,следом водосборный колодец8 из железобетона. Одновременно с колодцем 8 строится входная часть закрытого отводящего водопровода 9. После набора прочности бетономлотка 1 и колодца 8 над водоприемным лотком 1 и водосборным колодцем 8 возводится фильтрующий водоприемник из габионных тюфяков 3, укладываемых горизонтальными рядами на металлические решетки 2. На водоприемник по всей его площади(лотка 1 и колодца 8) укладывают георешетку 4 и заполняют его ячейки щебнем. Производится обратная засыпка местным грунтом траншеи и котлована,территория водозабора обустраивается.

Подрусловой водозабор комбинированной конструкцииработает следующим образом. Сооружение заглубленное и располагается в русле реки. Основной водный поток свободно протекает поверх водоприемной части лотка 1 и колодца 8. Вода под напоромфильтруется в лоток 1 и колодец 8 через слой щебня 4 и габионные тюфяки 3. При этом щебень и тюфяки работают как фильтры иочищают воду от взвешенных частиц. Для обеспечения эффективной работы и предотвращения завала наносами водоприемной части лотка1 и колодца 8 необходимо, чтобы их уклон по оси сооружения был немного выше, чем уклон русла реки.

Способ возведения подруслового водозабора комбинированной конструкции может быть эффективно использованна горных и предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

3.3.Новые технические решения по защитно-регуляционным сооружениям участков малых рек с водозаборными гидроузлами

Для обеспечения надежной работы водозаборных сооружений возникла необходимость регулирования русел рек на примыкаемыхучастках. Русла рек регулируют не только для защиты прибрежных зон, но и для улучшенияусловий водозабора. Для этого должны быть использованы экологически эффективные технологии регулирования участков рек с водозаборными узлами, которые обеспечивали бы одновременно и инженерную защиту и восстановление нарушенных земель прибрежных водоохранных зон.

Защитно-регуляционные сооружения являются самыми распространенными и протяженными сооружениями, с помощью которых регулируют участки рек и защищают прибрежные земли. Вместе с тем защитно-регуляционные сооружения, занимая большую площадь водоохранных зон и взаимодействуя с водными потоками и бассейнами, оказывают существенное влияние на их экосистемы. Современный сложившийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации этих сооружений показывает, что в значительной степени преобладают техногенные подходы, негативно влияющие на окружающую природную среду. Сооружения проектируют без учета особенностей малых рек их наносного и скоростного режимов.

Авторамиразработанэффективный методрегулированиярусла и защиты прибрежных зонспомощьюкороткихполузапруд-отбоек,устраиваемыхвосновании (по линиидонныхоткосов)оптимальногосечения,и гибкихоткосныхкрепленийкомбинированныхконструкций.На уровнеизобретенийразработанряд биопозитивных конструкцийполузапрудотбоек,береговыхи откосных креплений,и технологийихстроительства [53-58].Многиеизнихпрошлиэкспериментальныеисследованиянареках,гдепоказалисебяэффективнымиинадежными.

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству защитно-регуляционных сооружений преобладают техногенные технологии. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций берегозащитных и руслорегулировочных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек [69,70,71,72,73].

Ниже приводятся некоторые технические решения авторской разработки по защитно-регуляционным сооружениям, которые могут быть эффективно использованы для обеспечения надежной и экологически безопасной защиты водозаборных гидроузлов и отдельных сооружениймелиоративных систем прибрежных зон.

На рисунке3.7 показаны схемы прибрежного крепления из фашин и габионных тюфяков биопозитивной конструкции[53].Прибрежное крепление содержит береговой откос 2, состоящий из послойно уложенных рядов легких и тяжелых фашин. Тяжелые фашины 1 уложены продольными и поперечными полосами с образованием квадратных или прямоугольных клеток, разных размеров от 1 до 2,5 м. Тяжелые фашины 1 связаны между собой с помощью металлических нержавеющих сеток и проволок. Внутри клеток в основание уложена и прикреплена к тяжелым фашинам 1 полимерная сетка 4, на которую в один слой плотными рядами уложены легкие фашины 3. Фашины укрыты габионной сеткой 5.

а	б
в	г

Рисунок 3.7 — Прибрежное крепление из фашин биопозитивной конструкции (Патент на изобретение №2569828):

а – поперечное сечение берегозащитного сооружения; б – план участка крепления; в – арматурный решетчатый каркас;

г – тяжелая фашина

Дополнительно в основании откоса 2 на определенном расстоянии друг от друга устроены габионные тюфяки 6 призматической формы и прикреплены к тяжелым фашинам 1 откосного крепления. Сверху габионных тюфяков 6 уложен арматурный решетчатый каркас 8 сегментной формы и прикреплен к габионным тюфякам 6. Арматурный каркас 8 с помощью тросов или проволоки 10 местами прикреплен к анкерам 11, которые устраивают в откосе 2 выше крепления и на расстоянии друг от друга. Крепление предназначено для инженерной и природоохранной защиты прибрежных зарегулированных участков рек на их предгорных и равнинных участках, где средние скорости потоков не превышают 2,5-3,0 м/с. Наиболее эффективно оно может быть использовано на труднодоступных участках малых рек, где устраиваются водозаборные гидроузлы.

На рисунке3.8показаны схемы подпорных стен для защиты прибрежных зон от размыва и обрушения, [54].

А	в
Б	г д

Рисунок 3.8 — Подпорные стенки для защиты прибрежных зон от обрушения и размыва: а – сечение подпорной стенки, б– план участка подпорной стенки, в – тяжелая фашина,г – габионный тюфяк, д– легкая фашина.

Подпорные стенки для защиты прибрежных зон рек от обрушения и размыва выполнены двух видов: первый двухступенчатый из уложенных тяжелых фашин и габионных тюфяков; второй – многоступенчатый из габионных тюфяков на армированном сетками из стеклопластика грунтовом массиве откоса. Подпорные стенки первого вида состоят из первой ступень 1 и второй ступени 2, выполненных из тяжелых фашин 3 и габионных тюфяков 4. Тяжелые фашины 3 состоят из заполнителя и гибкой оболочки; заполнитель выполнен из мешков 5, заполненных плодородным растительным грунтом с добавлением семян многолетних трав и кустарников; а оболочка – из сухого камыша 6 и гибкой габионной сетки 7. В местах перевязки тяжелых фашин 3 предусмотрены монтажные петли 8. Габионные тюфяки 4 состоят из легких фашин 9, перфорированных труб 10 и габионной сетки 11.

Второй вид подпорных стен выполнен из ступенчато уложенных габионных тюфяков 4, к основанию которых прикреплены гибкие тюфяки 12 из металлических или полимерных материалов шириной в 2 и более раз большей ширины тюфяков. При этом гибкие армирующие сетки 12 габионнных тюфяков 4, ступенчато врезаны в обрушаемый грунтовый массив откоса по всей его высоте, так чтобы глубина врезов доходила до устойчивых грунтов за пределы линии возможного обрушения земляного массива откоса.

Подпорные стенки обладают высокой деформативностью и водопроницаемостью. Основные нагрузки грунтового массива и фильтрационного потока воспринимают габионные тюфяки 4 с армирующими элементами 12, а также двухступенчатая стенка из тяжелых фашин 3 и габионных тюфяков 4 у подошвы откоса. Сооружение армирует массив грунта на откосе, перехватывает и отводит фильтрационный поток. Кроме того, предусмотренная у подошвы сооружения двух ступенчатая стенка предотвращает размыв и сдвиг откосного крепления с грунтовым массивом, обеспечивает полный перехват и безопасный отвод грунтового фильтрационного потока, в т.ч. и поверхностного стока.

Таким образом, подпорные стенки обеспечивают надежную защиту прибрежным зонам на их предгорных и равнинных участках, где возможны размывы русла и обрушения грунтовых массивов, когда высота прибрежного обрушаемого откоса не превышает 10-14 метров.

На рисунке 3.9 показаны схемы габионного тюфяка гибкой конструкции, где на фиг. 1 изображено поперечное сечение откосного крепления из габионных тюфяков; на фиг. 2 — то же самое в плане [55].Габионный тюфяк гибкой конструкции укладывается на песчаную подготовку 1. Состоит из крупноячеистой сетки из металлической проволоки 2 с ячейками 1,0 x 1,0 м, геотекстиля 3, георешетки 4 с заполнением ячеек местным грунтом 5, слоя гравия или щебня 6, укрытого сверху геосеткой 7, прикрепленной к крупноячеистой сетке 2. Сетка прикреплена к бетонным анкерам 8, устроенным в откосе выше тюфяков.

Рисунок 3.9 –Габионный тюфяк гибкой конструкции

Габионный тюфяк гибкой конструкции работает следующим образом. При прохождении паводковых расходов реки (канала) вдоль откосов с креплениями из габионных тюфяков, нагрузки потока воды рассредотачиваются и частично гасятся из-за гибкости и водопроницаемости конструкции. Часть прибрежного потока воды проходит через крепление в грунтовое основание берега. Наличие песчаной подготовки 1 и геотекстиля 3 в основании тюфяка предотвращает возможный контактный размыв подстилающих грунтов под креплением.

Со временем такое крепление зарастает травой и кустарниками и превращается в биопозитивное сооружение, которое не нарушает природную среду и воспринимается природой как родственный ей элемент.

Габионный тюфяк гибкой конструкции предназначен для защиты прибрежных откосов на трудно доступных участках рек и каналов с уклонами i=0,0002…0.001.

Для восстановления эродированных земель мелиоративных систем эффективно может быть использовано противоэрозионное крепление биопозитивной конструкции [59].На рисунке 3.10приведены схемы противоэрозионного крепления, где на фиг. 1 изображено сечение крепления по линии откоса склона; на фиг. 2 – план участка крепления; на фиг. 3 — сечение устройства вдоль линии крепления склона; на фиг. 4 – легкая фашина; на фиг. 5 — гибкий цилиндрический тюфяк.

Крепление содержит гибкие цилиндрические тюфяки 1, выполненные из легких фашин 2 и перфорированных труб 3, завернутых в геосетку 4. Гибкие тюфяки 1 уложены параллельными рядами вдоль эродированного участка склона с углублением в землю и на определенном расстоянии друг от друга. А в промежутки между гибкими тюфяками плотными рядами по всей площади уложены легкие фашины 2. Поверх рядов гибких тюфяков 1 и легких фашин 2 по всей площади крепления уложена габионная (металлическая или полимерная) сетка 5, местами анкерованная в грунт с помощью металлических или стеклопластиковых кольев 6.

Фиг. 5.

Рисунок 3.10 — Схемы противоэрозионного крепления биопозитивной конструкции

4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРОВОДЯЩИХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

4.1. Общая характеристика

Опыт эксплуатации и результаты натурных полевых исследований на магистральных каналах Чегемской ООС, расположенной в предгорной зоне, подтверждают обоснованность и эффективность приведения прямоугольных и трапецеидальных каналов к полигональному профилю. Имеются результаты комплексных исследований магистральных каналов с прямоугольным поперечным профилем. Данные по гидравлическим и наносным режимам, а также их влиянию на эксплуатационную надежность и гидравлическую эффективность. На основе этих данных получена зависимость интенсивности истирания бетонной облицовки от наносного и гидравлического режимов эксплуатации каналов. Получены графические зависимости интенсивности истирания бетонной облицовки по характерным участкам. Анализ результатов исследований позволил установить влияние полигонального поперечного сечения на надежность и гидравлическую эффективность каналов. Для полигональных каналов определены и уточнены показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. С учетом требований повышения надежности и эффективности существующих каналов трапецеидального и прямоугольного сечений разработаны новые технологические и конструктивные решения для реконструкции и приведения их к полигональному поперечному профилю [38,51,60,61,62,63].

4.2. Обоснование эффективности приведения каналов трапецеидального сечения к полигональному профилю

В нашей стране каналы с трапецеидальным поперечным сечением получили наибольшее распространение. Их широко используют в мелиорации, водоснабжении, гидроэнергетике, судоходстве и т.п. благодаря простой форме поперечного сечения. Для этих каналов существует известная зависимость для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения.

(4.1)

Согласно формуле (4.1) каждому значению коэффициента заложения откоса m соответствует определенное значение , то есть для трапецеидального канала характерно множество вариантов гидравлически наивыгоднейшего сечения, что не соответствует формулировке ГНС [60, 62, 63,64] Согласно этой формулировке, приводимой в действующих справочных и научно-технических источниках, это сечение с максимальной пропускной способностью Q_maxканала при заданных площади живого сечения , уклона i и коэффициента шероховатостиn. Другими словами это сечение, обеспечивающее пропуск необходимого расхода Q при минимальной площади живого сечения . Значит, у трапецеидального канала должно быть одно единственное гидравлически наивыгоднейшее сечение.

Задаваясь значениями , nи одним из геометрических параметровh, можно определить основные гидравлические характеристики канала. Расходная характеристика трапецеидального канала имеет вид:

(4.2)

Смоченный периметр канала:

(4.3)

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.1. По этим данным построены графики зависимости и (рис. 4.1).

Таблица 4.1 — Гидравлические характеристики канала

Рисунок 4.1 — Графики зависимостей и

Анализ графиков показывает наличие точек экстремума, при этом точка минимума на графике соответствует точке максимума на графике . Берем производную ^`= о:

Из формулы (3.4) выводим . При котором принимает минимальное, аК– максимальное значение. То есть, m=0,577 является значением заложения откоса для гидравлически наивыгоднейшего сечения, для любых значений и n.

Чтобы проверить наше утверждение о том, что гидравлически наивыгоднейшее заложение откоса m_{г.н .}= 0,577, при постоянной площади живого сечения , через величину относительной ширины из формулы (4.1) определены гидравлические характеристики каналов с трапецеидальным сечением для различных значений m, а также прямоугольным () и каналов с треугольным сечением (m = 1). Для сравнения расчеты произведены при различных постоянных значениях и . Результаты сведены в табл. 4.2. Из таблицы видно, что при m_г.н.=0,577 и для трапецеидального канала значение становится наименьшим, аК – наибольшим.

Все это наглядно видно по графику, построенному в безразмерных параметрах (рис. 4.2). Это подтверждает, что у трапецеидального канала только одно гидравлически наивыгоднейшее сечение, которое характеризуется величинами и . Это сечение является гидравлически наивыгоднейшим и для прямоугольных и треугольных каналов. Наивыгоднейшее сечение трапецеидальный канал имеет с характеристиками m=0,5.. 0,7 и . Данный факт был признан изобретением, и на это автору было выдано авторское свидетельство в 1989 г. под номером № 15521809 [6].

Рисунок 4.2 — График зависимости

Результаты аналитических исследований каналов полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов приводятся во 2 главе, п. 2.1. Учитывая результаты этих исследований, определяем основные гидравлические характеристики преобразованного канала с полигональным профилем. При исходных данных как и для трапецеидального канала, (живое сечение 5,0 м² и 20,0 м²) определяются гидравлический радиус, смоченный периметр и модуль расхода. Данные расчета сведены в таблицу 4.3. Анализ результатов из таблиц 4.2 и 4.3 говорит о том, что переустройство трапецеидального канала в полигональный позволяет улучшить их гидравлические характеристики.

Таблица 4.2 — Характеристики живого сечения канала

Таблица 4.3 — Характеристики живого сечения полигонального канала

Для реконструкции существующих трапецеидальных каналов, проектирования и строительства новых, выгоднее принимать поперечное сечение с наклонными боковыми откосами с заложением m₁ , а также с треугольным основанием (рис.4.3) .

Рисунок 4.3 — Симметричное сечение полигонального канала с наклонными боковыми откосами и с треугольным основанием

4.3. Новые технические решения для повышения надежности и эффективности работы каналов

На основании результатов гидравлических исследований полигональных каналов авторами разработаны новые конструктивные и технологические решения, позволяющие эффективно реконструировать существующие и проектировать и строить новые каналы различного назначения. Предлагаемые решения эффективно могут быть применены для условий предгорных и горных зон.

Для сравнительного анализа (оценки) в таблице 4.4 приведены данные натурных и теоретических исследований и значения показателей гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности магистральных каналов прямоугольного сечения Чегемской ООС (КБР). По результатам анализа видно, что по большинству показателей гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность этих каналов ниже нормативных, когда скорости воды находятся в допустимых пределах [62, 64].

Таблица 4.4 — Сравнение показателей гидравлической эффективности иэксплуатационной надежности прямоугольных каналов

Для предлагаемых, новых полигональных каналов, привязанных к условиям магистральных каналов Чегемской ООС, также были определены значения показателей эксплуатационной надежности и гидравлической эффективности (табл. 4.5).

Сравнение расчетных значений с нормативными показывает, что гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность полигональных каналов по всем параметрам обеспечивается с запасом [63,64].

Таблица 4.5 — Сравнение показателей гидравлической эффективности иэксплуатационной надежности полигональных каналов

Авторы выполнили большой объем расчетов и определили основные гидравлические характеристики полигональных и прямоугольных для возможных значений B, h_i, m, , n, iи т.д. По результатам анализа этих исследований выявлено, что при всех прочих равных условиях для полигональных каналов в сравнении с прямоугольными пропускная способностьQ увеличивается на 5-10%, а смоченный периметр снижается на 7…8% .

Преимуществами каналов полигонального сечения является обеспечение равномерного движения потока и его относительная стабилизация, равномерное распределение гидродинамических нагрузок от движущегося потока на полное поперечное сечение канала и снижение высоты волн, в том числе и стоячих. Все это является следствием устойчивого сосредоточения центра тяжести потока по геометрической оси канала, над вершиной треугольного основания. Все эти условия, обеспечивающиеся в полигональном канале, и являются определяющими гидравлическую эффективность полигонального сечения по сравнению с прямоугольными и трапецеидальными. Еще одним не маловажным положительным фактором для каналов предгорных и горных участков со сложным наносным режимом является то, что в них наносный сток (взвешенный и влекомый) также сосредотачивается в центре водного потока. Уменьшается площадь абразивного воздействия, но при этом необходимо отметить, что и возрастает ее интенсивность. Это требует устройства на этом участке прочного износостойкого крепления [27,38,62,65].

4.4. Обоснование эффективности приведения прямоугольного канала к полигональному сечению

Существующие каналы с прямоугольным и трапецеидальным сечением обладают низкой эффективностью. Одним из факторов низкой гидравлической эффективности этих каналов для предгорных и горных участков является образование волн при высоких скоростях потока () и как следствие перелив воды за борта каналов. Необходимо создание каналов эффективной конструкции, обеспечивающих заданную пропускную способность и снижение затрат на реконструкцию старых и строительство и эксплуатацию в последующем новых каналов.

Для достижения поставленной задачи, то есть увеличения пропускной способности и снижения затрат на реконструкцию, строительство и эксплуатацию, рекомендуется выполнять канал полигонального сечения. Для магистральных прямоугольных каналов Чегемской ООС с вертикальными стенками (m₁ = 0), относительной шириной и относительной глубиной это приведение к полигональному путем использования существующих стенок, выполненных из Г-образных и перевода (реконструкции) монолитного дна к треугольному (см. рис. 4.4). При этом бетон облицовки дна практически выработал свой ресурс.

Возможны другие конструктивные решения для различных грунтовых условий (рис. 4.5). На рис. 4.5, а приводится поперечное сечение каналов в скальных грунтахбез облицовки, а на рис. 4.5, б – в слабых грунтах, где облицовка выполнена, как варианты, в виде боковых подпорных стен и донной облицовкой. Каналы получают полигональный профиль с вертикальными боковыми стенками и треугольным основанием, т.е. сечение образует половину правильного многоугольника [62,64].

Рисунок 4.4 — Реконструкция прямоугольного канала с приведением к

полигональному профилю:

1 – Г-образные блоки; 2 – монолитное дно; 3 – облицовка нового дна;

4 – заполнение бетонное или бутобетонное.

а) канал без облицовки в скальных грунтах

б) канал в слабых грунтах с облицовкой

Рисунок 4.5 — Конструкции полигональных каналов для различных грунтовых условий:1 – вертикальные стенки; 2 – донные откосы,

В зависимости от прочности грунтов, их размываемости, водопроницаемости, а также глубины лотка и его заглубления в выемке боковые стены 1 могут выполняться в виде подпорных стен из монолитного бетона, железобетонных плит или блоков, габионов или армогрунта. Донные откосы 2 облицовываются монолитным железобетоном или сборными железобетонными элементами.

Приведение сечения прямоугольного канала к предлагаемому полигональному в отличие от других призматических является наиболее оптимальным. Так как каналы с вертикальными боковыми стенками распространены и в перспективе потребуется их реконструировать. Подобрать ГНС для таких сечений каналов по известным методикам сложно.

Для каналов полигонального профиля глубиной до 3,0 м, прокладываемых в скальных грунтах или в полувыемке-полунасыпи, гидравлически наивыгоднейшее сечение также является экономически наивыгоднейшим. Устраивать каналы того же профиля в слабых грунтах и глубокой выемке Н> 2,5 – 3 м с мощными боковыми креплениями в виде подпорных стен (рис. 4.5, б) сложно и дорого, поэтому для них гидравлически наивыгоднейшее сечение не всегда оказывается и экономически наивыгоднейшим.

Для повышения надежности и эффективности прямоугольного канала (лотка) путем увеличения пропускной способности, при снижении затрат на износостойкую облицовку, предлагается новое техническое решение по приведению их к полигональному сечению с треугольным основанием, показанному на рис. 4.6

а)
б)
в)

Рисунок 4.6 — Канал с износостойкой облицовкой и треугольным дном:а – поперечное сечение канала; б – план участка канала;

в – продольный разрез участка канала.

Как выше было отмечено, в полигональных каналах интенсивность абразивного износа возрастает в силу сосредоточения твердого наносного стока. В связи с этим, предлагается укрепить донные откосы 2 слоем полимербетона 3 и речным камнем 4, который уложен поперечными рядами. Булыжный камень замоноличен в слой полимербетона и конструкция укреплена арматурной решеткой 5.

Сечение канала имеет относительную ширинуи относительную глубину. Все остальные параметры вычисляются по формулам равномерного и неравномерного режимов потока.

По разработанной технологии возведения канала вначале по профилю канала устраивается выемка. Затем из железобетона устраивается облицовка донных наклонных откосов 2 и боковых в виде подпорных стен 1.

Поверх железобетонной облицовки дна 2 устраивается подготовка толщиной 10 см из монолитного полимербетона 3, на который на некотором расстоянии друг от друга укладывается поперечными рядами булыжный камень 4. Для укрепления конструкции укладывается арматурная решетка 5 из отдельных продольных и поперечных стержней. Решетка жестко замоноличивается анкерами 6 в облицовку дна и стенок. Затем булыжник 4 и арматурная решетка 5 заливается полимербетоном на 3/4высоты камня, а арматурная решетка заливается защитным слоем полимербетона (не менее 3см).

Предлагаемую износостойкую облицовку можно использовать и при реконструкции каналов, водосбросов и быстротоков. Для этого вначале участками демонтируется старое дно, профилируется с углублением h₂по центру и далее устраивается крепление. Для устойчивости поперечного сечения важно жестко соединять и замоноличивать новые донные крепления со старыми сохранившимися боковыми стенами 1 каналов.

Полигональные сечения с вертикальными стенками и треугольным основанием, наиболее эффективны для водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках, для которых характерны бурные потоки с интенсивным наносным стоком.

На конструкцию и способ возведения лоткового канала полигонального профиля получены патенты на изобретения [66,67].

4.5. Эффективные конструктивные и технологические решения по проектированию и строительству каналов полигонального сечения

При строительстве полигональных каналов небольшого поперечного сечения сложно производить профилирование выемки, так как требуется доработка сечения вручную для обеспечения точности, предусмотренного проектом. Таким образом, строительство усложняется со всеми вытекающими последствиями, в связи с необходимостью выполнения большого объема ручных работ. Надо отметить, что и процесс устройства облицовки также включает большие объемы ручного труда.

Для снижения объемов ручного труда, максимальной механизации строительных работ, повышения производительности, сокращения затрат на строительство предлагается канал выполнять из однотипных и одноразмерных сборных железобетонных блоков правильной уголковой формы (рис.4.7а) [63,67,68].

Профиль канала выполняется из трех таких блоков, один из которых укладывается по центру основания с вершиной по линии геометрической оси канала, а два блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с проектными боковыми углами сечения лотка (рис. 4.7б, в). Ветви уголковых блоков имеют арматурные выпуски, по которым их соединяют между собой по линии донных откосов и замоноличивают бетоном. Недостающие длины веток блоков можно наращивать монолитными или сборными включениями. Это позволит выполнять сечения каналов различных (требующихся проектом) параметром.

а)
б)
в)

Рисунок 4.7 — Сборный канал из однотипных и одноразмерных железобетонных блоков правильной уголковой формы:

а – сборный уголковый железобетонный блок, б – поперечное сечение канала,в – участок канала в плане.

Сборные элементы (рис. 4.7 а) представляют собой железобетонные блоки повышенной заводской готовности с правильной уголковой формой поперечного сечения с вершиной по центру и с углом на вершине 120 – 158^о. Из двух веток уголковых блоков предусматриваются арматурные выпуски, в боковых гранях предусмотрены монтажные петли 6 в прямоугольных пазах. Угол вершины сечения сборных уголковых блоков задается с учетом возможности создания эффективных гидравлических условий в каналах.

Оптимальные наивыгоднейшие значения заложений откосов для каналов лежат в пределах: , . На основе этих условий определен оптимальный угол вершины сечения блока 2 в пределах = 120 ÷ 158^о. При = 120^о сборный канал имеет полигональное сечение с вертикальными боковыми откосами , а при = 158^о боковые стенки имеют откос с заложением . Все эти параметры лежат очень близко к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала.

В таблице 4.6 даются величины угла и соответствующие им значения коэффициентов заложения откосов и для гидравлически эффективного сечения.

Таблица 4.6 — Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков

Как видно из таблицы для сборных каналов, выполненных из уголковых блоков можно задать пределы заложения боковых откосов и донных , что позволяет строить каналы оптимального полигонального сечения с необходимыми параметрами для различных эксплуатационных условий.

Типовые размеры уголковых блоков могут иметь различные значения. При этом ветви блоков должны быть равными , как у правильного уголка, в этом случае они легко изготавливаются, монтируются и транспортируются. Данные параметры уголковых блоков 2 ( и ) таковы, что позволяют возводить полигональные каналы с вертикальными и наклонными боковыми стенками и с треугольным основанием из трех блоков одного типоразмера (рис. 4.7б).

Для строительства каналов большего поперечного сечения заполнение пространства между сборными элементами 2 и наращивание боковых стенок 5 может осуществляться сборными железобетонными элементами – плитами. Все сборные элементы жестко свариваются по арматурным выпускам между собой с последующим замоноличиванием швов.

При работе полигонального канала основные гидродинамические нагрузки потока сосредоточиваются по центру русла. При наличии наносов в потоке и при высоких скоростях происходит интенсивный абразивный износ облицовки дна вдоль вершины треугольного основания, т.е. центральный (донный) блок в основание канала. Для повышения износостойкости облицовки необходимо использовать качественные цементы и заполнители из высокопрочных каменных материалов, использовать в качестве крупного заполнителя щебень с повышенной шероховатостью поверхности зерен, использовать щебень мелких фракций для увеличения суммарной площади поверхности крупного заполнителя, уплотнять структуру материала и соблюдать технологию производства. Последние требования говорят о предпочтении использования элементов заводского изготовления, отличающихся высоким качеством. В десятки раз повышают сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов полимерные добавки. Соблюдение всех этих требований для элементов облицовки дна повысит ее износостойкость, а значит, обеспечит сохранение требуемого уровня надежности на длительный срок.

Таким образом, использование однотипных и одноразмерных сборных железобетонных блоков правильной уголковой формы с углом на вершине 120 – 158^о, позволяет возводить полигональные каналы с параметрами близкими к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам по индустриальным высокотехнологичным методам строительства.

Лотковые каналы полигонального сечения с вертикальными и наклонными боковыми стенками и треугольным основанием, могут быть наиболее эффективно использованы при строительстве водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростными (> 3 м/с и уклоны больше критических) и наносными режимами.

На конструкцию вышеприведенного гидротехнического канала полигонального сечения из сборных железобетонных элементов и на способ его возведения авторами получены патенты на изобретения [67, 68].

4.5.1. Гидротехнический канал полигонального сечения

На рис. 4.8. приведены схемы канала полигонального сечения, где на фиг.1 изображено поперечное сечение канала без облицовки; на фиг.2, 3 и 4 — то же, в слабых грунтах с облицованными откосами.

Канал представляет собой вписанный в полукруг (или сегмент) лоток полигонального сечения с симметричными откосами: двумя верхними с заложениями m₁; двумя средними с заложениями m₂; двумя донными с заложениями m₃.

Канал содержит лоток полигонального поперечного сечения с тремя парами симметричных откосов: двумя верхними откосами — 1; двумя средними откосами — 2; двумя донными откосами — 3 и бровками 4, проложенными в прочном скальном грунте 5 (фиг.1).

В более слабом грунте 6 (фиг.2, 3 и 4), в зависимости от его прочности и глубины лотка откосы 1, 2 и 3 могут быть облицованы монолитным или сборным покрытием 7; откосы 1 выполнены в виде подпорных бетонных 8, габионных 9 и армогрунтовых 10 стен, а откосы 2 могут быть облицованы каменным покрытием 11.

Сечение рассматриваемого канала разбито на 3 части. Характеристики верхней части обозначены через m₁и h₁; средней части — m₂, h₂и нижней части m₃и h₃.

Все параметры сечения канала выражены через глубину h₁верхней части сечения (без учета запаса превышения бровки и над уровнем воды) с помощью относительных глубин:

Площадь живого сечения канала

ω=ω₁+ ω₂ + ω₃=B₁h₁+m₁h² ₁+B₂h₂+m₂h₂ ²+m₃h² ₃, (4.5)

B₁=B₂+2m₂h₂; B₂=2m₃h₃ (4.6)

С учетом выражений принятых обозначений получена формул по определению относительной ширины:

β = 2m₃α₃+2m₂α₂, (4.7)

которая наиболее полно характеризует сечение полигонального канала. В этой формуле все безразмерные параметры сечения связываются в одну простую математическую зависимость, с помощью которой легко подбирается ГНС рассматриваемого канала.

Как известно, ГНС представляет собой такое сечение, в котором при заданной площади живого сечения W, уклона i и коэффициента шероховатости n пропускная способность канала будет наибольшей из всех возможных случаев. Но чаще ГНС канала определяют как сечение, в котором при данных n и i заданный расход Q проходит при минимальных значениях площади живого сечения W и смоченного периметра χ_min. Известно, что сечение канала, выполненное в виде полукруга, является самым гидравлически наивыгоднейшим из всех возможных сечений открытых каналов. Полигональное сечение, выполненное в виде половины вписанного правильного многоугольника, находится наиболее близко к полукругу (фиг. 1). Исходя из того, что у правильного многоугольника все стороны равны и симметричны, можно получить оптимальное сечение.

Таким образом, можно констатировать следующее: предлагаемая Угинчусом А. Методика расчета ГНС полигональных каналов (с построением сложных универсальных характеристик) не позволяет подобрать действительно гидравлически наивыгоднейшее сечение.

Все это хорошо видно из таблицы приложения, где приведены результаты основных расчетов. Кроме того, по предлагаемому варианту очень легко подбираются основные характеристики ГНС, объем расчетов получается более чем в 3 раза меньше, по сравнению с методикой Угинчуса А.

Условия ГНС соблюдаются и для полигонального сечения с шириной по низу b (фиг.1 и 4). Только живое сечение W и смоченный периметр χ определяются с учетом величины b.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение полигонального канала является и экономически наивыгоднейшим в случае, когда канал проходит по скальному основанию. В этом случае канал можно выполнить с любыми малыми значениями заложений откосов (15) без дополнительных затрат на крепления откосов. Из-за малой площади живого сечения уменьшается объем выработки грунта, соответственно, уменьшаются и затраты на строительство единицы длины канала.

В случае, когда канал проходит в нескальных грунтах (фиг.2, 3 и 4), очень сложно выполнить верхние откосы с заложением m₁<1, возникает необходимость укрепить их подпорными стенками из бетона 8, из габионов 9 или из армированного грунта 10. Устройство подпорных стен обходится дорого, возрастает объем земляных работ и креплений. Поэтому гидравлически наивыгоднейшее сечение не всегда оказывается экономически наивыгоднейшим. Чтобы вместо подпорных стенок можно было предусмотреть простое крепление, необходимо увеличить заложение верхних откосов m₁>1.

В связи с этим, экономически наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в более широких пределах.

При назначении заложений откосов необходимо стремиться, чтобы в результате получилось правильное полигональное сечение, то есть в виде части вписанного правильного многоугольника (фиг.1).

Относительные глубины

(4.8.)

Площадь живого сечения канала

ω=ω₁+ ω₂ + ω₃=B₁h₁+m₁h₁²+ B₂h₂ + m₂h₂²+ m₃h₃², (4.9)

где В₁=В₂+ 2m₂h₂; В₂ = 2m₃h₃

С учетом выражений (4.5) и (4.6)

(4.10)

Относительная ширина верхней части сечения

(4.11)

Выразив B₁ через β формула (4.11) после преобразования принимает вид

ω = βh²₁+ m₁h₁²+ 2m₃a₃a₂h₁²+ m₂a₂²h₁²+ m₃a₃²h₁² , (4.12)

ω = h₁²(β + т₁+ 2т₃а₃а₂+ т₂а₂²+ т₃а₃²) (4.13)

(4.14)

Из (4.14) глубина верхней части сечении

(4.15)

Приравняв формулы (4.10) и (4.14) и выполнив сокращения подобных членов, получим формулу по определению относительной ширины

β+ т₁+ 2т₃α₃α₂+ m₂α₂² + m₃α₃² = 2m₃α₃ + 2т₂α₂+ т₁ + 2т₃α₃α₂+ m₂α₂² + m₃α₃²,

β = 2т₃а₃+ 2т₂а₂(4.16)

В этой формуле все безразмерные параметры сечения связываются в одну простую математическую зависимость, с помощью которой легко подбирается ГНС. Она (4.16) наиболее полно и точно характеризует сечение рассматриваемого канала с тремя парами симметричных откосов.

Полигональное сечение, выполненное в виде половины правильного многоугольника, находится наиболее близко к полукругу. С учетом того, что у правильного многоугольника все стороны равны и симметричны, можно получить следующее уравнение

(4.17)

отсюда

(4.18)

Смоченный периметр сечения

(4.19)

У вписанного в полукруг полигонального сечения гидравлически наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в следующих пределах

m₁=0,25….0,8

m₂=1….1,5 (4.20)

m₃=2….4

Подобранное сечение с соблюдением условий (4.16), (4.18) и (4.20) описывается полукругом и является гидравлически наивыгоднейшимсечением. Все это подтверждается многочисленными расчетами, проведенными по предлагаемой методике для всевозможных значений и соотношенийα₂, α₃, т₁, т₂и т₃. По результатам расчета для каждого варианта отбирались те значения а_i, и m_i, которые давали(относительно) гидравлически наивыгоднейшие показатели. Из всех выбранных значений наиболее оптимальными оказались а₂ = 0,5, а₃ = 0,3, т₁ = 0,44, т₂ = 1 и т₃ = 3. При этих значениях относительных глубин а, и заложений откосов т₁определяемое сечение данного полигонального канала очень близко располагается к полукруглому сечению. Оно получается действительно гидравлически наивыгоднейшим по сравнению со всеми другими возможными вариантами.

Предлагаемое полигональное сечение, подобранное с соблюдением вышеприведенных условий обеспечивает высокую эффективность работы канала за счет увеличения пропускной способности. При этом и материальные затраты на строительство канала уменьшаются за счет уменьшения площади облицовки.

С полигональным сечением можно строить не только мелиоративные и энергетические каналы, но и судоходные каналы и зарегулированные участки русла реки (фиг.4).

Рисунок 4.8 – Гидротехнический канал полигонального профиля

Результаты расчетов выполненных по вышеприведенным формулам (4.5)….(4.20) подтверждают высокую эффективность каналов полигонального профиля.

В таблице 4.7. приведены результаты гидравлического расчета каналов полигонального профиля по методике Угинчуса А. и методике Курбанова С.О. Результаты по авторской методике получились очень близкими к результатам расчета каналов полукруглого сечения (самого гидравлически наивыгоднейшего сечения).

Таблица 4.7- Сравнительные результаты гидравлических расчетов

5. МЕТОДОЛОГИЯ И МОДЕЛИ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

5.1. Научные основы и методология оптимизации сечений полигональных каналов

Каналы относятся к наиболее распространенным и протяженным гидротехническим сооружениям. Их общая протяженность только на Юге России составляет более 2 тыс. км. На сегодня свыше 40% существующих каналов находятся в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, необходимая пропускная способность каналов не обеспечивается. Необходимость и потребность по региону в совершенствовании и реконструкции существующих каналов и в строительстве новых достигает 100 км и более.

При проектировании, строительстве и реконструкции гидротехнических каналов различного назначения вопросы выбора эффективных и наивыгоднейших их сечений относятся к важным. При этом в существующей справочной и научно-технической литературе нет принятого единого установленного подхода по определению оптимальных гидравлических характеристик каналов. Отсутствуют единого мнения и принятых методик по критериям оптимизации их сечений. По сравнению с каналами призматического сечения (трапецеидальными и прямоугольными) каналы полигонального профиля являются наименее изученными и исследованными. В связи с этим авторами предлагаются новые подходы и методики по основам оптимизации и расчетному обоснованию каналов полигонального сечения.

Результаты наших исследований указывают на существенное влияние формы поперечного сечения канала на режим и гидравлическую структуру потока. Правильный подбор параметров сечения и гидравлическая оценка потока в различных режимах обуславливает точность проектирования канала. Известно, что в гидравлически наивыгоднейших сечениях каналов образуются наиболее благоприятные гидравлические условия и режим движения воды. Обеспечиваются максимальная пропускная и транспортирующая способности потока. По теории турбулентности потока энергия потока передается по каскаду частот от низких к высоким. При этом одновременные пульсации энергии с разным диапазоном частот в потоке приводит к образованию вихрей и сложному турбулентному движению равномерного руслового потока. Низкочастотные пульсации вызывают крупные вихри с внешним масштабом турбулентности, оказывающие возмущения всему потоку. Эти возмущения потока приводят к формированию сечения размываемого русла [6,31,38, 51,69].

Результаты многочисленных исследований показали существенное влияние формы полигонального сечения на пространственную турбулентность потока и позитивную роль, которая способствует стабилизации русловых процессов и направлению по центру русла динамической оси. В этом случае создаются оптимальные гидравлические условия.

В нашей стране согласно рекомендациям в технической и справочной литературе оптимальные гидравлические характеристики каналов определяют на основе данных гидравлического и технико-экономического расчетов каналов [1-12]. При этом все предлагаемые методики и подходы к расчетам имеют свои отличительные особенности. Исследования авторов подтвердили, что все гидравлические характеристики каналов должны быть определены из условия обеспечения эффективных гидравлических режимов движения воды на основе безразмерных параметров, точно и полно характеризующих их сечения. К ним относятся относительная глубина , относительная ширина , заложение откосов m_i, и др.

Курбанов С.О. еще в 1987 г получил для трапецеидального канала оптимальные гидравлические характеристики относительной ширины и заложения откосов , которые могут быть приняты за критерии оптимизации. Трапецеидальный канал с такими параметрами всегда обладает гидравлически наивыгоднейшим сечением (ГНС). Аналитические исследования трапецеидального канала с m = 0,5 ÷ 0,7 и подтвердили, что это параметры наивыгоднейшего сечения и этот факт был признан изобретением [49]. При этом необходимо отметить, что и эти параметры экономически оптимальны для каналов с небольшой глубиной , к примеру в скальном основании или в облицовке.

В России при проектировании земляных каналов широко используют метод допускаемых скоростей [2,3,7,9,11] для определения оптимальных их характеристик. Названный метод приводится в работах многих ученых (Алтунин В. С., Рабкова Е. К., Косиченко Ю. М., Иваненко Е. Г. и др.). В данном методе рассматриваются два расчетных случая: 1) когда в канале движется относительно чистая вода без наносов; 2) в канал поступает и транспортируется значительное количество взвешенных и донных наносов. Вместе с тем проектирование каналов с оптимальными сечениями выполняют из условия обеспечения их статической и динамической устойчивости.

В первом расчетном случае при проектировании каналов в земляном русле вначале принимают среднюю неразмывающую скорость в зависимости от грунтов ложа канала и их среднего диаметра, глубины потока и формы русла. После чего определяют площадь живого сечения канала. Расчетную глубину воды в трапецеидальном канале определяют по рекомендациям из [1-12] с учетом условий прохождения канала и эксплуатационных его особенностей. По значениям площади живого сечения и расчетной глубины, подбирают ширину канала понизу, затем определяют необходимый уклон канала. Окончательные параметры профиля канала принимают после технико-экономического обоснования возможных вариантов сечения (при различных значениях заложений откосов, глубины канала и ширины понизу). Обоснованные расчетом параметры канала должны соответствовать и отвечать статической устойчивости русла по всему периметру канала.

При втором расчетном случае для земляных русел устойчивые и стабильные геометрические характеристики канала (любого по крупности) зависят от значения расхода, количества и состава транспортируемых наносов. В этом случае статическая устойчивость русла ( практически обеспечивается только при небольшой концентрации в потоке взвешенных наносов и отсутствии крупных наносов). В других случаях средняя скорость движения потока в каналах, обеспечивающая транспорт взвешенных и донных наносов, будет всегда больше нормативной неразмывающей скорости. Такие русла со стабильными гидравлическими характеристиками, как выше было отмечено, называют руслами динамической устойчивости. В таких динамически устойчивых каналах допускается наличие некоторого количества донных наносов и размыв русла с последующей стабилизацией русловых процессов до устойчивой формы по всему сечению русла. В качестве критерия определения устойчивости русла принимается отношение средней скорости потока к допускаемой неразмывающей скорости грунтов ложа канала: . Для устойчивого и стабильного русла величина и это условие должно соблюдаться на каждой вертикали по ширине русла.

Каналы с динамически устойчивыми руслами обычно проектируются трапецеидальными или параболическими с применением морфометрических зависимостей. Вместе с тем, учитывается и коэффициент формы русла, который для динамически устойчивых русел принимается в пределах . При расчетном обосновании и проектировании этой категории земляных каналов основные геометрические параметры русла (h. В, b, ) принимаются по данным натурных исследований устойчивости русел каналов. Результаты исследований показывают, что после полукруглого сечения параболическое сечение канала является наиболее эффективным и оптимальным. При известных геометрических характеристиках канала параболическая форма русла рассчитывается по уравнению:

(5.1)

где глубина на расстоянии х от уреза воды; n – показатель степени параболы, 3,0 — 4,0.

В динамически устойчивых руслах максимальная скорость потока устанавливается на осевой вертикали. Ее принимают за расчетную при проектировании каналов для установления расчетной средней скорости потока .

Гидравлический расчет каналов с динамически устойчивыми руслами выполняется по следующей схеме [38, 71]: вначале задаются вероятным значением максимальной глубины h; определяется значение допускаемой неразмывающей скорости для осевой части русла; по принятому значению коэффициента динамической устойчивости и параметру относительной скорости для осевой вертикали рассчитывают среднюю скорость потока; определяют площадь живого сечения . Далее задаются основными параметрами живого сечения: шириной и глубиной русла В иh по зависимостям, полученным из анализа натурных данных. Устанавливают связь между hиh_ср с использованием коэффициента формы уточняют площадь живого сечения , отвечающей принятым размерам русла . Намечают сечение профиля русла, принимая параболическую форму. Ширину русла по вертикали разбивают на участки и на каждой вертикали рассчитывают средние фактические скорости; далее оценивают и определяют значение , значение которого на каждой вертикали должно быть не более, принятого в расчете для средней скорости всего потока. При нарушении указанного условия, то нужно подправить очертание формы поперечного сечения русла, соответствующей форме русла равной динамической устойчивости. Далее в это полученное параболическое русло вписывают с минимальными отклонениями полигональную форму поперечного сечения, определяют величин заложения откосов береговой части русла и окончательно уточняют . Вместе с тем рекомендуется уточнить пропускную способность и уклон канала по формулам Шези. Затем – произвести точно такие же расчеты для ряда возможных вариантов канала, и по всем вариантам выполнить технико-экономические расчеты, оценить и выбрать оптимальный вариант.

Однако на практике применяя вышеописанную методику запроектировать (вписать в параболическое сечение) канал полигонального сечения очень сложно. Не ясно на базе чего принять и определить характеристики поперечного профиля полигонального канала, сколько должно быть количество откосов и какие величины их заложений, какие глубины и их соотношение, относительная глубина, ширина и т.д. При расчетном обосновании получается очень много переменных, не понятно, какими характерными параметрами задаваться, и какие их определить. Нет принятых критериев и условий выбора оптимальных параметров сечений каналов. В этом случае самое сложное в том, что при этом возникает большое количество вариантов, для которых требуется значительный объем расчетов.

Для полигональных каналов по существующим методам невозможно подобрать наивыгоднейшие сечения. Очень сложно определить параметры каналов, оптимизировать сечения при помощи автоматизированных компьютерных методов расчета. Все эти сложности ограничиваю широкое применение в нашей стране полигональных каналов. В настоящее время нет относительно точных методов гидравлического расчета полигональных каналов с оптимальными параметрами. Та же ситуация с полигональными каналами и в зарубежной практике. В развитых странах для проектирования призматических каналов используют программы расчета, не доступные для открытого применения.

По сравнению с другими призматическими каналами, полигональные имеют сечение близкое к полукруглому – наиболее гидравлически наивыгоднейшему. Оптимальные значения гидравлических характеристик для всех типов каналов по назначению одинаковы и вычисляются по одним методикам. Когда возникает необходимость ГНС каналов можно перепрофилировать на экономически наивыгоднейшие.

Для каналов полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием (рис. 5.1.) ранее выведены в безразмерных единицах основные параметры, являющиеся также критериями оптимизации [50, 71].

Рисунок 5.1 — Полигональный канал с двумя парами

симметричных откосов и треугольным основанием

Одним из них является относительная ширина , которую можно найти по зависимости:

(5.2)

Данная зависимость точно характеризует наше полигональное сечение, а зависимость (5.2) учитывает основные безразмерные величины, характеризующие сечение, в одной математической зависимости, и позволяет для полигонального канала получить ГНС. Эта формула определяет главный признак сечения канала (рис. 5.1) и критерий его оптимизации.

Другим критерием оптимизации сечения является относительная глубина, которую можно определить по формуле:

(5.3)

Формулы (5.2) и (5.3) для полигонального канала с парой симметричных откосов верхними т₁ и донными m₂ (рис. 5.1) являются интегральными показателями оптимизации сечения. Эти формулы позволяют упростить методику гидравлического и технико-экономического расчета данного канала. По ним легко определить основные гидравлические характеристики каналов по глубине верхней части сечения h₁. По результатам многочисленных расчетов, проведенных с использованием данных формул, определены оптимальные значения заложений откосов и их соотношений:

m₁=0,5…1,5; m₂ = 3 ….8; m₁/m₂= 1/4 …. 1/8. (5.3а)

Уточнена формула площади живого сечения:

, (5.4)

(5.4а)

Найден смоченный периметр:

(5.5)

Определен гидравлический радиус:

(5.6)

Уточнена формула коэффициента (скорости) Шези:

(5.7)

Выведена зависимость для средней скорости потока:

(5.8)

Расход воды в канале:

(5.9)

В приведенных выше формулах: n – коэффициент шероховатости (известная величина);I – гидравлический уклон потока (принимается равным уклону дна канала i).

В нашей методике расчета коэффициент ШезиС выражен через известную формулу Маннинга. Но его можно определить и по другим формулам (Павловского Н. Н., Агроскина И. И., Штернлихта Д. В. и др.) для различных условий прохождения канала [1, 3, 5,9,11].

Для поперечного сечения канала с шириной понизу b> 0, значение данной ширины определяется по глубине h₁,

, (5.10)

гдеk – коэффициент запаса, k = 1 … 4.

Для канала с ГНС k = 1.

Формулы (4.4) … (4.8) для полигонального канала с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу b> 0, изменяются и принимают следующий вид:

площадь живого сечения

, (5.11)

, (5.11а)

смоченный периметр

, (5.12)

гидравлический радиус

, (5.13)

коэффициент Шези

, (5.14)

средняя скорость потока

. (5.15)

И для полигонального канала с шириной понизу b> 0 относительная ширина и относительная глубина остаются без изменения и определяются по уравнениям (5.2) и (5.3) соответственно.

По приведенным формулам можно легко определить все основные гидравлические характеристики канала. Приняв постоянные величины m₁,m₂, nи iопределяют относительную ширину и относительную глубину α по формулам (5.2) и (5.3). Далее определяются основные гидравлические характеристики и Q, соответствующие различным заданным значениями h₁. Строится график зависимостиQ=f(h₁), по которому определяется глубина h₁, соответствующая расчетному расходу Q_p. Уточняются остальные гидравлические величины (). Аналогичный расчет можно выполнить для всевозможных вариантов β, α и m₂, n, i. По результатам устанавливается гидравлически оптимальный вариант, обеспечивающий максимальную (расчетную) пропускную способность канала минимальном смоченном периметре и площади живого сечения. При заданном (известном) значении площади живого сечения выбирается вариант, при котором обеспечивается максимальный расчетный пропуск в канале Q_max.. В этом случае глубину h₁ для канала с двумя парами откосов и треугольным основанием (рис. 5.1) определяют из формулы (5.4):

, (5.16)

а для полигонального канала с b> 0 — из формулы (4.11):

. (5.17)

При технико-экономическом обосновании конструкции канала, все основные показатели (объем выемки грунта, площадь и объем железобетонной облицовки, их стоимость) выражаются также через h₁, но с учетом высоты превышения бровки канала над расчетным уровнем d, который также является известной величиной. Показатели определяются для каждого варианта гидравлического расчета. По полученным результатам выбирается окончательный вариант канала. Оптимальным является вариантом, в котором совпадают гидравлически и экономически наивыгоднейшие показатели. В противном случае, необходимо выбрать вариант канала, который будет одинаково близок к гидравлически и экономически наивыгоднейшему сечению. Для этого необходимо построить область оптимизации сечений (рис. 5.2.), образованный кривыми функций — зависимости расхода от относительной (безразмерной) площади живого сечения (график 1) и — зависимости приведенных затрат (в руб.) на строительство канала длиной 1 п.м. от относительной площади живого сечения (график 2). Отношение является постоянной величиной для каждого варианта сечения с принятыми значениями m₁, m₂, и.

Вначале нужно рассчитать по вышеприведенной методике основные гидравлические характеристики, отношение для каждого рассматриваемого варианта и соответствующие им значения расхода канала Q_i. Строится кривая 1 функции с выпуклостью вверх. На вершине кривой при некоторых значениях расход Q_iпринимает максимальное значение. Эта область с гидравлически оптимальными и наивыгоднейшими параметрами сечений. Однако, эта область может меняться от условий прохождения канала (уклона дна, коэффициента шероховатости облицовки, заложений откосов, ширины понизу и др.). Поэтому возникает необходимость выбрать область оптимальных (ГНС) характеристик на графике , где в промежутке между значениями параметра по оси абсцисс характеристики ГНС существенно не меняются, например, от 2,5 до 4,5.

Рисунок 5.2 — График оптимизации полигональных сечений:

Кривая 1 функции , кривая 2 функции .

Выбор наиболее оптимального варианта должен основываться и на технико-экономических показателях для рассматриваемых вариантов сечений. Определяют приведенные затраты на строительство 1 п.м. длины канала:

С_п= С_з+С_об+С_э, (5.18)

где С_з – стоимость объема земляных работ на 1 п.м.; С_об – стоимость 1 п.м. облицовки канала; С_э – приведенные эксплуатационные затраты на содержание 1 п.м. канала.

Технико-экономические показатели канала определяются в рублях для каждого принятого варианта сечения в зависимости от . По этим данным строится кривая 2 зависимости (рис.5.2). Кривая 2 имеет выпуклость вниз, и при определенных значениях приведенные затраты С_ппринимают наименьшее значение. В пределах значений , примерно от 3,5 до 5,5 по оси абсцисс, выбирается область экономически оптимальных характеристик (рис. 5.2). При этом необходимо соблюдение условий (5.2), (5.3) и (5.3а) при которых обеспечиваются относительно стабильные гидравлические режимы движения воды.

Рассмотренные методики расчетов можно легко автоматизировать.

Методика для определения наивыгоднейших сечений полигональных каналов с тремя парами симметричных откосов (рис.5.3), в целом аналогична вышеприведенным, но основные формулы видоизменяются с учетом увеличения количества откосов и глубин. Для этих каналов также выведены критерии оптимизации их сечений:

относительная ширина

, (5.19)

относительная глубина

(5.20)

Рисунок 5.3 — Полигональный канал с тремя парами симметричных откосов

Формулы (5.19) и (5.20) являются интегральными показателями оптимального полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов (рис. 5.3). Они позволяют упростить методику гидравлического и технико-экономического расчета данного канала. По этим формулам через глубину верхней части сечения h₁ легко определяются основные гидравлические характеристики каналов. Определены оптимальные значения заложений откосов и их соотношений:

m₁ =0…1,5; m₂ =1,5….3; m₃ =4…8; m₁/m₂ =m₂/m₃ =1/4….1/6, (5.20а)

Формулы для определения основных гидравлических характеристик каналов принимают вид:

для площади живого сечения

, (5.21)

, (5.21а)

смоченного периметра

, (5.22)

гидравлического радиуса

, (5.23)

коэффициента (скорости) Шези

, (5.24)

средней скорости потока

. (5.25)

Расход канала Q определяется по известной формуле (5.9).

Для сечения с горизонтальным участком дна b> 0 (рис. 5.3), ширина по дну bопределяется поформуле (5.10). Остальные гидравлические параметры определяются с учетом ширины канала по дну b. Далее строятся графики (рис. 5.2) для оптимизации сечений рассматриваемых полигональных каналов с тремя симметричными парами откосов. Графики строятся для двух случаев (с треугольным основанием b = 0, и с шириной по днуb> 0). По этим графикам определяется сечение канала с наиболее эффективными гидравлическими условиями для потока при минимальных материальных затратах.

Рассмотренная методика позволяет оптимизировать также полигональные сечения зарегулированных русел.

Обсуждаемые методики гидравлических и технико-экономических расчетов по оптимизации полигональных сечений имеют общую методологическую основу, которая дает эффективную технологию проведения расчетов по выбору оптимальных сечений каналов различного назначения и зарегулированных русел полигонального профиля.

Предлагаемая методология гидравлических и технико-экономических расчетов позволяет запроектировать полигональный канал с наивыгоднейшими и оптимальными характеристиками. Позволяет получить оптимальное соотношение глубин, заложений откосов, относительной ширины и ширины канала понизу, которые в совокупности обеспечивают устойчивые гидравлические режимы потока.

5.2. Построение математических моделей методикгидравлического и технико-экономического расчетовмелиоративных каналов полигонального сечения

Большие и средние мелиоративные каналы с пропускной способностью более 10 м³/с целесообразно проектировать полигонального профиля. К ним в большей части относятся магистральные и межхозяйственные каналы оросительно-обводнительных систем. При гидравлическом расчете каналов решают вопросы выбора оптимальной трассы и уклона канала, наивыгоднейшего поперечного сечения с эффективной облицовкой. С этой целью рассматривается ряд вариантов каналов с разными уклонами и поперечными сечениями. Для каждого варианта проводятся гидравлические и технико-экономические расчеты, затем выбирают наиболее оптимальный вариант. Это большой объем расчетов, который очень сложно выполнить вручную. Однако существующие методы гидравлического расчета каналов не позволяют использовать современные системы электронного проектирования.

При автоматической системе проектирования требуется предварительно составить математическую модель расчета с алгоритмами определения гидравлических и технико-экономических параметров каналов.

Для составления математической модели воспользуемся методикой оптимизации полигональных сечений, приведенной выше (п.5.1). На ее основе составим блок-схему модели расчета. При составлении блок-схемы вначале необходимо принять трассу и уклон канала, которые определяют по продольному профилю с учетом обеспечения минимума земляных работ и баланса грунтовых масс. Принимается и форма поперечного сечения канала с двумя или тремя парами симметричных откосов. При этом для каждого рассматриваемого сечения составляем отдельную блок-схему модели расчета.

Блок-схема модели расчета полигонального канала с двумя парами симметричных откосов (m₁, m₂) и шириной понизу . Вначале принимаем характеристики ГНС: m₁, m₂, ипо условиям (5.2), (5.3) и (5.3а);затем задаемся ряд значений глубин h₁, из условия . Для каждого заданного значения h₁определяем среднюю скорость и расход канала Q₁ по формулам (5.8) и (5.9). После чего расчет повторяем для каждого следующего значения h₁, и определяются Q₂, Q₃,… Q_n, пока максимальное значение расхода Q_imaxне получится больше максимального расчетного расхода канала Q_р. При этом значение остается постоянным для всех этих расчетов. Далее, расчеты повторяем также при других постоянных значенийm₁, m₂, и, и при тех же заданных значениях h₁. Определяем , соответствующие каждому заданному значению h₁, а также постоянное для всех этих параметров значение . Все эти расчеты повторяем также и при третьих и четвертых значениях m₁, m₂, и . Затем графически или по методу итерации уточняем значение h₁, соответствующееQ_р , и по h₁определяем и уточняем все остальные гидравлические характеристики канала: h₂,. После чего, определяем объемы и стоимости земляных и бетонных работ U_зем., С_зиU_обл., С_бна строительство 1погонного метра канала, затем ежегодные затраты на содержание и эксплуатацию канала С_э. Далее по формуле (5.18) определяем приведенные затраты на строительство 1 п.м. канала С_n.

Вес этот расчет повторяем и для сечения с двумя парами симметричных откосов, но с шириной понизу , при этом b принимаем по выражению (5.10). И в конце также определяем приведенные затраты С_nпо формуле (5.18). По анализу полученных результатов окончательно выбираем наивыгоднейший вариант.

В соответствии с методологией оптимизации полигональных сечений и алгоритмами расчета составляем блок схему модели расчета полигонального канала с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу , табл. 5.1.

Таблица 5.1 — Блок-схема модели расчета канала полигонального сеченияс двумя парами симметричных откосов и шириной понизу b ≥ 0

Аналогичные блок-схемы модели расчетного обоснования составляем и для другого сечения с тремя парами симметричных откосов (m₁, m₂,m₃) ишириной понизу . При этом основные параметры и характеристики сечения принимаем из условия ГНС.m₁, m₂,m₃, , и.

В таблице 5.2 приведена блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b=0. А в таблице 5.3 — блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b>0.

В конце по этим результатам составляем графики функции C_n= и .

Таблица 5.2 — Блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b=0

Таблица 5.3 — Блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b>0

Программа позволяет графически и аналитически отобразить эти функции и по ним найти минимум функции, из которых выбираем наименьшее значение С_{п мин.}.

Далее уточняем и окончательно выбираем основные параметры гидравлических характеристик канала , соответствующие С_{п мин}. Все эти уточненные параметры и характеристики мелиоративного канала являются оптимальными для заданных условий.

Методика и модели расчетного обоснования мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением внедрены и опробованы в проектных и научно-исследовательских институтах (ОАО «Севкавгипроводхоз» и др.), и в высших учебных заведениях.

5.3. Методика расчета лотковых каналов полигонального профиля при неравномерном режиме движения воды

Лотки призматического сечения устраивают в составе гидроузлов в качестве водосбросных и сопрягающих сооружений и мелиоративных каналов для участков с высокими уклонами (больше критических). Эти лотковые каналы состоят из входных, транзитных и выходных частей. Входные части водосбросных сооружений выполняют в виде автоматических водосливных порогов или оборудуют регуляторами. В концевой части устраивают гасители энергии в виде водобойных стенок или колодцев. Транзитные участки проектируют в виде прямоугольных лотков (как быстротоки или консольные перепады). От надежности транзитных лотков зависит работа всего гидроузла или оросительной сети.

Авторами на основе полученных ранее результатов исследований усовершенствована методика гидравлического расчета, в том числе и лотка полигонального профиля [49-51]. Сечение лотка состоит из двух частей: верхней – прямоугольной и донной – треугольной. Для аналитических исследований гидравлических характеристик глубина верхней части сечения обозначена через h₁, а донной части – h₂, относительная глубина и заложение донных откосов – m₂.

Состояние потока и его режим в русле устанавливают при помощи параметра кинетичностиПк , которыйдля призматического сечения лотка выражается по известной формуле [11, 52]:

, (5.26)

где — коэффициент Кориолиса, 2…3; Q– расчетный расход лотка, м³/с; В – ширина понизу лотка, м; – площадь живого сечения, м².

Площадь живого сечения можно определить по:

(5.27)

а для лотка с боковыми откосами m₁ > 0:

(5.28)

где — относительная ширина:

(5.29)

Решая уравнения (5.26) с учетом из выражений (5.27), (5.28) и (5.29) получим:

Из формул (5.30) и (5.31) хорошо видно, что для полигонального лотка, по сравнению с прямоугольным, значение параметра кинетичности потока Пкменьше на 20 – 30% и это подтверждают аналитические исследования. Следовательно, в полигональном лотке режим движение воды стабилизируется, турбулентность потока снижается.

Из уравнения критического состояния потока (5.26) можно определить и критическую скорость потока для полигонального лотка:

(5.32)

Критическую глубину полигонального лотка с треугольным основанием можно определить по авторской формуле [38,52]:

(5.33)

а с учетом m₁ = 0, формула (5.33) принимает вид:

(5.34)

По характеристикам критического состояния потока и на основе выше полученных формул, можно выполнить гидравлический расчет на неравномерный режим движения воды. Вначале задаются оптимальные значения заложений откосов, лежащих в пределах m₁ =0…1,5 и m₂ = 2…5. Относительная глубина,и ее наивыгоднейшеезначение лежит в промежутке 0,4….0,7. Задаваясь рядом значений h₁от 0 и выше, определяются гидравлические характеристики ( и ) по формулам равномерного режима движения. По данным расчета строится график зависимости Q = f(h₁), а по графику, зная расчетный расход лотка Q_p, определяется искомое значение глубины верхней части сечения лотка h₁. По величине h₁ рассчитываются остальные параметры лотка . определяется критическая глубина по формуле (5.33) или (5.34) в зависимости от значения m₁ и соответственно параметр кинетичности потока по формуле (5.30) или (5.31). По полученным данным проверяется состояние потока (спокойное, бурное или критическое) [11].В случае если средняя скорость движения воды в лотке имеет значение 8 – 10 м/с и более, в обязательном порядке необходимо предусмотреть износостойкое крепление, к примеру из армированного булыжного камня и полимербетона. При поступлении крупных наносов в лоток, и при относительно малых скоростях (3 – 4 м/с и более) также нужно предусмотреть крепление, устойчивое к абразивным воздействиям наносов. При этом высота стенок лотков должна быть принята на 0,5 – 1 м выше критической глубины в зависимости от класса капитальности сооружения. Далее следует отметить, что глубина воды в лотке при критическом состоянии потока значительно меньше глубины равномерного потока. Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований показывают, что вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности прямоугольных лотков составляет около 0,7, а лотков полигонального сечения повышается до 0,98.

Таким образом, предлагаемые новые технические решения по транзитным лоткам и усовершенствованная методика их гидравлического расчета, позволяют повысить надежность и срок службы сооружений, а также снизить материальные затраты на строительство и эксплуатацию.

6.ОБОСНОВАНИЕ БИОИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ УЧАСТКОВ МАЛЫХ РЕК И ЗАЩИТЫ ПРИБРЕЖНЫХ УЧАСТКОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ГИДРОУЗЛОВ И КАНАЛОВ

Проблемы инженерной защиты и природоохранного обустройства нарушенных участков земель являются актуальными для многих стран мира. И для нашей страны эти проблемы стоят остро, особенно в регионах Северного Кавказа и Юга России, где на обеспечение надежной защиты прибрежных и рекреационных зон ежегодно тратятся до ста миллиардов рублей. При этом применяемые на практике мероприятия и технические решения в значительной степени оказывают техногенное влияние на окружающую среду, нарушают режим рек, разрушают и загрязняют зеленые водоохранные зоны. Используемые методы, материалы и технологии строительства нуждаются в экологизации и адаптировании к природной среде. В соответствии с экологической доктриной РФ конструкции возводимых инженерных сооружений и креплений должны обеспечивать не только надежную защиту территорий, но и восстановление природной среды.

Вместе с тем за последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами преобладают техногенные мероприятия, нарушающие природную среду. Возникла большая необходимость в разработке научных основ и технических условий по проектированию и внедрению биоинженерных систем защиты территорий прибрежных и рекреационных зон.

Отсюда возниклаи проблемы практического использования (популяризации) природоохранных технологий при проведении инженерно-технических мероприятий по инженерной защите территорий для достижения экологического равновесия между освоенными (нарушенными) и естественными территориями, между урбанизированной и природной средой. Эти территории прибрежных и рекреационных зон находятся под постоянной техногенной и антропогенной нагрузкой и соприкасаются с водной средой, наиболее важной и уязвимой средой в природе [71,72,73,74,75].

В России уделяется большое внимание экологическим проблемам в окружающей среде. В экологической доктрине РФ, одобренной распоряжением Правительства РФ (1225-Р от 31.08.2002), обеспечение экологической безопасности страны определено как конечная цель государственной политики в области экологии при сохранении природных систем, поддержание их функциональной целостности. Из числа приоритетных направлений деятельности по обеспечению экологической безопасности в стране (одним из важных) является направление, связанное со строительной отраслью хозяйственной деятельности, совершенствованием и созданием новых безопасных технологий. В стране действуют десятки государственных и других программ экологического направления, в т.ч. и по разработке и внедрению природосберегающих технологий. Однако ни одна программа не охватывает проблемы инженерной защиты и природоохранного обустройства нарушенных территорий от наводнений, воздействий паводковых и селевых потоков, лавин и эрозионных процессов. Хотя актуальность этих проблем очевидна и ежегодный ущерб, приносимый этими природными (экзогенными) процессами составляет десятки миллиардов рублей. За последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами преобладают техногенные мероприятия, вносящие помехи в природную среду. Отсутствие научных рекомендаций и технических условий по проектированию и внедрению биоинженерных систем защиты прибрежных и охраняемых территорий негативно сказываются на окружающую среду. Существующая в стране система борьбы с экзогенными процессами не способствует распространению природоохранных технологий в строительстве. В природопользовании остаются много не решенных проблем, связанных со строительной отраслью и промышленностью строительных материалов[76,77,78].

Отечественные ученые внесли значительный вклад в исследование проблем защиты и природоохранного обустройства различных территорий: В.И. Вернадский, И.П. Герасимов, А.М. Гиляров, В.Г. Горшков, Ю.А. Израэль, Ю.Н. Куражковский, К.С. Лосев, И.И. Мазур, Р.Г. Мамин, С.В. Кривицкий, Н.И. Сидоренко, В.И. Теличенко и др.

Основоположник учения о биосфере В.И. Вернадский впервые поднял вопрос эффективности природопользования как научную проблему, требующую комплексный исследовательский подход. Научные основы и общие принципы природопользования разработал Ю.Н. Куражковский, его по праву считают основоположником науки природопользования. Как известно, природопользование включает в себя: охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов и их переработку; использование и охрану природных условий среды жизни человека; сохранение, восстановление и рациональное изменение экологических условий природопользования. Таким образом, природопользование включает в себя элементы технических, естественных и общественных наук. При этом, теоретической базой охраны природы и рационального природопользования является экология, а инженерная экология является ее практической частью. Тем не менее, вопросы применения биоинженерных систем, где биологические и технические функции совмещены, для защиты и восстановления нарушенных территорий, остаются не решенными по настоящее время[73,74].

Вопросы исследования и внедрения природоохранных строительных технологий давно стали приоритетными и в развитых капиталистических странах. Конференция ООН по окружающей среде и развитию, прошедшая в Рио-де-Жанейро в июне 1992 года, заложила основу сотрудничества многих стран мира в области защиты природной среды, и проведению совместных научных исследований в этом направлении. При природопользовании исследуются и разрабатываются экологичные технологии и материалы, которые внедряются в приоритетном порядке.

Вместе с тем, считаем необходимым отметить, что все эти достижения зарубежных и отечественных ученых в области охраны окружающей среды нуждаются в систематизации и общих правилах по их практическому применению, особенно в строительной отросли по инженерной защите территорий от природных экзогенных процессов. Известные методы [3,4] по биоинженерной защите окружающей среды в основном направлены на использование технологии самоочищений и самовосстановлений элементов природной среды (рек, озер, водоемов, почвенного слоя, ландшафтов). А что касается возможности ускорения этих природных процессов по восстановлению нарушенных участков с помощью биоинженерных систем, мало кто рассматривает. Для этого требуется единая теория (научных основ и технических условий) и концептуальный подход в решении сложных вопросов по инженерной защите прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов, где были бы приоритетными вопросы защиты и сохранения природной среды [73].

В области природоохранного и водохозяйственного строительства все новые достижения подлежат объединению в специальные биоинженерные системы, которые должны бытьполностью исследованы и по результатам разработаны научные основы проектирования и, соответствующие биоинженерные методы защиты и обустройства прибрежных и рекреационных зон.

Биоинженерные системы входят в состав природно-технических систем (ПТС), но в отличие от них они, ни при каких обстоятельствах не могут оказывать техногенное влияние на окружающую среду. Биоинженерные системы всегда биопозитивны и способствуют восстановлению и сохранению природной среды. От состояния рекреационных территорий, водных объектов и их прибрежных зон во многом зависит состояние экосистемы регионов и бассейнов.

В известных и применяемых методах регулирования русел, защиты и восстановление прибрежных и нарушенных зон преобладают техногенные подходы, не учитывающие особенности малых рек (наиболее уязвимые участки природной среды, «без малых рек нет рек больших»). Отсутствуют научно-обоснованные методы и критерии, позволяющие для прибрежных и рекреационных зон выбирать наиболее эффективные способы по регулированию их паводкоопасных и эродированных участков и ускоренному восстановлению нарушенных земель с применением биопозитивных технологий. Существующие технологии по строительству и эксплуатации защитно-регуляционных и противоэрозионных сооружений нуждаются в экологизации, совершенствовании и систематизации. В соответствии с экологической доктриной РФ конструкции возводимых инженерных сооружений и креплений должны обеспечивать не только надежную защиту территорий, но и восстановление природной среды. Вместе с тем, за последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами в основном используются техногенные методы, нарушающие природную среду. В значительной степени используются техногенные конструкции и материалы при проведении противопаводковых селезащитных, противоэрозионных, противооползневых и других мероприятий по инженерной защите различных территорий.

Под руководством Курбанова С.О. разрабатывается новое направление в области водного хозяйства и охраны окружающей среды «Биоинженерные системы защиты и природоохранного обустройства прибрежных зон». Им разработана концепция экологизации защитно-регуляционных сооружений в условиях прибрежных зон малых рек [74]. В рамках данного направления исследований подготовлен ряд вариантов новых конструктивных и технологических решений по проектированию и строительству защитно-регуляционных сооружений и креплений биопозитивной конструкции с максимальным использованием местных материалов, которые воспринимаются природой как родственные элементы.

В рамках реализации данного направления используются новые подходы и методы исследования эффективных технологий восстановления эродированных и других нарушенных участков земель с применением биопозитивных изделий из местных материалов (гибких тюфяков, легких и тяжелых фашин из сухого камыша, растительного грунта, геосетки и габионной сетки). Будут разработаны и исследованы технологические циклы производства работ от сбора материала, сортировки, хранения, обработки, изготовления изделий, укладки и т.д., до соединение их и создания новых более эффективных инженерных систем, которые выполняли бы одновременно и инженерные и биологические функции по восстановлению нарушенных участков земель и их защите от природных экзогенных процессов. Для этого на основе использования этих изделий разработаны и разрабатываются эффективные и биопозитивные конструкции защитно-регуляционных сооружений и креплений, а также технологии их возведения.

е)

Рисунок 6.1 — Изделия из местных материалов, которые служат базовыми элементами для биоинженерных систем:

а и б– легкая и тяжелая фашины из сухого камыша и растительного грунта; в, г и е – гибкие тюфяки из легких фашин; д — мешки из растительного грунта и геосетки

В связи с этим, авторы планируют создать и апробировать эффективные системы и методы восстановления прибрежных размытых участков, оврагов, карьеров, нарушенных и разрушенных хозяйственной деятельностью участков почв и дерновки в охраняемых и рекреационных зонах. У авторов для этого имеется и определенный научный задел. Ими получены за последние пять лет более 25 патентов на изобретения по биопозитивным конструкциям и технологиям возведения защитно-регуляционных сооружений. Опубликованы более 20 научных статей в журналах и материалах Международных и Всероссийских научных конференций. При этом у исполнителей проекта имеются свои подходы и методы исследований новых технологий изготовления биопозитивных изделий; имеются опытно-конструкторские разработки природоохранного направления, которые эффективно могут быть использованы при инженерной защите территорий. Однако базовых научных основ (технических условий, критериев и других параметров), позволяющих оценить биопозитивность, надежность и эффективность работы каждого изделия и креплений из них в различных природных условиях, нет. Требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.

Научная новизна проекта создания биоинженерных систем заключается в том, что впервые сформулирована и решается научная идея функционального и технологического объединения защитно-регуляционных сооружений биопозитивных конструкций в биоинженерные системы защиты земель прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов. Используется новый системный подход при решении сложных проблем обеспечения надежной инженерной и природоохранной защиты различных земель от паводков рек, селевых потоков, лавин и эрозионных процессов. Защитно-регуляционные сооружения и их элементы для исследований подбираются и компонуются с точки зрения их биопозитивности и образования биоинженерных систем для защиты и восстановления нарушенных земель. Новизна разработанных конструктивных и технологических решений подтверждена полученными патентами на изобретения.

В целом, по итогам реализации предлагаемого проекта будут разработаны научные основы создания и использования биоинженерных систем для защиты и восстановления нарушенных земель в прибрежных и рекреационных зонах. Результаты работы, при их внедрении, позволят повысить эффективность проводимых проектно-конструкторских и природоохранных мероприятий, а также значительно снизить использование на практике техногенных конструкций.

Результаты исследований (за период 15 лет и более) подтвердили их высокую эффективность и надежность работы. Со временем эти экспериментальные сооружения заросли травой и кустарниками, слились с природной средой, превратились в биоинженерные (природоподобные) сооружения, которые воспринимаются природой как родственные элементы. При этом, материальные затраты на единицу длины защищаемого берега уменьшились более чем в 2 раза по сравнению с традиционно используемыми сооружениями из железобетонных конструкций.

Подготовлены основные технические решения по изготовлению сборных изделий из местных материалов (Рис. 6.1): легкая и тяжелая фашины из сухого камыша, растительного грунта, геосетки и проволоки — а и б; гибкие тюфяки в, г и е; мешки из грунта и геосеткид. Также разработаны технические решения по использованию армированных габионов биопозитивной конструкции. Использование сборных изделий и конструкций обеспечивает ускоренное восстановление эродированных и других нарушенных участков земель с биопозитивным влиянием на природную среду. Наиболее эффективно они могут быть использованы в качестве базовых и связующих элементов биоинженерных систем для восстановления и защиты нарушенных и эродированных земель в водоохранных, заповедных, рекреационных и других охраняемых зонах и особенно в условиях труднодоступных горных территорий. Из этих изделий и элементов легко собираются и возводятся защитные крепления и элементы систем защиты, которые в сочетании с другими, более прочными конструкциями, образуют биоинженерные системы защиты и восстановления нарушенных зон.

Основными результатами реализации проекта станут, разработанные научные и технические условия создания и практического использования биоинженерных систем восстановления и защиты земель прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов (паводков рек, селевых потоков, лавин и эрозионных процессов). Будут определены технические параметры, критерии и технологические связи объединения эффективных и биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений в биоинженерные системы защиты земель прибрежных и рекреационных зон от различных природных процессов. Результаты предварительных исследований в виде технических решений, которые могут быть эффективно реализованы при создании биоинженерных систем (защищенные патентами на изобретения и полезные модели), приведены в таблице 1 приложении.

Аналогичных авторских разработок, подтвержденных патентами и положительными решениями на изобретения, имеется еще два десятка. Создание и внедрение биоинженерных систем на их основе позволяют снизить материальные затраты на строительство и способствуют восстановлению водоохранных и других нарушенных зон с соблюдением природоохранных требований. Со временем восстановленные зоны зарастают кустарниками и травой, превращаются в биопозитивные сооружения, которые не вносят помех в круговорот веществ и энергии, помогают развитию природы. При внедрении и использовании этих систем для защиты и благоустройства нарушенных земель в прибрежных и рекреационных зонах регионов Северного Кавказа и Юга России возможный экономический эффект составляет более миллиарда рублей.

Результаты полной реализации проекта создания биоинженерных систем позволят на более высоком научном уровне решать задачи по инженерной защите и природоохранному обустройству нарушенных участков земель. Очень важно, чтобы большой объем ежегодно возводимых инженерных сооружений и креплений создавал сеть биоинженерных систем, которые охватывали бы все нарушенные земли и способствовали их быстрому восстановлению. При внедрении результатов будет обеспечена высокая эффективность проводимых проектно-конструкторских и природоохранных мероприятий, а также значительное снижение использования техногенных конструкций в природоохранном и водохозяйственном строительстве. В социально-экономической среде реализация проекта будет способствовать росту значимости и популярности природоохранных технологий, а также развитию экологического туризма в рекреационных зонах.

7.РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

В рамках выполнения НИР для создания нормативной базы проектирования и строительства полигональных каналов, для реализации научных разработок на практике разработаны технические условия ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020 «Мелиоративные каналы полигонального сечения из сборных L-образных железобетонных блоков».

7.1 Основные сведения

Настоящие технические условия распространяются на сборные мелиоративные каналы полигонального поперечного сечения из L-образных железобетонных блоков (далее по тексту – L-ЖББ). Конструкция канала из L-ЖББ позволяет максимально механизировать и снизить затраты при строительстве облицованных каналов полигонального сечения, с характеристиками, близкими гидравлически наивыгоднейшим. Они могут быть использованы в качестве водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках с высокими скоростями движения воды (> 3 м/с) и уклонами выше критических.

Область распространения требований технических условий: сборные полигональные каналы с двумя и тремя парами симметричных откосовиз L-образных железобетонных блоков.

Новизна: Патенты РФ на изобретения № 2369688 Гидротехнический канал из сборных железобетонных элементов и № 2366778 Способ возведения лотка полигонального профиля из сборных железобетонных блоков.

Обладатель патента: Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова (ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ).

ИНН 0711029536 / КПП 072501001

Юридический адрес: 360030, RU, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 1В.

Средства связи:

• Почтовый адрес: 360030, RU, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 1В.

• Телефоны/факсы: 8 (8662) 42-28-68, 8-928-912-05-44

• E-mail: sozaev07@mail.ru

Сведения о выданных лицензиях

Лицензии на право производства L-ЖББ иными лицами не оформлялись.

7.2 Область применения

L-ЖББ могут использоваться для:

— строительства полигональных каналов с треугольным основанием и вертикальными или наклонными боковыми стенками с характеристиками, близкими к гидравлически наивыгоднейшим сечениям;

— строительства водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках с высокими скоростями движения воды (> 3 м/с) и уклонами выше критических;

— реконструкции существующих прямоугольных и трапецеидальных каналов и приведения их к полигональному профилю.

L-ЖББ изготавливаются в климатическом исполнении «В» согласно ГОСТ 15150.

Рекомендации по применению L-ЖББ представлены в «Руководстве по применению сборных L-образных железобетонных блоков».

Обозначение L-ЖББ при заказе:

• наименование – аббревиатура «L-ЖББ»;
• обозначение номера модели «М» в соответствии с таблицей 2;
• при использовании сульфатостойкого цемента – «Ц»;
• обозначение армирования: «Р» – решеткой; «К» – каркасом;
• выпуском арматуры: «В1» – с одной стороны; «В2» – с двух сторон;
• номер настоящих технических условий.

Пример условного обозначения L-образного железобетонного блока первой модели (таблица 7.2) из тяжело­го сульфатостойкого бетона, армированного решеткой и с выпуском арматуры с одной стороны: L-ЖББ-М1-Ц-Р-В1 по ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020.

7.3 Основные параметры и размеры

7.3.1 L-ЖББ должны соответствовать требованиям настоящих техниче­ских условий (далее по тексту – ТУ) и изготавливаться по технологической документации (в том числе рецептурам), утвержденным в установленном порядке.

7.3.2 L-ЖББ представляет собой сборные железобетонные изделия с поперечным сечением уголковой формы и с вершиной по центру (рис. 7.1). Угол между ветками блока на вершине определен в пределах 120 – 158^о. Угол вершины сечения блоков определен и с учетом возможности создания выгодных гидравлических условий.

а)

б)

Рисунок 7.1 – Общий видL-ЖББ (а) и его продольное сечение (б).

По расчетам наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в пределах: ,. При = 120^о полигональный канал имеет вертикальные боковые откосы , а при = 158^о стенки канала имеют заложение . Эти параметры близки к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала. В таблице 7.1 приводятся величины угла и соответствующие значения коэффициентов заложения откосов и для гидравлически эффективных сечений.

Таблица 7.1 – Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков

7.3.3 Основные параметры и размеры L-ЖББ должны соответствовать значениям, указанным в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Основные параметры и размеры

Примечания:

— возможны и др. габариты исполнения изделий;

— допускаются погрешности размеров изделия при изготовлении в пределах ±3÷5%;

— ср. плотность бетона В30 принята 2370 кг/м³.

7.3.4 Армирование L-ЖББ решеткой приведено на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Армирование L-ЖББ арматурной решеткой

7.3.5 Схема компоновки поперечного профиля канала с двумя парами симметричных откосов из трех блоков приведена на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 – Полигональный канал с двумя парами симметричных откосов из трех блоков

7.3.6 Аналогичный полигональный канал с двумя парами симметричных откосов можно выполнить и из двух L-образных блоков, однако при этом угол вершины сечения по продольной оси канала необходимо выдерживать при монтаже, рисунок 7.4.

Рисунок 7.4 – Полигональный канал с двумя парами симметричных откосов из двух блоков.

7.3.7 В таблице 7.3 приводятся все возможные типы поперечных сечений полигональных каналов из L-ЖББ.

7.3.8 L-ЖББ между собой соединяются жестко сваркой по арматурным выпускам и монтажным петлям, шов замоноличивается бетоном.

7.4 Требования к бетону

7.4.1 Бетонные блоки изготавливаются из тяжелого бетона по ГОСТ 26633. По требованию Заказчика возможно изготовление L-ЖББ с приме­нением особо тяжелого бетона марки D2500 и выше по ГОСТ 25192.

Таблица 7.3 – Возможные типовые поперечные профили полигональных каналов из L-ЖББ

7.4.2 Состав бетона подбирают в соответствие с требованиями ГОСТ 27006 и рекомендациями, утвержденными в установленном порядке.

7.4.3 Прочность бетона блоков на сжатие должна соответствовать классу по прочности на сжатие не ниже В30 по ГОСТ 26633.

7.4.4 Значение нормируемой отпускной прочности тяжелого бетона блоков должно составлять 80% от класса бетона по прочности на сжатие в холодный период года и 60% – в теплый период года.^[1]

7.4.5 Фактическая прочность бетона должна соответствовать требуемой, назначаемой ГОСТ 18105, в зависимости от нормируемой прочности бетона и показателей фактической однородности прочности бетона.

7.4.6 Марка бетона по морозостойкости должна быть не менее F200 по ГОСТ 10060.^[2]

7.4.7 Водонепроницаемость блоков не менее W6 по ГОСТ 12730.0.

7.4.8 Истираемость бетона должна быть не более 0,7 г/см³ в соответствии с ГОСТ 13015.

7.4.9 Сульфатостойкий бетон изготавливается на основе сульфатостойкого цемента, отвечающего требованиям ГОСТ 22266; или на основе портландцемента марки не ниже 400 по ГОСТ 10178 с применением добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и соответствующего ГОСТ 2421 1.

7.4.10 Качество всех поверхностей бетонных блоков должно соответствовать категории А6 по ГОСТ 13015.

7.4.11 Трещины, за исключением усадочных, на поверхности блоков не до­пускаются.

7.4.12 Дефекты L-ЖББ делятся на два, вида: ремонтопригодные и неремонтопригодные.

7.4.12.1 Ремонтопригодные дефекты – несоответствие отдельных бетонных блоков требованиям п.п. 7.3.4, 7.4.10 и 7.4.11.

7.4.12.2 Неремонтопригодные дефекты:

1. Несоответствие L-ЖББ требованиям п.п. 7.3.3.
2. Несоответствие бетона блоков требованиям п.п. 7.4.1, 7.4.3, 7.4.6, 7.4.7,7.4.8.

7.4.12.3 Бетонные блоки с ремонтопригодными дефектами (п. 7.4.12.1) подлежат демонтажу (разрушению без повреждения арматурных выпусков) и повторному бетонированию с соблюдением требований технологических регламентов на изготовление L-ЖББ.

7.4.12.4 При выявлении неремонтопригодных дефектов (п. 7.4.12.2 а, b) бетонные блоки разрушаются, а выпускная арматура освобождается для повторного бетонирования в соответствии с требованиями технологических регламентов на изготовление L-ЖББ.

7.4.12.5 При разрыве (разрушении) арматурных выпусков, нарушающего целостность полотна, L-ЖББ полностью утилизируется.

7.5 Требования к материалам для приготовления бетонной смеси

7.5.1 Для приготовления бетонной смеси применяют следующие материалы:

• портландцемент марки не ниже 400, отвечающий требованиям ГОСТ 10178 или сульфатостойкий цемент, отвечающий требованиям ГОСТ 22266;
• природный песок или песок из отсевов дробления горных пород с ис­тинной плотностью от 2000 до 2800 кг/м³, отвечающий требованиям ГОСТ 8736, ГОСТ 31424, ГОСТ 26633;
• щебень, отвечающий требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633. Размер фракции 5-20 мм, содержание пылевидных и глинистых частиц не более 1,5% по массе. Марки щебня: из изверженных пород – марка 1000 и выше; из метаморфических и осадочных пород – марка 800 и выше;
• вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732;
• при необходимости, для достижения заданных характеристик бетона могут применяться соответствующие добавки, отвечающие требованиям ГОСТ 24211.

7.6 Требования к арматурным и монтажным материалам

7.6.1 Для армирования блоков используется металлический каркас. В качестве элементов усиления применяется стержневая арматура диаметром от 10 до 14 мм из стали марок А-I, А-II, Ат-IIIс и Ат-IVс.

7.6.2 Монтажные петли конструкций следует изготовлять из стержневой гладкой горячекатаной арматурной стали класса А-I марок ВСтЗпс2 и ВСтЗсп2 или периодического профиля класса А-II марки 10ГТ по ГОСТ 5781-82 диаметром 8 – 10 мм.

7.6.3 Соединение блоков между собой сваркой по монтажным петлям и выпускам арматуры непосредственно или по накладным элементам из арматурной стали или стальных полос.

7.7 Комплектность

7.7.1 В комплект поставки входят:

• партия L-ЖББ;
• паспорт качества – 1 экз.;
• Руководство по применению партия L-ЖББ – 1 экз.

7.7.2 Дополнительно партия L-ЖББ может быть укомплектована комплектом накладных элементов для соединения блоков между собой.

Конструкции узлов и способы соединения приведены в «Руководстве по применению L-ЖББ».

7.8 Маркировка

7.8.1 Маркировка L-ЖББ должна быть нанесена несмываемой краской на верхнюю боковую поверхность блока в соответствии с ГОСТ 13015.

7.8.2 Маркировка L-ЖББ должна содержать:

• наименование предприятия-изготовителя;
• обозначение модели L-ЖББ в соответствии с настоящими ТУ;
• дату изготовления.

7.8.3 Каждый изготовленный L-ЖББ пломбируется специальной номер­ной пластиковой одноразовой пломбой, которая подтверждает факт приемки изделия отделом технического контроля. Номер на пломбе является номером L-ЖББ.

7.9 Порядок возведения полигонального канала

(на примере полигонального канала с двумя парами симметричных откосов из трех блоков)

7.9.1. Устройство выемки.

7.9.2. Установка маячных колышков (центральной по линии вершины сечения канала, совпадающей с геометрической осью канала и двух по вершинам донных откосов сечения).

7.9.3. Профилирование донной части ложа канала с необходимым заложением донных откосов

7.9.4. Устройство песчаноговыравнивающего слоя с подачей песка в траншею, разравниванием и уплотнением.

7.9.5 Укладка донного центрального блока углом по линии вершины треугольного основания канала и соединение сваркой с соседним блоком

7.9.6 Установка на две стороны симметрично боковых блоков, углы вершин которых должны совпадать с боковыми углами канала.

7.9.7 Соединение боковых блоков с донным по выпускам арматуры и с соседними по монтажным петлям сваркой.

7.9.8 Замоноличивание стыковмежду блоками укладкой бетонной смеси, уплотнением и затиркой поверхности с установкой и разборкой опалубки при необходимости.

7.9.9 Наращивание боковых стенок укладкой бетонной смеси, уплотнением и с установкой и разборкой опалубки.

7.9.10 Обратная засыпка пазухов местным грунтом с уплотнением и при необходимости устройством насыпи.

7.10 Требования безопасности и охраны окружающей среды

7.10.1 По степени воздействия на организм человека L-ЖББ относятся к неопасным изделиям.

7.10.2 При производстве L-ЖББ не образуются токсичные соединения в воздушной среде и сточных водах. L-ЖББ пожаро- и взрывобезопасны.

7.10.3 Предельно-допустимая концентрация (ПДК) пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений по ГОСТ 12.1.005 не должна превышать 6 мг/м³.

7.10.4 Контроль соблюдения санитарных правил и выполнением санитарно-противоэпидемиологических мероприятий производится в соответствии с СанПиН 1.1.1058, СанПиН 2.2.31384, СанПиН 2.2.31385, СанПиН 2.6.1758.

7.10.5 Контроль гигиенических требований к рабочим местам при производстве L-ЖББ производится в соответствии с ГН 2.2.5.3532-18, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278, СанПиН 2.2.4/2.1.8.562.

7.10.6 При производстве L-ЖББ возможно выделение пыли от ингредиентов. С целью уменьшения вредных воздействий на окружающую среду необходимо выполнять следующие требования:

• заполнять емкости для хранения ингредиентов бетона без превышения установленных норм;
• использовать для хранения и транспортирования исходных продуктов герметичные емкости и упаковки.

7.11 Правила приемки

7.11.1 Все материалы и сырье для производства L-ЖББ должны соответствовать требованиям утвержденных стандартов и настоящих ТУ. Входной контроль сырья и материалов проводится в соответствии с ГОСТ 24297.

7.11.2 L-ЖББ предъявляют к приемке партиями. Партией считают количествоL-ЖББ одной модели, изготовленное в одну смену по одной технологии и рецептуре, но не более 100 штук.

7.11.3 L-ЖББ подвергают квалификационным, типовым, периодическим и приемо-сдаточным испытаниям, в объеме и в сроки, указанные в таблице 7.4.

7.11.4 Отбор продукции для испытаний осуществляется согласно ГОСТ 18321.

7.11.5 Квалификационные испытания проводят при постановке на производство продукции, в том числе по лицензии, для подтверждения готовности производства к серийному выпуску продукции в соответствии с требованиями настоящих ТУ.

7.11.6 Типовые испытания проводят при изменении в конструкции или технологии изготовления L-ЖББ, которые могут повлиять на технические характеристики продукции.

7.11.7 Периодические испытания проводят для подтверждения стабильности производства L-ЖББ не реже одного раза в 6 месяцев.

7.11.8 Приемо-сдаточные испытания проводят перед отгрузкой продукции Заказчику, или в иные сроки, отдельно согласованные заводом-изготовителем с патентообладателем или лицензиатом.

7.11.9 Объем и периодичность испытаний представлены в таблице 4.

7.11.10 При положительных результатах приемо-сдаточных испытаний оформляется паспорт качества, в котором указывается:

• наименование и адрес изготовителя;
• номер и дата выдачи документа;
• обозначение L-ЖББ в соответствии с настоящими ТУ;
• номер и дата изготовления L-ЖББ;
• обозначение настоящих ТУ;
• марка бетона по прочности;
• марка бетона по морозостойкости;
• водонепроницаемость бетона;
• диаметр и маркировка используемой арматуры;
• гарантийные сроки использования L-ЖББ;
• условия действия гарантийного обязательства изготовителя L-ЖББ;
• подпись представителя отдела технического контроля предприятия- изготовителя.

7.11.11 Паспорт качества выдается на партию L-ЖББ, отгружаемую по товарной накладной. По требованию Заказчика, паспорт качества может выдаваться на каждый L-ЖББ.

Таблица 7.4 – Объем и периодичность испытаний L-ЖББ

7.11.12 Испытания считаются неудовлетворительными если:

• результаты испытаний ниже требований настоящих ТУ;
• разброс результатов испытаний по какому-либо показателю превысит 25%, даже если все результаты испытаний будут в пределах требований настоящих ТУ.

7.11.12.1 Партия L-ЖББ, не принятая по результатам испытаний, бракуется в полном объеме и утилизируется в установленном порядке.

7.11.12.2 Серийное производство L-ЖББ приостанавливается до выявления и устранения причин возникновения дефектов.

7.12 Методы контроля

7.12.1 Прочность бетона блоков определяют по ГОСТ 10180.

7.12.2 Морозостойкость бетона определяют по ГОСТ 10060.0 при насыще­нии водой или 5% водным раствором хлористого натрия. При этом допускается снижение прочности бетона образцов на сжатие не более чем на 5% и потеря их массы не более чем на 3%.

7.12.3 Водонепроницаемость бетона блоков определяют по ГОСТ 12730.0.

7.12.4 Истираемость бетона блоков определяют по ГОСТ 13087.

7.12.5 Сульфатостойкость цемента проверяют при входном контроле по паспорту качества цемента на соответствие требованиям ГОСТ 22266.^[3]

7.12.6 Точность геометрических параметров, показатели качества внешнего вида блоков определяют по ГОСТ 26433.0; ГОСТ 26433.1

7.12.7 Категорию поверхности блоков определяют по ГОСТ 13015.

7.12.8 Показатели внешнего вида блоков проверяют визуально путем срав­нения с эталонами, утвержденными в установленном порядке.

7.12.9 Маркировку, схему укладки и заделки арматуры проверяют визуально.

7.13 Транспортирование и хранение

7.13.1 Транспортирование и хранение L-ЖББ осуществляют в соответствии с ГОСТ 13015 и настоящими ТУ.

7.13.2 Транспортировка и складирование типовых L-ЖББ затрудняется их габаритами и нестандартной формой, исключающей возможность хранение штабелями. На оборудованных площадках с подготовленной выровненной основой изделия устанавливают на боковую грань на деревянные доски рядом друг с другом.

7.13.3 Правила безопасности запрещают погрузку сбросом или волоком. Требуется погрузка с использованием подъемных механизмов. Необходимо правильно распределять нагрузку между строповочными петлями конструкции и помещать ее в кузов максимально плавно и мягко.

7.13.4 После погрузки изделия крепко фиксируют и обездвиживают на время перевозки. Перевозят транспортом любого вида, обеспечивающим защиту их от повреждений.

7.13.5 При погрузочно-разгрузочных работах разрешается подъем не более двух L-ЖББ одинаковой модели за один раз, при этом грузоподъемность подъемного механизма должна быть равной или больше массы поднимаемого груза.

7.13.6 При погрузочно-разгрузочных работах не допускается:

• нарушение целостности бетонных блоков;
• повреждение выпускной арматуры, предназначенной для соединения L-ЖББ.

7.14 Указания по эксплуатации

7.14.1 Укладка и монтаж L-ЖББ должны проводиться в соответствии с про­ектной документацией и «Руководством по применению L-ЖББ».

7.14.2 Создание облицовки канала из L-ЖББ осуществляется путем их укладки и соединения между собой по монтажным петлям и выпускам арматуры непосредственно или с использованием накладных деталей и замоноличиванием стыков.

7.14.3 Выбор модели блоков, способов их укладки, монтажа и соединения между собой осуществляется проектными организациями в зависимости от параметров и характеристик проектируемого канала и условий его эксплуатации, с учётом рекомендаций «Руководства по применению L-ЖББ».

7.14.4 Периодическую проверку технического состояния и ремонт эксплуатируемых L-ЖББ следует проводить в соответствии с рекомендациями «Руководства по применению L-ЖББ».

7.15 Гарантии изготовителя

7.15.1 Изготовитель гарантирует соответствие L-ЖББ установленным тре­бованиям при соблюдении требований разделов 7.5, 7.6 настоящих ТУ.

7.15.2 Гарантийный срок на L-ЖББ устанавливается в договорной докумен­тации на поставку продукции, но не менее двух лет с даты поставки продукции потребителю.

7.15.3 Срок службы изделий, при условии соблюдения требований раздела 7.6 настоящих ТУ, устанавливается согласно таблицы 7.5.

Таблица 7.5 – Срок службы изделий

8. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ПОДРУСЛОВЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ВОДОЗАБОРОВ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Технические условия составлены для новых типов водозаборных сооружений, авторской разработки в соответствии с требованиями «ГОСТ 2.114-2016. Единая система конструкторской документации. Технические условия».

Технические условия – это специальная документация, которая отражает технические нормы и требования по отношению к конкретным объектам строительства. Она содержит дополнительные к существующим или отсутствующие требования в области обеспечения безопасности и раскрывает особенности проектирования, эксплуатации, строительства и демонтажа объекта.

Технические условия на строительство подрусловых фильтрующих водозаборов мелиоративных систем разработаны на основе основного варианта подруслового водозабора комбинированной конструкции (по авторским патентам [39,42] и с учетом технического задания и календарного плана выполнения НИР.

Предназначены подрусловые водозаборы комбинированной конструкции для небольших прибрежных мелиоративных систем предгорных зон малых рек. Водозабор может быть наиболее эффективно использован на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель.

8.1 Материалы и изделия для строительства подруслового фильтрующего водозабора комбинированной конструкции

1.В качестве материалов для строительства подрусловых водозаборовв основном используется природный материал: местный грунт, гравий, камень, сухой камыш как наиболее прочный природный дренирующий материал, который сохраняет свои свойства на долгое время, тем самым создает благоприятные условия для очистки (фильтрации) от взвешенных частиц и приема воды; частично используются и искусственные материалы: дренажные перфорированные трубы,габионные, полимерные и стеклопластиковые сетки, перфорированные и гофрированные полимерные трубы, оцинкованные проволоки, металлические решетки, арматура, бетон и железобетон.

2.Технологичность возведения подруслового водозабора обеспечивается применением сборных изделий из природных и искусственных (экологически безопасных) материалов. Водозабор возводится в двух вариантах, технологические схемы которых приведены на рис. 3.3 и 3.4.

2.1. Первый вариант подруслового водозабора комбинированной конструкции [39] (рис. 3.3) состоит из водосборной галереи 1 и водоприемника, выполненного из металлической решетки 2 и гибких тюфяков 3, уложенных в два ряда поверху решетки. В первый ряд 4 гибкие тюфяки 3 плотно уложены по всей ширине галереи и по направлению ее продольной оси, а второй ряд 5 — поперек галереи и по направлению поверхностного потока воды. При этом второй ряд 5 тюфяков уложен с уклоном и большей длиной, перекрывающей ширину водосборной галереи 1 с двух сторон. В верхнем бьефе перед водоприемными тюфяками 3 предусмотрен направляющий порог 6. На глубине под порогом 6 по направлению русла устроен трубчатый водоприемник 7, концевая часть которого с уклоном входит в водосборную галерею 1 на уровне уреза воды. Трубчатый водоприемник состоит из перфорированных труб 8, гибких тюфяков 3 и жестких ребер 9. В конце водосборной галереи устроен отводящий канал 10».

2.2. Второй вариант подруслового водозабора комбинированной конструкции [47] (рис. 3.4) состоит из водоприемного лотка 1, сверху которого устроена металлическая решетка 2, поверху которой слоями уложены габионные тюфяки 3 и георешетки 4 с заполненными ячейками из щебня. Габионные тюфяки 3 выполнены из нескольких слоев геомат 5, двух ниток перфорированных труб 6, уложенных посредине слоев геомат, завернутых в габионную сетку 7. В конце лотка 1 устроен водосборный колодец 8, а сбоку колодца предусмотрен отводящий водопровод 9. Использование дренажных полимерных (перфорированных) труб 6, геомат 5 при изготовлении тюфяков 3 обеспечивают им гибкость и пластичность, хорошие водоприемные и фильтрующие свойства. Они экологичны, не имеют запаха, не выделяют вредных и токсичных веществ, устойчивы к жидким углеводородам, солнечному ультрафиолету.

3.Конструкции водоприемной галерее и отводящего канала выполняются в виде лотков из железобетона или безопасных полимерных материалов с учетом гидрологических характеристик реки и расхода водозабора.

4.В качестве сетки для гибких тюфяков может быть использована габионная сетка или геосетка из прочных материалов.

8.2 Технология возведения противооползневого сооружения

1.При проектировании подрусловых водозаборов комбинированной конструкции предварительно проводятся инженерные изыскания (топогеодезические, гидрологические, инженерно-геологические и гидрогеологические, а также инженерно-экологические) по изучению русловых процессов, геологических и гидрогеологических условий местоположения водозабора.

2. Календарные сроки строительства подруслового водозабора устанавливаются на основе анализа климатических условий и с учетом материалов инженерных изысканий.

3.По проектной технологии строительства первого варианта водозабора вначале подготавливаются траншеи, одну в поперек русло реки под водоприемную галерею и одну вдоль русла реки под трубчатый водоприемник. На период строительства реку отводится в другое русло от места производства работ.

3.1.По проекту производства работ из заранее заготовленного созревшего камыша, который находится еще во влажном состоянии изготавливаются в необходимом объема легкие фашины разной длины (от 1,5 до 2,5м), диаметром 0,15 – 0,2м. При этом берется пучок заранее заготовленного камыша, выравнивается по длине и плотно перевязывается в 3-х или 4-х местах оцинкованной проволокой (диаметром 1,5 — 2 мм).

3.2. По проектной технологии из легких фашин изготавливаются гибкие тюфяки (размерами 1х 2м, 1,2х2,2м, 1,2х2,5м). Для этого на ровную поверхность плотными рядами укладывают легкие фашины и связывают их между собой оцинкованной проволокой (диаметром 2 – 2,2мм).

3.3.В подготовленнойтраншее возводится водоприемная галерея, на которую монтируется арматурная решетка и на нее укладывают в два ряда гибкие тюфяки из легких фашин.Для возведения водозабора, заранее изготавливается необходимое количество легких фашин, дренажных полимерных труб с перфорацией и гибких тюфяков. Размеры и конструкции водоприемной галереи и трубчатого водоприемника определяются в зависимости от гидрологических характеристик реки и требуемой производительности (расхода воды) водозабора. После выбирается место строительства в русловой части реки, где отводится река на период производства строительных работ.

3.4.По проектной технологии в другой подготовленной траншее по уклону укладывают трубчатый водоприемник из перфорированных труб с ребрами жесткости и гибкими фильтрующими тюфяками, обмотанными вокруг труб, концевая часть которых с уклоном входит в водосборную галерею на уровне уреза воды. Сверху водоприемника насыпают песчано-гравелистый грунт до уровня поверхности земли. Глубина залегания трубчатого водоприемника должна быть не более 3,0 м.

4. По разработанной технологии строительства второго варианта водозабора вначале подготавливают траншею, вдоль русла реки под водоприемный лоток. На период строительства водный поток отводится от места производства работ.

4.1.По проекту производства работ заранее заготавливается необходимое количество габионных тюфяков, георешетки, геоматов, геосеток, перфорированных труб и металлических решеток.

4.2.Габионные тюфяки изготавливаются призматической формы, длиной 1,5 – 2,0 м, шириной 0,5 – 0,6 м и толщиной 0,3 – 0,4м, для этого берутся два-три слоя геомата, в середину тюфяка укладывают по 2 перфорированных полимерных труб, затем вокруг этих рядов заворачивается габионная сетка (нарезанная по размерам тюфяка) и плотно закрепляется свободными концами сетки. По такой проектной технологии изготавливается требуемое количество габионных тюфяков.

4.3.По проектной технологии разрабатывается котлован под водосборный колодец и траншею под отводящий трубопровод. Вначале возводится водосборный колодец призматической формы из монолитного железобетона, соблюдая технологии опалубочных, арматурных и бетонных работ. Затем укладывается водопроводные трубы в подготовленную траншею. Размеры колодца и труб водопроводных определяются в зависимости от расхода водозабора и геологических характеристик подстилающих грунтов.

4.4. В подготовленной траншее возводится водоприемный лоток из железобетона или безопасных полимерных материалов (входящим с уклоном в водосборный колодец), сверху которой монтируются арматурные решетки, поверху которой укладывают слоями габионные тюфяки. Размеры и конструкции водоприемноголотка определяются в зависимости от гидрологических характеристик реки и требуемой производительности (расхода воды) водозабора. Перед этим отводится река на период производства строительных работ.

5.Подрусловой водозабор комбинированной конструкции обеспечивает эффективный прием и отвод очищенной (профильтровавшей) воды речных русел. Такой водозабор может быть эффективно использован на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов.

9. РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО ПРОЕКТА МЕЛИОРАТИВНОГО КАНАЛА ИЗ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БЛОКОВ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

1. Общая часть

1.1. Настоящий документ содержит рабочие чертежи элементов и материалы для проектирования железобетонных каналов полигонального профиля из уголковых элементов.

1.2. Каналы предназначены для непосредственной транспортировки по ним воды для нужд орошения и обводнения на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростными (> 3 м/с и уклоны больше критических) и наносными режимами.

Предусматривается также применение каналов в качестве водосбросных и сопрягающих сооружений.

1.3. Каналы запроектированы для применения:

а) в обычных грунтовых условиях;

б) при наличии грунтовых вод;

в) на просадочных грунтах;

г) на площадках строительства с сейсмичностью до 9 баллов включительно.

1.4. Маркировка типов каналов имеет следующую структуру:

2. Конструктивные решения

2.1. Конструктивные решения каналов приняты в соответствии с требованиями СП 100.13330.2016 «Мелиоративные системы и сооружения».

2.2. Каналы состоят из L-образных железобетонных блоков (L-ЖББ), соединяемых между собой на сварке по арматурным выпускам и по монтажным петлям.

2.3. Типовые поперечные профили каналов имеют полигональное сечение. Выполняются с двумя или тремя парами паралелльных откосов. Профиль образуется из двух или трех L-образных блоков.

Возможно непосредственное соединение блоков между собой, а при необходимости создания сечения большей площади допускается использование дополнительных секций (плит) и монолитное наращивание стенок канала.

Эффективны для каналов с площадью живого сечения до 50 м².

2.4. Номенклатура основных элементов для полигональных каналов состоит из 5 моделей (типоразмеров) L-образных железобетонных блоков.

Габаритные размеры поперечного сечения лотков приняты модульными в пределах номинальных размеров: α = 120 — 158°; l × b от 990 × 990 мм до 1790 × 1990 мм.

2.5. Масса L-ЖББ от 465 кг до 2533 кг.

2.6. Классы бетона по прочности принят В30 по ГОСТ 26633 и указан в номенклатуре и рабочих чертежах железобетонных блоков. Марки бетона по морозостойкости и по водонепроницаемости должны устанавливаться, при необходимости, в конкретных проектах по табл.9 СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции». Для условий предгорной зоны марка бетона по морозостойкости должна быть не менее F200 по ГОСТ 10060, водонепроницаемость не менее W6 по ГОСТ 12730.0.

2.7. Подготовка ложа под каналы при отсутствии грунтовых вод принята песчаная толщиною 100 мм. Для других грунтовых условий подготовка принимается в соответствии с рекомендациями, приведенными в разделе 6 настоящей записки.

3. Нагрузки и расчет конструкции

3.1. При расчете каналов на эквивалентные нагрузки, приняты следующие нормативные характеристики грунтов:

а) грунты основания

удельный вес γ = 1,8 т/м³

угол внутреннего трения φ = 28°

удельное сцепление С=0,02 кгс/см²

модуль деформации Е=150 кгс/см²

б) грунты обратной засыпки

удельный вес γ = 1,7 т/м³

угол внутреннего трения φ = 30°

удельное сцепление С=0

модуль деформации Е – определяется по формуле (6) СНиП 2.09.03-85.

Расчет конструкций на эквивалентные расчетные нагрузки произведен для указанных характеристик грунтов при отсутствии грунтовых вод.

Если конкретные условия применения конструкций каналов существенно отличаются от условий принятых при разработке документа, подбор элементов серии следует производить по фактическим прочностным характеристикам конструкций.

4. Указания по применению материалов

4.1. При разработке проектов каналов из элементов данной серии рекомендуется следующий порядок работы:

4.1.1. На основании технологических заданий определяются габаритные схемы и соответствующие типоразмеры изделий для каналов;

4.1.2. На основании технологических заданий для выбранных габаритных схем определяются эквивалентные расчетные нагрузки, по которым принимаются требуемые марки элементов по несущей способности;

4.1.3. Составляются монтажные схемы трасс;

4.1.4. Узлы трасс разрабатываются в конкретных проектах с использованием материалов для проектирования.

4.4. При проектировании каналов для особых условий строительства и эксплуатации следует также руководствоваться рекомендациями раздела 6 настоящей пояснительной записки.

5. Указания по монтажу конструкций

5.1. Монтаж конструкций каналов должен производиться в соответствии с проектом производства работ и требованиями глав СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» и СНиП III-4-80* «Техника безопасности в строительстве».

5.2. К монтажу конструкций допускается приступить после устройства подготовки и инструментальной проверки соответствия проекту отметок и уклонов подготовки.

5.3. Строповка блоков при подъеме производится за монтажные петли.

5.4. Швы между сборными элементами заполняются мелкозернистым бетоном.

5.5. Обратную засыпку грунта после монтажа блоков следует производить слоями 30…50 см одновременно с обеих сторон канала с уплотнением в соответствии с требованиями СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».

6. Каналы для особых условий строительства и эксплуатации

6.1. Каналы в районах с высоким уровнем грунтовых вод.

6.1.1. При проектировании каналов (кроме водосточных) для районов с высоким уровнем грунтовых вод рекомендуется устройство попутного дренажа. При невозможности применения дренажа следует предусмотреть гидроизоляцию в соответствии с материалами, приведенными в настоящем разделе.

6.1.2. Конструкции каналов должны быть проверены на устойчивость против всплывания.

6.2. Каналы на просадочных грунтах.

6.2.1. Проектирование каналов на просадочных грунтах необходимо выполнять с учетом требований соответствующих разделов глав СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений».

6.2.3. Конструкции каналов, возводимых на просадочных грунтах I типа принимаются такими же, как и в обычных грунтовых условиях.

6.2.4. При возведении каналов на просадочных грунтах II типа необходимо учитывать следующие требования:

а) при величине просадки до 40 см для каналов следует предусматривать искусственное основание толщиной не менее 100 мм на всю ширину канала;

б) не рекомендуется при величине просадки более 40 см конструкция канала из сборных железобетонных блоков;

д) в процессе строительства и эксплуатации следует осуществлять надзор за возможной утечкой воды из канала с применением контрольных устройств.

6.3. Каналы на площадках строительства сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.

6.3.1. Конструкции на площадках сейсмичностью 7 и 8 баллов принимаются такими же, как и для несейсмических районов.

6.3.2. На площадках строительства с сейсмичностью 9 баллов стыки сборных железобетонных каналов усиливаются.

РАБОЧИЕ ЧЕРТЕЖИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ L-ОБРАЗНЫХ БЛОКОВ ДЛЯ КАНАЛОВ.

1. Железобетонные блоки запроектированы в соответствии с главой СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования».

2. Маркировка сборных железобетонных блоков (L-ЖББ) имеет следующую структуру:

• обозначение номера модели «М» в соответствии с таблицей 7.2;
• при использовании сульфатостойкого цемента – «Ц»;
• обозначение армирования: «Р» – решеткой; «К» – каркасом;
• выпуском арматуры: «В1» – с одной стороны; «В2» – с двух сторон;

Пример условного обозначения L-образного железобетонного блока первой модели (таблица 7.2) из тяжелого сульфатостойкого бетона, армированного решеткой и с выпуском арматуры с одной стороны: L-ЖББ-М1-Ц-Р-В1 по ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020.

3. Лотки приняты из тяжелого бетона классов В30 плотностью 2370 кг/м³.

4. Армирование блоков производится сварными сетками и каркасами. В качестве элементов усиления применяется стержневая арматура диаметром от 10 до 14 мм из стали марок А-I, А-II, Ат-IIIс и Ат-IVс.

5. Монтажные петли конструкций следует изготовлять из стержневой гладкой горячекатаной арматурной стали класса А-I марок ВСтЗпс2 и ВСтЗсп2 или периодического профиля класса А-II марки 10ГТ по ГОСТ 5781-82 диаметром 8 – 10 мм.

6. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры принята : при толщине конструкций до 100 мм включительно — 15 мм; при толщине более 100 мм- 20 мм.

Допускаемое отклонение по толщине защитного слоя до 5 мм.

7. Бетонирование блоков производить в горизонтальном положении ветками вниз.

8. Выемку лотков из опалубки производить после достижения бетоном 70% проектной прочности.

9. При установке монтажных петель и закладных изделий следует руководствоваться узлами, приведенными на чертежах.

10. Методы контроля и правил приемки.

10.1 Испытание изделий по прочности производить неразрушающими методами в соответствии с ГОСТ 13015. 1-81 (изменение №1). В качестве единичных показателей должны контролироваться:

— геометрические размеры;

— прочность бетона;

— вид, класс, марка, механические свойства арматурных сталей;

— качество выполнения сварных соединений арматуры и закладных деталей;

— диаметр, количество и расположение арматуры.

10.2 Приемку блоков производить в соответствие с ГОСТ 13015.0-83 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Общие технические требования», и техническим требованиям, приведенным в настоящем документе.

При приемке обращать внимание на правильность маркировки блоков.

11. Складирование и транспортирование лотков.

11.1. На оборудованных площадках с подготовленной выровненной основой изделия устанавливают на боковую грань на деревянные доски рядом друг с другом.

11.2. Поставка блоков потребителю должна производиться по достижению бетоном отпускной прочности, величина которой устанавливается в соответствие с ГОСТ 13015.0-83.

11.3. Погрузку и транспортирование блоков производить в соответствие с ГОСТ 13015.4-80 «Правила транспортирования и хранения», «Руководством по перевозке автотранспортом строительных конструкций».

При транспортировании блоки должны иметь опоры, и располагаться также, как и при складировании.

10.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

10.1 Рекомендации по гидравлическому и технико-экономическому расчету лотковых каналов полигонального профиля

Результатымноголетнихисследованийавторовпоизучениюэксплуатационнойнадежностимелиоративныхканаловпризматическогопрофиляподтверждаютвысокуюэффективностьканаловполигональногопрофиляпосравнениюсдругимиканалами.Полученныеимигидравлическинаивыгоднейшиесеченияполигональныхканаловобеспечиваютнетольковысокуюпропускнуюспособность,ноизначительноеповышениеэксплуатационнойнадежности.Приэтомматериальныезатраты(насодержаниеиэксплуатацию)наединицудлиныканаласнижаютсяна30%иболе.

Многочисленныеисследованиялотковыхканаловпрямоугольногопоперечногосечениявпредгорнойзонепоказалинизкуюэффективностьихработыиневысокийуровеньэксплуатационнойнадежности.

Анализрезультатовнатурныхианалитическихисследованийпозволяетутвердительноотметитьнижеследующее.Вусловияхвысокогоскоростногоинаносногорежимовводотоковвпредгорнойзонеоченьнизкаэффективностьработыканаловпрямоугольногосечениявжелезобетоннойоблицовке.Насодержаниеканаловтребуютсябольшиезатраты.Приэтомремонтотдельныхучастковднаканаловзачастуюнеобеспечиваетвосстановлениепропускнойспособностиводотокавцеломиэксплуатационнойнадежностивсейводопроводящейсети.Вэтихусловияхтребуетсяустройствонетольковысокоэффективныхнаносоудерживающихсооружений(головныхотстойниковнаканалах,взонахинтенсивногопоступлениянаносов),ноиоптимальныхформсеченийканаловсэффективнымиинадежнымиконструкциямиихкреплений,обеспечивающихстабилизациюструктурытурбулентногопотокаводыиповышениенадежностиработывсеймагистральнойсети.

Надежностьмагистральныхканалов,какосновныхипервостепенныхэлементовсистемы,определяютуровеньнадежностивсейсистемы.Анализматериаловполевыхисследований,оценкигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиканаловпрямоугольногосеченияЧегемскойоросительно-обводнительнойсистемы,эксплуатируемыхвусловияхпредгорнойзоныпоказал,чтопоосновнымопределяющимусловиямэффективностиинадежностионинесоответствуюттехническимтребованиям.Конструктивныенедоработкипривеликтому,чтоначальныйуровеньнадежностибылнижепроектного.Максимальнаяпропускнаяспособностьсуществующихканаловпрямоугольногосечения,какправило,на20-30%меньшепроектной,азначитиосновноеусловиеработоспособностиканаланевыполняется.СпервыхлетэксплуатацииЧегемскойООСнеудавалосьобеспечитьорошениевсехзапроектированныхсельхозугодийвзаданныхполивныхнормах.

Анализремонтопригодностиканаловпоказал,чтосуществующиеметодыремонтаивосстановленияпроектнойтолщиныоблицовкинедавалдолжногоэффекта.Плохоесцеплениеновогобетонасостаройбетоннойповерхностьюоблицовкиприводилктому,чточереззимуповерхностныйслойотслаивался,разрушалсяисмывалсяпотоком.Ктомужеоценкадолговечностиматериаловоблицовкимагистральныхканаловпопрочности,морозостойкости,коррозионнойстойкостииизносостойкостипозволиласделатьвыводотом,чтоматериалмонолитногоднаоблицовкипрактическивыработалсвойресурс,находитсянастадииинтенсивногоизносаитребуетсяегозамена.Насегодняшнийденьразработаныишироковнедряютсявпрактикуновыеиболеекачественныеинедорогиематериалы.

Наосновесравненияразличныхвариантовнаиболеерациональнымявляетсяреконструкцияпутемприведенияканаловпрямоугольногосечениякполигональномупрофилюстреугольнымоснованием.Прямоугольныеканалылегкореконструируютсявполигональныепутемразрушенияужеотработавшегосвойресурсднаиуглубленияпоцентрунанебольшуювеличинуиприданияпоперечномусечениюднатреугольнойформы.

Особенностями мелиоративных систем предгорной зоны являются небольшие площади севооборотов, большие уклоны поверхностей земли, необходимость более разветвленной сети распределительных каналов малого сечения, высокая мутность воды и высокие скорости потоков в источниках водозабора и т.д. При не соблюдении режимов орошения возникают условия для эрозии сельскохозяйственных земель[79-87].

Принятые в работе конструктивные и технологические решения (по мелиоративным каналам и сооружениям) по результатам проведенных исследований не противоречат существующим в РФ нормативно-техническим требованиям [88,89, 90].

Дляканаловполигональногосечения,привязанныхкусловияммагистральныхканаловЧегемскойООС,былиопределенызначенияпоказателейгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности(табл.10.1).

Сравнениеполученныхрезультатовснормативнымизначениямипоказателейподтвердили,чтоповсемпараметрамгидравлическаяэффективностьиэксплуатационнаянадежностьреконструированныхканаловобеспечиваетсясхорошимзапасом.Авторами также были выполнены многочисленные расчеты по определению основных гидравлических характеристик каналов полигонального и прямоугольного сечений при всех возможных значениях B, h_i, m, , n, iи др. Анализ результатов расчетов показал, что по сравнению с каналами прямоугольного сечения при равных условиях пропускная способность Qканала полигонального профиля увеличивается на 10% и более.

Таблица10.1.–Сравнительныепоказателигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиканаловполигональногопрофиля

Приполигональномсеченииканалаотносительностабилизируетсядвижениепотока,обеспечиваетсяквазиравномерноедвижениеводы.Приэтом,гидродинамическиенагрузкипотокаравномернораспределяютсяповсемусечениюканала,высотаволнзначительноуменьшается.Центртяжестипотокасосредоточиваетсянавершинетреугольногооснования,врезультатеэтогоплощадь,подвергающаясяабразивномуизносу,значительноуменьшается.

Приведеннаяв5главеметодологиягидравлическихитехнико-экономическихрасчетовмелиоративныхканаловполигональногосеченияпозволяетрассчитатьизапроектироватьмелиоративныеканалысоптимальнымиполигональнымипрофилямидляразличныхусловийихместоположения.Предлагаемаяметодологияпроектированиямелиоративныхканаловвместесводозаборнымисооружениямиавторскойразработкипозволяютсоздатьмодельусовершенствованноймелиоративнойсистемысэкономическиэффективныммеханизмомфункционирования.Прикоторомматериалоемкостьиэнергоемкостьсооруженийснижаетсядо50%,акачествоиколичествозабираемойоросительнойводыповышаетсядо40%.

Научасткахмалыхрек,гдепроектируютсяирасполагаютсяводозаборныесооруженияприменяютсяэкологическиетехнологии.Сиспользованиемизделийизприродныхматериаловразрабатываютсяэффективныеибиопозитивныеконструкцииводоприемных(фильтрующих)устройствподрусловыхигоризонтальныхводозаборов,атакжезащитно-регуляционныхсооруженийикреплений.Ониобходитсябезспециальногоотстойника,конструкцииихфильтрующихводоприемниковобеспечиваюточисткуводыотвзвешенныхнаносов.Конструкцииводозаборовитехнологииихстроительстваотносятсякбиопозитивным,способствуютсохранениюестественногорежимарексгидро-биологическимиусловиями.Привнедренииииспользованииэтихводозаборовдляподачиводывмелиоративныеоросительныесистемыпредгорныхзондаетзначительныйэкономическийэффект.Ониобходятсябезмелиоративныхотстойников,энергетическиезатратыуменьшаютсяболеечемв2раза,асебестоимостьподаваемойоросительнойводыснижаетсяна40%иболее.

НаиболееобоснованныеметодыгидравлическихрасчетовполигональныхканаловвсехвидовиразличногоназначенияразработаныС.О.Курбановым.

Привертикальныхбоковыхстенкахлотка()(рис.2.)сечениепреобразованноголотковогоканаласостоитиздвухчастей:верхней–прямоугольнойидонной–треугольной.Дляаналитическихисследованийгидравлическиххарактеристикглубинуверхнейчастисеченияобозначимчерез,адоннойчасти—.Площадьживогосеченияканаламожноопределитьпозависимости:

(10.1)

Смоченныйпериметр:

(10.2)

гдеВ–ширинаканалапооснованиюбоковыхстенок,м; m–заложениедонныхоткосов.

Дляполигональныхканаловгидравлическинаивыгоднейшегосечения(ГНС),егохарактеристикиможновыразитьчерезотносительнуюглубину

(10.3)

Подставляявыражение(10.3)вформулы(10.1)и(10.2),получим:

Основныегидравлическиехарактеристикииможновыразитьичерезотносительнуюширину,соответствующуюгидравлическинаивыгоднейшемусечениюпоформулеС.О.Курбанова:

(10.6)

Формула(10.6)поопределениюотносительнойширинылотканаиболееточнохарактеризуетполигональноесечениесточкизренияобеспечениянаивыгоднейшихгидравлическихусловий.

Приэтомоптимальныезначениязаложениядонныхоткосовлежатвследующихпределахm=4…8,азначениясоответствующиеГНС-m=4…5.

Далее,сучетомопределяемплощадьживогосеченияисмоченныйпериметр

Изформулы(10.7)выразимглубинуводыверхнейчастисечениялотка

Гидравлическийрадиусдляданногосечениясучетомформул(10.4)и(10.5)можнопредставитьвследующемвиде

СреднююскоростьVисреднеезначениепропускнойспособностиканалаQможноопределитьпоизвестнымформуламравномерногорежимадвижения

гдеС–коэффициентШези,можетбытьопределенпоформулеМаннингаисучетомформулы(10.10)

где:I–гидравлическийуклон,приравномерномрежимедвиженияI=i;

i–уклонднаканала;n–коэффициентшероховатости.

Подставляявформулу(10.13)значения,СиR,определимрасходдлялотковогоканалаполигональногопрофиля(рис.2.)

Длялотковыхканаловполигональногопрофилясдвумяпарамисимметричныхоткосов,двумябоковымисзаложениемидвумядоннымисзаложениемитреугольнымоснованиемполученогидравлическинаивыгоднейшеесечение(ГНС)(рис.12.)спараметрами

где—шириналоткапооснованиюбоковыхстенок,м;—глубинаводыверхнейчастисеченияуподножиявертикальныхбоковыхстенок,безучетазапасапревышениябровкинадводой,м.

Экономическинаивыгоднейшиезначениязаложенийоткосовлежатвболееширокихпределахи.

Относительнаяширина,соответствующаяГНСопределяетсяпозависимости

где-заложениедонныхоткосов; -относительнаяглубина;

где: -глубинадоннойчастилотка; -заложениеоткосовбоковыхстен;

Рисунок10.1 -Лотковыхканаловполигональногопрофиля

сдвумяпарамисимметричныхоткосов

Глубинадоннойчастисечения

Площадьживогосечениялотка

Смоченныйпериметр

Остальныехарактеристикиканала:гидравлическийрадиус,средняяскоростьирасходопределяютсякакобычно,поформуламравномерногорежимадвиженияводы.

Поусловиямэксплуатационнойнадежностиипотехнико-экономическимпоказателямотносительнаяширина

Движениеводыпоэксплуатационнымусловиямможетбытьравномернымспокойным(квазиравномерным)инеравномерным(бурным),когдапараметркинетичностипотокаПк>1,уклонбольшекритическогоуклонаi>i_криглубинапотокаменьшекритическойглубиныh<h_кр.

Аналитическиеисследованиясиспользованиемвышеприведенныхформулпоказывают,чтоприпрактическиоднихитехжезначенияхплощадиживогосеченияишириныBвлотковыхканалахполигональногопрофиляпропускнаяспособностьQканалаувеличиваетсяна5–10%,асмоченныйпериметруменьшаетсяна7%иболеепосравнениюсканаламипрямоугольногосечения[29].Приполигональномсеченииканалаотносительностабилизируетсядвижениепотока,обеспечиваетсяквазиравномерноедвижениеводы,гидродинамическиенагрузкипотокаравномернораспределяютсяповсемусечениюканала,высотаволнзначительноуменьшается.Центртяжестипотокасосредотачиваетсянавершинетреугольногооснования,врезультатеэтогоплощадь,подвергающаясяабразивномуизносу,значительноуменьшается.Предусмотревпрочноекреплениеучасткавершинытреугольногооснованияизносостойкимиматериалами,можноповыситьнадежностьработыоблицовкиканалаотабразивноговоздействиянаносов.

Чтобыподсчитатьматериальныезатратынастроительствоканаладлиной,необходимоподсчитатьобъемвыемкиканала,площадьоблицовкииихстоимости.Приопределенииобъемовземляныхработдлявсехслучаевзаложениеоткосанужнобрать≥1.

(10.24)

где1,1–коэффициентзапасанадополнительныйобъемземляныхработ.

Площадьоблицовки(10.25)

Объемжелезобетона(10.26)

Стоимостьработ(10.27)

гдеС_З–стоимость1м³земляныхработпоукрупненнымнормативам;

С_Б–стоимость1м³железобетона.

Всеэтитехнико-экономическиепоказателинеобходимоподсчитатьдлякаждоговариантаипоихрезультатам,т.е.понаименьшимзначениямстоимостиработисучетомгидравлическихусловийпротеканияводывыбиратьокончательныйвариантсеченияиконструкцииоблицовки.Приэтомнеобходимопроверитьипараметрыэксплуатационнойнадежностиигидравлическойэффективностивыбранноговариантаканала.

10.2 Основные технические условия и рекомендации по повышению эксплуатационной надежности и гидравлической эффективности оросительных каналов в условиях предгорной зоны

Длянаучногообоснованияпредлагаемыхтехническихрешенийпроизведемсравнительнуюоценкугидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиоросительныхканалов.

Гидравлическаяэффективностьиэксплуатационнаянадежностьлотковыхканаловбудутобеспечиватьсяприсоблюденииследующихизвестныхтехническихусловий[26]:

а)поводопроницаемостиоблицовки

(10.28)

б)попропускнойспособности

в)покоэффициентуполезногодействия

(10.31)

г)повероятностиобеспечениягидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности

(10.32)

Порезультатампроведенныхнамиполевыхисследованийнаканалахпредгорнойзоны,считаем,необходимымввестиещеодноусловие:

д)поповышениюглубиныводывлотке

где-нормальнаяглубинаводывлоткеканалаимаксимальнаяглубинасучетомвысотыволныиаэрациипотока.

Основнымкритериемэффективностиинадежностиработыканаламожетслужитьвеличинапропускнойспособности.Пропускнаяспособностьявляетсяслучайнойвеличиной,зависящейотмножествафакторов,поэтомуееможнорассматривать,какпараметрмерынакапливаемыхповреждений,характеризующейуровеньтехническогосостоянияиэксплуатационнойнадежностилотковыхканалов.

Вероятностьбезотказнойработыканалапопропускнойспособностиможноустановитьповыражению(3)

где-табличныйинтегралвероятности;-расчетныйрасходвканале,соответствующиймаксимальномурасходупоСНиП2.06.03.85;-случайныйминимальныйрасход; -дисперсияпропускнойспособностиканала;

где: ,-среднеквадратическиеотклонениясоответственнои;-среднеквадратическиеотклонениявеличинВ,h,nиJ; -задаетсяпообъектаманалогамилирассчитываетсяпоправилу«трехсигм»,как1/6полядопусков:

где-вероятноеизменение(допуск)расходаотносительнорасчетногорасходаканала.

Отдельныедифференциалычастногопорядкавуравнении(10.34)определяютсяотдельнодлякаждоговидаканалавзависимостиотформыегопоперечногосечения.

ДляканалаполигональногопрофиляихнаходимпутемчастногодифференцированияуравнениярасходаQ(10.14)поВ,h,nиJ

Глубинуводыможноопределитьсучетом(22)и(23)извыражений

Вероятностьбезотказнойработыканалапоподдержаниюнеобходимогоуровняводыопределяется(независимоотформыпоперечногосечения)извыражений:

среднеквадратичныеотклоненияглубин,соответственноh_max,h_рабиh_minопределяютсяпоэксплуатационным(опытным)даннымсуществующихканалов,адлявновьпроектируемыхh_max,h_рабопределяютсяпорасчету,h_min-задаетсяпообъектаманалогам.

Дляоценкигидравлическойэффективностиработыканаланеобходимособлюдениеещеодногоусловия.

Таблица10.2 -Сравнительныепоказателигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностимагистральныхканаловпризматическогопрофиля

Повышеприведеннымформуламбылипроведенырасчетыдлялотковыхканаловполигональногопрофиля.Длясравнительнойоценкитакиежерасчетыбылипроведеныдлялотковыхканаловпрямоугольногосечения.Произведенсравнительныйанализпоказателейгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностилотковыхканаловпрямоугольногопрофиляилотковыхканаловполигональногопрофиляснормативнымитехническимитребованиями,разработаннымиА.В.КолгановымиЮ.М.Косиченко(1997)дляканаловсоблицовкой(табл.2).

Каквидно,помногимпоказателямгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностилотковыеканалыпрямоугольногосечениянеотвечаютнормативнымтребованиям,азначенияпоказателейлотковогоканалаполигональногопрофиля(реконструированногонаосновесуществующихканалов)соответствуютнормативнымтехническимусловиям,апомногимобеспечиваютсясхорошимзапасом.Этоподтверждаетгидравлическуюэффективностьиэксплуатационнуюнадежностьпреобразованноголотковогоканалаполигональногопрофиля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований разработаны новые технические решения по водозаборным сооружениям и водопроводящим каналам, которые обеспечивают повышение эффективности работы и эксплуатационной надежности прибрежных мелиоративных систем

Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методология проектирования. Имеются разработанные методики проектирования и расчетного обоснования мелиоративных каналов с двумя и тремя парами симметричных откосов. Разработана методика оптимизации полигональных сечений мелиоративных каналов.

Предлагаются эффективные конструкции водоприемных (фильтрующих) устройств подрусловых и горизонтальных водозаборов. Подземные дренирующие водозаборы не требуют обслуживания и эксплуатации. При заборе воды из водосборного колодца, когда уровень воды в нем опустится ниже уровня грунтовых вод, дренирующая система начнет работать. Это также является существенным преимуществом данного типа водозаборов.

Не требуют в составе гидроузла отстойников, конструкция фильтрующего водоприемника обеспечивает очистку воды от наносов. Качество воды позволяет использовать ее и для систем капельного орошения.

Подземные фильтрующие водозаборы могут быть эффективно использованы на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

Обеспечивают забор необходимого количества и качества воды без нарушения режима рек. Внедрение и использование этих водозаборов для подачи воды в мелиоративные оросительные системы предгорных зон дает значительный экономический эффект. Они обходятся без мелиоративных отстойников, энергетические затраты уменьшаются более чем в 2 раза, а себестоимость подаваемой оросительной воды снижается на 40% и более.

Разработаны защитно-регуляционные сооружения и крепления, методы регулирования участков русел рек в зоне влияния водозаборных сооружений.

В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны.

Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

Разработаны технические условия по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения из сборных L-образных железобетонных блоков (ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020).

Разработаны технические условия по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

Разработаны методологические рекомендации по проектированию и расчетному обоснованию мелиоративных каналов полигонального профиля

Основные выводы

1. Результаты проведенных исследований и научного анализа материалов опыта эксплуатации, надежности и эффективности работ водозаборных сооружений и каналов мелиоративных систем предгорных зон показывают, что:

— существующие и применяемые на практике водозаборные сооружения и каналы мелиоративных систем предгорных зон характеризуются высокой энерго и материалоемкостью и низкой эффективностью работы:

— возникла необходимость в более эффективных конструкциях каналов, подрусловых и бесплотинных водозаборных сооружениях, характеризующихся высокой эффективностью работ и низкими эксплуатационными затратами, снижающими себестоимость оросительной воды более чем в 2 раза.

2. На основе проведенных исследований разработаны новые конструктивно-технологические решения по возведению горизонтальных и подрусловых водозаборных сооружений, мелиоративных каналов, по которым получены 10 патентов на изобретения, и еще 5 заявок на изобретения подготовлены и находятся на рассмотрении в Роспатенте.

3. Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методологию проектирования.

4. Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству полигонального канала с двумя парами симметричных откосов из сборных железобетонных блоков.

5. Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

6. Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

7. Полученные результаты проведенных исследований подтверждают высокую эффективность, надежность и технологичность возведения предлагаемых водозаборных сооружений и мелиоративных каналов полигонального сечения.

8. В дальнейшем (в последующие годы) при реализации предлагаемых конструктивных и технологических решений по водозаборным сооружениям и мелиоративным каналам будут:

— исследованы и найдены технические параметры и технологические связи, обеспечивающие повышение эффективности работы мелиоративных водозаборов и каналов в условиях предгорных зон малых рек;

— разработаны методики расчетного обоснования водоприемных устройств горизонтальных и подрусловых водозаборов;

— разработаны подробные технические условия по проектированию и строительству для каждого водозабора новой конструкции (защищен. патентом на изобретения или полезной модели);

— разработаны подробные технические условия по проектированию и строительству для каждого полигонального канала новой конструкции (защищен. патентом на изобретения или полезной модели);

— разработаны типовые проекты по всем новым мелиоративным водозаборам и каналам полигонального сечения, и рекомендации по их применению;

— разработана и внедрена модель эффективно функционирующей мелиоративной системы, от водозаборного сооружения до оросительной сети с технологическими средствами полива (с соблюдением норм полива) .

1. За холодный период года принимают период, начиная и кончая месяцами, характеризующимися среднемесячной температурой наружного воздуха 0°С и ниже согласно СНиП 2.01.01, а за теплый период – остальное время года. ↑
2. Морозостойкость бетона принята из расчетной температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки района строительства, от минус 15°С до минус 45°С включительно. ↑
3. Примечание – При необходимости оценку сульфатостойкости бетона блоков проводят по ГОСТ Р 56687, испытания на коррозионную стойкость – по ГОСТ 27677. ↑

Список использованной литературы

Приложения

Отчет изложен на 168 стр. компьютерного текста, содержит таблиц 33, рисунков 82, список использованной литературы включает 37 наименований.

Цель исследований – разработка и внедрение новых конструктивных элементов оросительных систем (новые конструкции дождевальных систем, систем малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, повышающие эффективность полива), обеспечивающих значительное снижение энергозатрат, экономию оросительной воды и материальных ресурсов.

Актуальность исследований

В настоящее время развитие способов орошения и техники полива осуществляется по следующим направлениям: снижение интенсивности водоподачи; улучшение качества полива за счет повышения равномерности увлажнения; направленное воздействие орошения на формирование среды обитания растений; совмещение разных способов орошения в зависимости от физиологических особенностей и фаз развития растений; многоцелевое использование поливной техники для внесения вместе с поливной водой удобрений, химмелиорантов, пестицидов, ростовых веществ; недопущение водной эрозии при орошении.

Постановка и решение этих задач требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований и особую актуальность приобретает разработка водосберегающих технологий орошения, направленных на получение посадочного материала высокого качества с максимальным количеством в урожае семенной фракции, который в течение длительного времени (3-4 года) может оставаться здоровым и сохранять высокий потенциал продуктивности.

Отчет включает введение, 3 главы, заключение и список используемой литературы.

Область применения планируемых результатов — внедрение результатов исследований планируется в хозяйствах различных форм собственности Волгоградской области.В результате на основании выполненных работ будут предложены и апробированы новые конструкции элементов и систем полива дождеванием, малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, повышающие качество полива, а также рекомендации по их применению.

Научная новизна и практическая значимость работы:

Заключается в получении научных данных и разработке технологических рекомендаций по использованию новых конструкций современных дождевальных машин, систем малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, обеспечивающих экономию оросительной воды, повышение эффективности и снижение ресурсоемкости полива до 20%.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развитие способов орошения и техники полива осуществляется по следующим направлениям: снижение интенсивности водоподачи; улучшение качества полива за счет повышения равномерности увлажнения; направленное воздействие орошения на формирование среды обитания растений; совмещение разных способов орошения в зависимости от физиологических особенностей и фаз развития растений; многоцелевое использование поливной техники для внесения вместе с поливной водой удобрений, химмелиорантов, пестицидов, ростовых веществ; недопущение водной эрозии при орошении.

Физиологические процессы в растениях напрямую связаны с водой. Достаточно сказать, что в активно растущих растениях содержание влаги превышает в 3…4 раза вес сухого вещества. На каждый килограмм сухого вещества через растения проходит несколько сот килограммов воды и теряется с их поверхности в результате транспирации или испарения в атмосферу. Кроме того, вода, растворяя питательные вещества, находящиеся в почве, превращает их в форму, доступную для поглощения их корнями растений. В период вегетации, когда происходит активный рост растений, лишний день без воды может замедлить последующий рост или даже привести к гибели растение.

Все это говорит о необходимости проведения поливов для нормального роста и развития растений. Не следует забывать, что по мере возрастания содержания воды в корнеобитаемом слое почвы (переполив, поднятие грунтовых вод и т.п.) снижается одновременно количество доступного растению кислорода. Это положение также приводит к угнетению развития растений, снижая доступность питательных веществ.

Получение высококачественной продукции и сохранение природно-ресурсного потенциала возможно за счет создания оптимальных параметров гидротермического режима поля. Регулирование теплового и водного режима почвы должно осуществляться в зависимости от условий природной среды.

Разработка технологических рекомендаций по повышению эффективности использования поливной техники производилась по результатам испытаний в Учебном научно-производственном центре «Горная Поляна» (УНПЦ) Волгоградского ГАУ.

В 2020г. такие исследования были проведены во время полива новой российской широкозахватной дождевальной машины кругового действия «Дон-К», шланга GoldenSpray (Корея), а также двух дождевальных машин шлангобарабанного типа «Beinlich» (Германия) и «RM irrigation» (Италия).

Разработка комбинированного способа полива мелкосеменных культур на базе внутрипочвенного орошения, защищённая заявкой на патент, составленной в 2020г. и проходящая в настоящее время в ФИПС стадию «Экспертиза по существу» — это результат двух лет исследований и тщательного патентного поиска.

Цель исследований — разработка и внедрение новых конструктивных элементов оросительных систем (новые конструкции дождевальных систем, систем малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, повышающие эффективность полива), обеспечивающих значительное снижение энергозатрат, экономию оросительной воды и материальных ресурсов.

В результате на основании выполненных работ предложены и апробированы новые конструкции элементов и систем полива дождеванием, малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, повышающие качество полива, а также рекомендации по их применению.

Научная новизнаи практическая значимость работызаключается в получении научных данных и разработке технологических рекомендаций по использованию новых конструкций современных дождевальных машин, систем малообъемного комбинированного орошения на основе капельного, внутрипочвенного и мелкодисперсного орошения, обеспечивающих экономию оросительной воды, повышение эффективности и снижение ресурсоемкости полива до 20%.

1.РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1 Разработка комбинированного способа внутрипочвенного орошения мелкосемянных сельскохозяйственных культур

В настоящее время в Нижнем Поволжье наиболее распространёнными способами полива являются дождевание и капельное орошение (КО). Однако, на наш взгляд, внутрипочвенное орошение (ВПО) тоже может успешно развиваться в этом регионе. Проведённые нами многолетние исследования показали, что ВПО так же, как КО, позволяет существенно повышать урожайность овощных культур и экономить оросительную воду, по сравнению с дождеванием. Однако, по сравнению с капельным поливом оно имеет следующие преимущества:

-высокую надёжность и долговечность работы;

-отсутствие в необходимости тщательной очистки воды перед её подачей в оросительную сеть;

-отсутствие угрозы засоления почв;

-отсутствие в необходимости ежегодного монтажа и демонтажа системы;

-свободное проведение любых агротехнических операций;

-отсутствие в необходимости ежегодной утилизации отработанных элементов конструкции и закупки новых.

-возможность комплектации системы ВПО из элементовтолько отечественного производства.

При КО напор в сети составляет до 2 атм (то есть, до 20 м водного столба), а при ВПО на участках с ровным, безуклонным рельефом при длине увлажнителей до 100 м он не превышает 0,5…0,6 м. В этом случае их можно считать безнапорными.

Развитие этого способа полива сдерживают 2 основных фактора. Первая проблема заключается в высоких затратах на устройство системы ВПО.

Сегодня стоимость системы ВПО составляют в среднем 300 тыс. р/га. Затраты на строительство с использованием одного современного экскаватора для разработки траншей, 3 монтажников для укладки труб-увлажнителей с экраном из полиэтиленовой плёнки сверху и снизу по всей их длине и бульдозера для закапывания траншей составят не более 50 тыс. р/га. При ежегодных промывках повышенным напором в конце каждого сезона такие системы могут эксплуатироваться неограниченно долго. При урожайности овощных культур не ниже 40…50 т/га и закупочной цене 10…15р/кг эти затраты эти затраты могут окупиться в первые 2…3 года эксплуатации, не требуя никаких дополнительных расходов в дальнейшем тогда, как при использовании систем КО необходимы ежегодные закупки новых капельных линий и фитингов взамен отработанных.А это затраты равные 33…70% стоимости самой системы КО.[6, 8, 12]

Остаётся вторая проблема. Общей особенностью внутрипочвенного орошения является наличие верхнего подсушенного слоя почвы (4-5 см), способствующего улучшению аэрация почвы, благодаря которому активизируются жизнедеятельность азотофиксирующих бактерий, в результате чего повышается урожайностьсельскохозяйственных культур. Однако этот подсушенный слой почвы создаёт существенные сложности для одновременного прорастания семян мелкосемянных культуртаких, как репа, редька, редис, свекла, морковь и др.

Существует так же критический период у растений, когда происходит максимальное водопотребление, в значительной степени формирующее урожай. Например, у овощных культур это период от цветения до начала плодообразования. В это время создание благоприятного микроклимата в посевахтолько за счёт внутрипочвенного орошения будет недостаточным.

В вязи с этим возникла цель исследований, заключающаяся в разработке комбинированного способа внутрипочвенного орошения для повышения урожайности мелкосемянных сельскохозяйственных культур за счёт получения максимальной одновременной всхожести семян и возможности регулирования микроклимата в посевах мелкосемянных сельскохозяйственных культур в период максимального водопотребления для повышения их урожайности.

Такой технический результат достигается способом внутрипочвенного орошения по трубкам, включающем подачу оросительной воды по внутрипочвенным трубам-увлажнителям, распространение её в почве восходящим потоком под действием капиллярных сил непосредственно в корнеобитаемый слой, при котором в последующие 48 часов после посева семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур осуществляют единоразовый полив дождеванием нормой 50 м³/га для получения максимальной одновременной всхожести семян, а затем проводят 1… 3 полива дождеванием нормой до 50 м³/га каждый в период максимального водопотребления растений для создания благоприятного микроклимата в посевах мелкосемянных сельскохозяйственных культур. Количество поливов дождеванием нормой до 50 м³/га каждый устанавливается в зависимости от продолжительности и интенсивности атмосферной засухи.[2, 4, 10]

Такое техническое решение оформлено в виде заявки на патент и отправлено в ФИПС.

Существенными признаками, влияющими на достижение заявленного технического результата, являются:

— единоразовый полив дождеванием нормой 50 м³/га в последующие 48 часов после посева семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур для получения максимальной одновременной всхожести семян;

— проведение 1… 3 поливов дождеванием нормой до 50 м³/га каждый в зависимости от продолжительности и интенсивности атмосферной засухи в период максимального водопотребления растений для создания благоприятного микроклимата в посевах мелкосемянных сельскохозяйственных культур.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.

Известно, что семена мелкосемянных сельскохозяйственных культур высевают на глубину до 4 см, то есть в 4…5 см зону, которая из-за особенностей внутрипочвенного способа полива является подсушенной. В результате этого прорастание семян из-за недостатка влаги становится затруднительным, а в наихудшем случае – невозможным.

Посев семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур обычно проводят в конце мая — начале июня, когда температура воздуха и почвы уже довольно высока, поэтому нахождение семян в подсушенной почве более 48 часов может привести к существенному снижению их всхожести.

Таким образом, при проведении единоразового полива дождеванием поливной нормой 50 м³/га в последующие 48 часов после посева семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур в верхнем слое почвы (4…5 см), создаются благоприятные водно-воздушные условия для одновременного прорастания семян без снижения их всхожести из-за чрезмерного иссушения.[1, 5, 9]

Известно, что при сильной атмосферной засухе (высокая температура и низкая влажность воздуха, особенно во время суховеев), даже при относительно высокой влажности почвы, интенсивность транспирации (испарение влаги с поверхности листа) может превысить скорость поступления воды из почвы через корневую систему в растение. В результате чего содержание воды в тканях растений снижается ниже оптимального уровня и начинается депрессия фотосинтеза. Депрессия фотосинтеза у большинства мелкосемянных сельскохозяйственных культур начинается при +18…28 °С.

Регулирование микроклимата в посевах приобретает особую важность в период максимального водопотребления растений, так как в этот период у растений проходит процесс образования цветков или плодов, от степени успешности которого зависит будущая урожайность.

В этих условиях весьма эффективным оказывается внутрипочвенный способ полива в сочетании с проведением 1…3 поливов дождеванием нормойдо 50 м³/га для увлажнения листьев растений и поверхности почвы. В результате чего происходит охлаждение листового аппарата и приземного слоя воздуха, а также повышение влажности воздуха в посевах, в сочетании с оптимальной обеспеченностью влажности почвы, что способствует значительному улучшению физиологических процессов в растениях, благодаря которому повышается урожайность мелкосемянных сельскохозяйственных культур.

Предварительно, на базе УНПЦ «Горная Поляна» Волгоградского ГАУ на опытном участке внутрипочвенного орошения были отработаны все элементы заявленной технологии комбинированного внутрипочвенного орошения мелкосемянных сельскохозяйственных культур на примере редькисорта «Зимняя круглая чёрная», моркови сорта «Самсон» и свеклы гибрида «Пабло F1» на светло-каштановых почвах Нижнего Поволжья.

Система внутрипочвенного орошения на опытном участке представляла собой сеть перфорированных увлажнителей из полиэтиленовых труб, уложенных на расстоянии 1,2 м друг от друга и на глубину 0,4 м с экраном из полиэтиленовой плёнки снизу и сверху по всей их длине. Смонтированная система включала в себя бак-смеситель для приёма воды от гидранта существующей оросительной сети, создания напора 0,5…0,6 м, внесения удобрений и подачи воды в распределительную сеть и далее к увлажнителям. А уже от увлажнителей оросительная вода по почвенным капиллярам восходящим потоком поступала к корням растений. [3, 7, 11, 13]

Полученная всхожесть семян, исследуемых мелкосемянных сельскохозяйственных культур по вариантам опыта показана в таблице 1.

Таблица 1- Всхожесть семян, исследуемых мелкосемянныхсельскохозяйственных культур по вариантам опыта

В рамках этих исследований были проведены специальные опыты, направленные на установление рациональной поливной нормы при поливе дождеванием в сочетании с внутрипочвенным орошением для создания благоприятных водно-воздушных условий верхнего слоя почвы (4…5 см), при которых обеспечивается максимальное одновременное прорастание семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур. Контролем служил вариант только внутрипочвенного полива без дождевания. Заявленная производителем лабораторная всхожесть семян редьки и свеклы составляла 98 %, а моркови — 99 %, однако в полевых условиях всхожесть семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур почти всегда меньше лабораторной на 4…7 и более %.

В результате было установлено, чтоединоразовый полив дождеванием поливной нормой 40 м³/га в сочетании с внутрипочвенным орошением обеспечил получение одновременной всхожести семян исследуемых культур, посеянных на глубину 3…4 см, в среднем за 2020 гг. 73,4…75,6 %. С увеличением поливной нормы до 50 м³/га всхожесть семян значительно возросла и составила 93,1…94,1 %. Дальнейшее увеличение поливной нормы до 60 м³/га не привело к возрастанию числа проросших семян. На вариантах, где,полив осуществлялся только внутрипочвенным орошением, всхожесть семян составила52,5…56,6 %.

Таким образом, наиболее рациональной поливной нормой при поливе дождеванием в сочетании с внутрипочвенным орошением для создания благоприятных водно-воздушных условий верхнего слоя почвы (4…5 см), при которой обеспечивается максимальное одновременное прорастание семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур, является 50 м³/га.

Для каждой культуры было выделено по 2 участка: на первом проводились только внутрипочвенные поливы, а на втором — внутрипочвенные в сочетании с поливами дождеванием, которыеподдерживали благоприятный микроклимат в посевах в период максимального водопотребления исследуемых мелкосемянных сельскохозяйственных культур.

На оба варианты опыта были внесены расчётные дозы удобрений под планируемую урожайность свеклы и редьки 60 т/га и моркови 70 т/га.

Посев семян исследуемых мелкосемянных культур каждый год проводили в течение 1…2 дней в период с 31 мая по 2 июня. Глубина заделки семян составляла 3…4 см.

Количество поливов при внутрипочвенном орошении и дождевании напрямую зависело от обеспеченности осадками и температуры воздуха. По гидротермическому коэффициенту Г. Т. Селянинова, показывающему уровень влагообеспеченности территории по соотношению суммы осадков к сумме температур воздуха, период с 31 мая по 30 сентября 2020 года был сухой (ГТК = 0,47).

На всём протяжении вегетационного периода редьки, свеклы и моркови с помощью внутрипочвенного способа полива поддерживался режим орошения с дифференцированным предполивным порогом влажности почвы 75-85-75 %НВ в активном слое почвы 0,5 м с изменением интенсивности орошения в 3 межфазных периода: «посев – начало плодообразования», «плодообразование – техническая спелость», «техническая спелость – уборка».

Необходимое количество поливов дождеванием для создания благоприятного микроклимата в посевах полностью зависело от продолжительности и интенсивности атмосферной засухи в период максимального водопотребления мелкосемянных сельскохозяйственных культур. Полив дождеванием назначалипри продолжительном отсутствии атмосферных осадков в сочетании с установлением температуры воздуха в посевах свыше 25° С и скорости ветра более 5 м/с.

Для проведения поливов дождеванием использовали прицепной штанговый опрыскиватель, заправленный оросительной водой,так как данное оборудование легкодоступно и имеется почти в каждом хозяйстве. В наших опытах использовался прицепной штанговый опрыскиватель ОП-2500 серии «АГРО».

Анализ изменения урожайности проводился по каждой культуре отдельно.

Полевые опыты с редькой сорта «Зимняя круглая чёрная».

Для максимального одновременного прорастания семян редьки в последующие 48 часов после посева на обоих вариантах опыта был проведён единоразовый полив дождеванием поливной нормой 50 м³/га, который в среднем за 2020 гг. обеспечил всхожесть семян 93,1% (таблица 1).

Поливной режим редьки при поливе только внутрипочвенным орошением в 2020 г. показан в таблице 2.

Таблица 2 – Поливные режимы исследуемых мелкосемянных сельскохозяйственных культур при внутрипочвенном орошении.

В среднем за год исследований режим орошения редьки с дифференцированной предполивной влажностью почвы 75-85-75 %НВ обеспечивался проведением 3-х внутрипочвенных поливов поливной нормой 143 м³/га в межфазный период «посев — начало плодообразования», 22-х поливов по 86 м³/га каждый в период «плодообразование — техническая спелость» и 8-и поливов поливной нормой 143 м³/га в период «техническая спелость — уборка».

Таким образом, за вегетационный период редьки общее количество поливов составило 34 ед., а количество оросительной воды — 3515 м³/га.

Режимы орошения редьки при внутрипочвенном орошении в сочетании с дождеванием показан в таблице 3.

Создание благоприятного микроклимата в посевах в период максимального водопотребления редьки в среднем за 2020 гг. потребовало, помимо внутрипочвенных поливов, проведение 2-х поливов дождеванием поливной нормой 50 м³/га, в результате общее количество поливов, с учётом внутрипочвенных, выросло до 36 ед., а оросительная норма — до 3615 м³/га.

Таблица 3 –Режимы орошения исследуемых мелкосемянных сельскохозяйственных культур при внутрипочвенном орошении в сочетании с дождеванием.

Урожайность редьки по вариантам опыта показана в таблице 4.

Таблица 4 — Урожайность (У) исследуемых мелкосемянных сельскохозяйственных культур по вариантам опыта.

В среднем за 2020 гг. урожайность редьки при поливе только с помощью внутрипочвенного орошения составила 61,4 т/га, а при сочетании внутрипочвенных поливов с дождеванием — 69,0 т/га. Таким образом, создание благоприятного микроклимата в посевах редьки в период максимального водопотребления среднем за 2020 гг. способствовало получению прибавки урожайности 7,7 т/га или 12,5 %.

Полевые опыты с морковью сорта «Самсон»

В опыте с морковью для максимального одновременного прорастания семян на обоих вариантах опыта так же был проведён 1 полив дождеванием поливной нормой 50 м³/га в последующие 48 часов после посева, который обеспечил всхожесть семян моркови в среднем за 2 года исследований 94,1 % (таблица 1).

Поливной режим моркови только при внутрипочвенном орошении в 2020 г. показан в таблице 2.

На варианте опыта с морковью было проведено 3 и 7 внутрипочвенных поливов поливной нормой 143 м³/га в первый и третий период роста и развития растений соответственно. Во второй межфазный период было проведено 19 внутрипочвенных поливов по 86 м³/га.

За период вегетации моркови в общей сложности было проведено 30 поливов с оросительной нормой 3114 м³/га.

Поливной режим моркови при внутрипочвенном орошении в сочетании с дождеванием показан в таблице 3.

На варианте опыта с сочетанием внутрипочвенного орошения и дождевания моркови в среднем за 2 года исследований помимо внутрипочвенных поливов было проведено 3 полива дождеванием по 30 м³/га для поддержания благоприятного микроклимата в посевах в период максимального водопотребления, в результате чего общее количество поливов, включая внутрипочвенные, увеличилось до 33 ед., а оросительная норма — до 3204 м³/га.

Урожайность моркови по вариантам опыта показана в таблице 4.

Средняя урожайность моркови в нашем опыте при внутрипочвенном орошении составила 71,6 т/га, а при комбинированном способе полива — 80,9 т/га. Следовательно, прибавка урожайности при поддержании благоприятного микроклимата в посевах в период максимального водопотребления в среднем за 2020 гг. составила 9,3 т/га или 13,0 %.

Полевые опыты со свеклой гибрида «Пабло F1»

В исследованиях 2020 гг. со свеклой на обоих вариантах опыта был проведён единоразовый полив дождеванием поливной нормой 50 м³/га в последующие 48 часов после посева семян, благодаря которому всхожесть семян составила в среднем 93,6 % (таблица 1).

Поливной режим свеклы при поливе только внутрипочвенным орошением в 2020 г. показан в таблице 2.

В посевах свеклы в среднем за 2020 гг. поддержание предполивного порога влажности почвы 75-85-75 %НВ обеспечивалось проведением 2-х и 7-и внутрипочвенных поливов по 143 м³/га в первый и третий межфазный период соответственно и 17-и поливов поливной нормой 86 м³/га во второй.

Общее количество поливов свеклы составило 27 ед., оросительная норма — 2799 м³/га.

Поливной режим свеклы при внутрипочвенном орошении в сочетании с дождеванием показан в таблице 3.

В посевах свеклы в среднем за 2020 гг. благоприятный микроклимат обеспечивался проведением 3-х поливов поливной нормой 40 м³/га в сочетании с внутрипочвенными поливами. Таким образом, вместе с поливами внутрипочвенным орошением общее количество поливов выросло до 30 ед., а оросительная норма — до 2919 м³/га.

Урожайность свеклы по вариантам опыта показана в таблице 4.

В опыте со свеклой средняя урожайность при внутрипочвенном способе орошения составила 60,8 т/га, а при комбинированном — 68,8 т/га. Таким образом, прибавка урожайности свеклы при поддержании благоприятного микроклимата в посевах в период максимального водопотребления в среднем за 2 года полевых опытов составила 8,0 т/га или 13,2 %.

При этом происходит значительная экономия оросительной воды для получения 1 тонны товарной продукции (таблица 5).

Таблица 5 – Затраты оросительной воды (ЗОВ) при ВПО и ВПО совместно с дождеванием (ВПО+Д), в среднем за 2020 гг.

Исследования показали, что применение комбинированного орошения позволяет снизить расход оросительной воды у редьки на 4,8 м³/т или на 8,4%; у моркови – 3,9 м³/т или 9,0 %; у свеклы – 3,6 м³/т или 7,8 %.

Следовательно, заявленный способ комбинированного внутрипочвенного орошения, в сравнении только с внутрипочвенным поливом мелкосемянных сельскохозяйственных культур на светло-каштановых почвах Нижнего Поволжья за 2020 г.полевых опытов позволил получить:

-максимальную одновременную всхожесть семян при проведении единоразового полива дождеванием поливной нормой 50 м³/га в последующие 48 часов после посева семян на примере редьки, моркови и свеклы, которая в среднем составила 93,1 %, 94,1 % и 93,6 % соответственно;

-возможность регулирования микроклимата в посевах в период максимального водопотребления исследуемых мелкосемянных культур, позволяющего повысить урожайность редьки на 7,7 т/га или 12,5 %, моркови на 9,3 т/га или 13,0 % и свеклы на 8,0 т/га или 13,2 %;

-снизить затраты оросительной воды у корнеплодов на 3,6 …4,8м³/т или на 7,8…9,0 %.

Анализ полученных результатов и проведённый патентный поиск позволил подобрать наиболее подходящие аналогичные технические решения:

1.Известен внутрипочвенный способ полива посредством конденсации парообразной влаги из почвенного воздуха, при котором в почве происходит охлаждение насыщенного воздуха до определённой температуры (температуры точки россы), в результате чего содержащийся в нём водяной пар насыщает воздух до 100% и дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию водяных паров на почвенных частицах. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 6,7).

2.Известен внутрипочвенный способ полива путём регулирования уровня грунтовых вод, при котором поверхность грунтовых вод искусственно поддерживается на небольшой глубине от поверхности почвы, а влага капиллярной каймы энергично расходуется растениями и с поверхности почвы. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 8).

3.Известен машинный способ внутрипочвенного полива, основанный на механизированной подаче воды на заданную глубину одновременно с рыхлением. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 37).

4.Известен внутрипочвенно-кротовый способ полива, основанный на применении искусственных кротовин, устраиваемые механизированным способом, для подачи воды в почву. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 33).

5.Известен внутрипочвенно-капельный способ полива, при котором вода подаётся в корнеобитаемый слой почвы с помощью трубок небольшого диаметра со встроенными в них капельницами, контролирующие поток воды и распространяется по капиллярам к корням растений. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 51)

За прототип выбран внутрипочвенный способ полива по трубкам, включающий подачу оросительной воды по внутрипочвенным трубам-увлажнителям и распространение её в почве восходящим потоком под действием капиллярных сил непосредственно в корнеобитаемый слой. (Григоров М. С., Внутрипочвенное орошение, учебное пособие, Москва, 1983 г., стр. 3, 4, 15).

Анализ полученных материалов позволил в 2020 г. разработать формулу изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

к заявке «Способ комбинированного внутрипочвенного орошения мелкосемянных сельскохозяйственных культур»

1. Способ комбинированного внутрипочвенного орошения мелкосемянных сельскохозяйственных культур, включающий подачу оросительной воды по внутрипочвенным трубам-увлажнителям, распространение её в почве восходящим потоком под действием капиллярных сил непосредственно в корнеобитаемый слой, отличающийся тем, что в последующие 48 часов после посева семян мелкосемянных сельскохозяйственных культур осуществляют единоразовый полив дождеванием нормой 50 м³/га для получения максимальной одновременной всхожести семян, затем проводят 1… 3 полива дождеванием нормой до 50 м³/га каждый в период максимального водопотребления растений для создания благоприятного микроклимата в посевах мелкосемянных сельскохозяйственных культур, при этом

2. Способ комбинированного внутрипочвенного орошения мелкосемянных сельскохозяйственных культур по п. 1, отличающийся тем, что проведение от 1 до 3 поливов дождеванием нормой до 50 м³/га каждый для создания благоприятного микроклимата в посевах мелкосемянных сельскохозяйственных культур в период максимального водопотребления растений устанавливается в зависимости от продолжительности и интенсивности атмосферной засухи.

Заявка на изобретение под № 2020124980 (авторы: Овчинников А.С, Бочарников В.С., Ходяков Е.А., Боровой Е.П., Пахомов А.А., Милованов С.Г., Бондаренко К.В.) поступила в ФИПС 09.07.2020г. В настоящее время она проходит стадию делопроизводства «Экспертиза по существу».

Разработка проведена с использованием технических решений по результатам патентного поиска. Проведенный патентный поиск определил направление исследований разработки конструкции систем орошения для комбинированных способов полива.

Известно, что основным направлением развития способов орошения и техники полива является создание экологически ориентированных гидромелиоративных систем с замкнутым циклом водооборота и многоцелевым использованием оросительной сети и поливной техники при высокой эффективности использования водных, земельных, трудовых, материальных и энергетических и временных ресурсов.[14, 17, 19]

Особое внимание должно быть уделено:

— автоматизации и мониторингу процессов сбора, контроля, управления технологическими процессами и их параметрами.

— комплексному регулированию режимов агробиоценозов в соответствии с водно-физическими свойствами почв и возделываемыми сельскохозяйственными культурами и фазами их развития;

— системам мониторинга и автоматизированного управления орошением в режиме реального времени, что является неотъемлемыми компонентами технологий и технических средств точного (координатного) орошения.

Гидротермический режим агрофитоценоза – это совокупность всех явлений поступления, расхода и переноса влаги и тепла.

Управление гидротермическим режимом агрофитоценоза является актуальной проблемой современной аграрной науки, комплексное решение которой возможно лишь при правильномобосновании водных мелиораций.

Как показывают результаты патентного поиска, в настоящее время ведутся активные поиски по снижению температурного и водного стресса на растения. Пути и способы решения указанной проблемы довольно разнообразны. Заслуживают внимания пути регулирования гидротермического режима поля в приземном слое воздуха.

Рассмотрим способы повышения устойчивости растений к стрессам с помощью химических веществ. Согласно Европатента ЕР 1891854 А 1 «Способ и смесь для полива растений» [1] полив растений выполняют путем подачи с водой к растениям раствора или взвеси полипропиленгликоля.

Применение упомянутого раствора приводит к существенному снижению количества воды, необходимого для полива растений вследствие уменьшения испаряемости.

Европатент ЕР 1929866 А 1 «Использование полимеров и олигомеров ксилодекстрана и производных соединений в качестве фитосанитарных продуктов и биоудобрений» [2] имеет целью утилизацию вещества, содержащего соединение олигозида формулы Х₁-Х₂-Х₃-(Х₄)n, в которой Х₁, Х₂, Х₃, и Х₄представляют, каждый независимо друг от друга, одну из моноза, выбранных среди глюкозы, галактозы, ксилозы, фруктозы или арабинозы. Монозы представлены в восстановленной форме и/или замещены группой алкида или ацила, такой как группа метила или ацетила, а n принимает значения 0 или 1. Изобретение предназначено для адаптации растений к абиотическому стрессу, для регулирования цветения и плодоношения растений и индуцирования защитных реакций против патогенных возбудителей. [16, 18, 22, 26, 31]

Предлагается патент Всемирной организации по охране интеллектуальной собственности (ВОИС) WO 2009079508 A1 на «Способы и составляющие снижения стресса у растений, обеспечивающие улучшенный рост и урожайность растений с помощью снижения стресса от абиотических факторов» [3]. Согласно патенту, раствор, содержащий одно или более веществ (растительные гормоны, аминокислоты, производные аминокислот и терпены, или смесь этих соединений), наносят на поверхность растений. При этом образуется защитная пленка, снижающая влияние таких абиотических факторов, как жара, холод, свет и водный стресс. При этом фотосинтез не испытывает отрицательного воздействия.

Следует отметить, что возможности повышения устойчивости растений к стрессам с помощью химикатов весьма ограничены.

Просматривается несколько направлений снижения стресса путём регулирования гидротермического режима поля в приземном слое воздуха.

Наиболее масштабным является техническое решение по патенту WO №2008050799 A1 [23]. Предложенная система использует реактор ядерного синтеза или распада в качестве источника тепла.

Для выработки пара применяют теплообменник, который выполнен в виде системы заполненных водой труб, обеспечивающих её циркуляцию и охлаждение реактора. В результате нагрева воды производится выработка пара. Струи пара направляются в атмосферу через выпускной паропровод. Пары воды образуют облака, закрывающие солнечный свет, что направлено на снижение температуры поверхности земли.

Комплекс, описанный в патенте WO № 2008052224 A2 [25], содержит систему орошения сельскохозяйственных культур и систему выработки электроэнергии. Система выработки электроэнергии содержит зеркальный солнечный коллектор и фотоэлементы, установленные на опоре и отслеживающие положение солнца. Комплекс снабжен источником воды и насосом, который обеспечивает ее подачу к обеим системам. В дневное время поток воды отбирает тепло, понижая температуру приземного слоя воздуха. При этом фотоэлементы вырабатывают энергию системой. В ночное время теплую воду используют для полива сельскохозяйственных культур. [15, 20, 21, 24]

Патент РФ RU № 2338368 C1 выдан на вегетационную систему для создания микроклимата при выращивании сельскохозяйственных культур в открытом грунте [27]. Регулирование микроклимата проводится с помощью автоматизированной системы управления, оборудованной датчиками влажности и температуры. Система управления регулирует подачу воды из оросительного устройства, имеющего гидроаккумуляторы и нагреватели, посредством системы труб, снабженных форсунками. Система содержит ветрозащитное ограждение по периметру земельного участка.

Патент РФ RU № 2337525 C1 «Способ орошения атмосферной парообразной влагой» [28, 29, 33] предусматривает обеспечение потребности растений во влаге за счет ее конденсации из воздуха, включает высадку деревьев и прокладку подпочвенных воздуховодов, периодически соединяющихся восходящими каналами с атмосферой. Подпочвенные воздуховоды выполняют в виде почвенных щелей, заполненных камнем, закрытых пленкой и засыпанны почвой. Восходящие каналы, соединяющие подпочвенный воздуховод с атмосферой, заполняют камнем до поверхности почвы.

Соединение подпочвенного воздуховода восходящими каналами с атмосферой чередуют с солнечной и теневой стороны деревьев, определяемой по наибольшему суточному интервалу времени. Согласно второму варианту в восходящий канал, расположенный с солнечной стороны деревьев, устанавливают вытяжную трубу. Труба выступает над поверхностью почвы и выполнена из теплопроводного материала. Технический результат заключается в повышении эффективности конденсации атмосферной влаги за счет интенсификации воздухообмена между атмосферой и почвой.

Предлагается Европейский патент EP № 2092820 A1 «Способ и устройство для защиты виноградных лоз от мороза» [30]. В предложенном устройстве газ, в частности воздух, нагревается в узле посредством сжатия и через распределительную систему подается к виноградным лозам. Распределительная система с помощью гибких шлангов с капиллярными отверстиями направляет подогретый воздух равномерно по всей поверхности шланга.

Согласно патента WO №2010006473 для защиты сельскохозяйственных культур от заморозков [32] используют специальные системы, которые включают мощные вентиляторы, датчики температуры, установленные в инверсионном слое и ниже его. Датчики передают информацию в режиме текущего времени на контроллер, который регулирует температуру.

Подобная система защиты сельскохозяйственных культур от заморозков описана в патенте ВОИС WO №2010008602 [34]. Она использует мощный вентилятор, установленный на мачте и снабжённый подогревателем воздуха.

В патенте ВОИС WO №2010076959 [35] описан способ обогрева участков с одновременным созданием благоприятных условий для формирования искусственного дождя.

В патенте US № 7654035, выданном в США [36], восходящий поток воздуха, формируемый вентилятором, используется для создания воздушного барьера на пути продвижения холодного воздуха. Этот барьер обеспечивает поднятие холодного воздуха выше приземного слоя, тем самым защищая растения от радиационных заморозков.

Согласно патенту РФ №2283580 предлагается дождевальная установка «Данус-Жанбыр»[37]. В установке для создания восходящего парогазового потока используют реактивный двигатель, снабжённый волновым активатором. Струя парогазовой смеси выбрасывается на высоту нескольких километров, что, по замыслу авторов, способствует формированию дождевых облаков.

Отличается оригинальностью предложение регулировать микроклимат поля путём формирования концентрированного потока солнечного излучения и направления его на заданный участок (Патент РФ №2071232) [33].

Анализ вышеизложенного материала подтверждает факт в большинстве случаев рассмотрение технических решений, направленных на защиту сельскохозяйственных культур от заморозков.

Что касается защиты растений от засухи и температурных стрессов, то в этом направлении преимущество имеют способы совершенствования технологии и техники орошения.

Возможность создавать оптимальные условия для произрастания растений в критические дни вегетационного периода дает комбинированное орошение, которое позволяет контролировать температуру и влажность приземного слоя воздуха, гибко регулируя запасы влаги в почве в соответствии с биологическими особенностями орошаемых культур. Наиболее эффективными и перспективными способами регулирования гидротермического режима поля следует признать стационарные системы, сочетающие капельное орошение с мелкодисперсным дождеванием (МДД).

1.2 Разработка новых конструктивных элементов оросительных систем капельного и комбинированного орошения

Капельное орошение — способ орошения, при котором увлажнение почвы осуществляется в зоне максимального развития корневой системы растений. Вода равномерно падающими каплями подается непрерывно к каждому растению на протяжении всего вегетационного периода в количестве, соответствующем водопотреблению данной культуры.

К элементам техники капельного орошения относят очаг увлажнения, увлажненную площадь поверхности почвы, контур увлажнения, расход капельного микроводовыпуска, число и схему расположения точек водоподачи в очаге увлажнения, равномерность распределения оросительной воды по микроводовыпускам, схему расположения микроводовыпусков по орошаемой площади. Расчетная зона увлажнения для плодовых кустарников и фруктовых деревьев определяется горизонтальной проекцией основной массы кроны и составляет 0,5 – 0,7 ширины междурядий. Расчетный слой увлажнения зависит от агробиологических показателей сельскохозяйственных культур, водно-физических свойств почвы и от расхода микроводовыпусков и продолжительности полива.

Из мировой практики (Австралия, Израиль, США, Франция, Греция, Италия и др.) известно, что система капельного орошения, по сравнению с традиционными способами полива (дождевание, полив по бороздам), обеспечивает прибавку урожая овощных культур на 50–80 %. При этом созревание овощей происходит на 5–10 дней раньше при одновременном снижении трудовых и энергозатрат в 1,5–2 раза и расхода поливной воды и удобрений на 30–50 %.

Система капельного орошения на склоновых землях.

Низконапорная система капельного орошения (рисунок 1, 2, 3, 4) состоит из подводящего трубопровода 1, сопряженного с ним распределительного трубопровода 2, к которому подключен через регулятор расхода 3 поливной трубопровод 4, снабженный водовыпусками 5, состоящими из напорообразующей части 6, подсоединенной одним концом к нижней поверхности трубопровода 4, а другим – к дозатору расхода 7 с калиброванным каналом 8. Дозатор 7 сопряжен с безнапорной, водоотводящей трубкой 9. Поливные трубопроводы 4 подвешены к шпалерной проволоке 10, натянутой на опорах 11, установленных в створе рядка растений 12.

Особенность работы данной конструкции системы низконапорного капельного орошения состоит в повышении равномерности распределения воды через капельные водовыпуски по длине поливных трубопроводов, за счёт использования специальных дозаторов с калиброванными каналами, устанавливаемыми на водоотводящих трубках. При этом использование данной конструкции водоотводящих трубок позволяет значительно увеличить ширину орошаемой полосы.

Основные технико-эксплуатационные показатели:

Расход воды капельного водовыпуска, л/ч …………..………………………..5-7

Напор воды в водовыпуске, м………………………………………………..0,05 -0,08

Площадь модульного участка, га…………………………………………1,0-10,0

Допустимый размер взвешенных частиц в воде, мм……………..……………0.5

Равномерность распределения воды по поливному трубопроводу, %…………..95

Новизна технических решенийзащищена патентом РФ на изобретение № 2384996.

Эффективность разработки: Система капельного орошения позволяет повысить равномерность распределения воды по длине поливных трубопроводов, расширить диапазон регулирования расхода воды и повысить надежность работы низконапорных водовыпусков.

1

4

2

5

3

5

6

7

8

9

10

11

5

6

7

12

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Система капельного орошения на местном стоке – разработанная система предназначена для проведения капельного орошения любых сельскохозяйственных культур в открытом грунте.

Систему следует применять на землях с уклонами местности до 0,05, при глубине залегания грунтовых вод не менее 1,0 м и при минерализации оросительной воды до 6,0 г/л, в условиях сухостепной, полупустынной и пустынной зон на светло-каштановых и бурых полупустынных почвах.

Рисунок 5

В технологическом отношении при реализации технологии используется стандартная конструкция системы капельного орошения (зарубежная или отечественная), включающая: насосную станцию (3); оборудование для тонкой очистки воды — песчано-гравийный фильтр (6); узел приготовления и внесения удобрений, гербицидов и других веществ (8); магистральный (4) и распределительные (9) трубопроводы; запорную аппаратуру задвижки, вентили, краны, регуляторы давления и т. п. (7); поливные трубопроводы в виде гибких лент (10) со встроенными микроводовыпусками-капельницами (11).

Водоисточником (1) служит местный поверхностный сток (малые реки и балки), аккумулирующиеся в водоемах (2) – прудах, озерах и водохранилищах. Для улучшения физико-химических свойств воды (в первую очередь для уменьшения процесса кристаллизации взвешенных веществ и заиления микроводовыпусков) на напорном трубопроводе устанавливается специальный аппарат для обработки воды постоянным магнитным полем (5).

Технологический регламент работы системы капельного орошения в основном стандартный, с учетом специфики режима орошения конкретной с.-х. культуры. В качестве примера рассматривается система (рис.), отличительной особенностью которой является оригинальная схема посева лука, осуществляемая с помощью переоборудованной зернотравяной сеялки СЗТ-3,6. Путем закрытия определенного числа высевающих аппаратов достигается равномерный широкополосный четырехрядный посев семян лука (ширина полосы 30 см при расстоянии между рядами 7,5 см) при ширине междурядий 30 см. Такая схема позволяет размещать поливные трубопроводы через 60 см и располагать их строго посередине посевных полос, имея с обоих сторон по два ряда лука.

Основные технико-эксплуатационные показатели системы:

— расход капельниц 1,3…4 л/ч;

— расстояния между капельницами 0,1…0,4 м;

— поливная норма 20…240 м³/га;

— продолжительность полива 0,3…10,0 ч;

— количество поливов 14…35 шт.;

— оросительная норма 1900…3500 м³/га;

— межполивной период 2…4 дня;

— норма разовых минеральных подкормок, кг д.в./га N_2…20 P_5…8;

— коэффициент использования земли орошаемого участка 0,98;

— коэффициент эксплуатационной надежности системы 0,98;

— коэффициент использования рабочего времени смены более 0,8;

— повреждаемость растений при поливах – отсутствует;

— схема внесения удобрений и других и других веществ – прямоточная.

Технология впервые разработана и предложена для условий аридной зоны Калмыкии. Технология позволяет, в зависимости от доз вносимых минеральных удобрений, получать стабильную урожайность овоще – бахчевых культур, в частности лука, до 60 т/га, снизить оросительные нормы, по сравнению с поливом дождеванием, на 25…40 %. Чистый доход от реализации продукции при этом достигает 65…250 тыс. руб./га, а индекс доходности затрат – 1,5…2,0 и более.

1.3 Комбинированная система капельного орошения и мелкодисперсного дождевания

Мелкодисперсное дождевание (аэрозольное орошение) — способ орошения, представляющий собой дождевание мелкораспыленной водой для создания оптимального микроклимата на посевах сельскохозяйственных культур.

При мелкодисперсном дождевании распределение воды каплями диаметром 100…300 мкм обеспечивает снижение температуры растений и увеличение влажности воздуха, создавая, таким образом, оптимальный гидротермический режим растительного сообщества.

Для понижения температуры листового покрова на 5^о С и повышения влажности воздуха в среде растительного покрова на 20…25 % необходимо затратить около 150 л воды на 1 га, однако продолжительность действия такого увлажнения незначительна. Интервал между поливами можно установить по времени испарения капель воды, равный 30-40 мин, однако при этом нужно учитывать время последействия, которое в 1,5…2,0 раза превышает время испарения.

При жаркой сухой погоде с температурой воздуха в дневные часы выше 25^оС дождевальный агрегат должен дважды в день в наиболее напряжённые часы дня проходить по орошаемому участку с интервалом не более двух часов и распылять в виде капель размером не более 150 мкм слой дождя 1,5…2 мм за проход, что составляет 15 -20 м³ /га.

Комбинированное малообъемное орошение рационально применять в регионах с часто повторяющимися атмосферными засухами, наличием в течение вегетационного периода не менее 20 дней с температурой воздуха выше 25⁰С, относительной влажностью 50% и ниже.

Одним из вариантов регулирования фитоклимата поляявляется способ, описанный в патенте № 2567521[15], который включает периодическое мелкодисперсное увлажнение растений с учетом температуры и влажности приземного слоя воздуха и почвы, а также скорости и направления приземного ветра. Над поверхностью поля производят распыление аэрозоля с автоматическим регулированием высоты и направления его подачи, а также размера капель в нем. По результатам мониторинга температуры и влажности приземного слоя воздуха и почвы, скорости и направления приземного ветра в режиме реального времени проводится увлажнение посевов.

Все разрабатываемые в настоящее время оросительные системы ориентированы на широкое использование компьютерных технологий управления оросительной техникой с применением различных датчиков, установленных на поле. Как правило, датчики передают информацию в режиме текущего времени по беспроводной сети на центральный управляющий компьютер, который, используя базу данных и рабочие программы, выдаёт команды на контроллеры, управляющие работой клапанов и насосного оборудования (Патенты европейского патентного ведомства ЕР №№1872651 А1; 2201834 А1; 2215906 А1; 2243353 А1;

Аналогичные системы управления мелкодисперсными системами патентуются и в России (Патенты RU 20989464; 2463773; 2492626).

Для регионов с неустойчивым увлажнением предложена низконапорная сеть капельного орошения (патенты РФ 2365096, № 2352105).Особенность работы конструкции низконапорной сети капельного орошения состоит в том, что она позволяет проводить поливы в самотёчном безнапорном режиме независимо от наличия геодезического напора, создаваемого уклоном местности, а также без тонкой очистки воды. Необходимый для работы поливных трубопроводов уклон создается с помощью телескопических стоек, а величина расхода в поливной трубопровод поддерживается с помощью поплавкового регулятора расхода, установленного в накопительный бассейн.

Основные технико-эксплуатационные показатели: расход воды капельного водовыпуска 5-7 л/ч напор воды в водовыпуске 0,05 -0,08 м, площадь модульного участка 1,0-10,0 га, допустимый размер взвешенных частиц в водемм0.5 мм, равномерность распределения воды по поливному трубопроводу 90%. Проведение капельного орошения в самотёчном режиме снижает энергоёмкость на 40 – 50%, а снижение требований к качеству очистки воды позволяет снизить капиталовложения на 30%.

Низконапорная сеть капельного орошения (рисунок 1,2) включает: накопительный бассейн 1, сетчатый фильтр 2, подводящий патрубок с вентилем 3, подключённым к распределительному трубопроводу 4, оборудованному поплавковыми регуляторами расхода 5, к которым подключены поливные трубопроводы 6, состоящие из жёстких труб 7, соединённых раструбными соединениями 8 и установленных на телескопических стойках 9. К поливному трубопроводу 6 подключены водоотводящие трубки 10 с калиброванными насадками 11, концевые участки трубопроводов 6 снабжены коленчатым патрубком 12, установленным с возможностью осевого вращения в вертикальной плоскости.

Комбинированная система капельного орошения и мелкодисперсного дождеванияпредназначена для применения при возделывании овоще-бахчевых культур в условиях полупустынной и пустынной зон.

Основу рассматриваемого типа комбинированной системы составляет стационарная система капельного орошения (СКО). Дополнительно применяется другой вид малообъемного орошения – мелкодисперсное дождевание (аэрозольное увлажнение), обеспечивающее регулирование микро- и фитоклимата в приповерхностном слое воздуха и надземной части растений, в самый острозасушливый период вегетации (когда температура воздуха в летний период достигает +42, +44 ⁰С, а относительная влажность воздуха снижается до 15…20%).

В качестве средства, осуществляющего мелкодисперсное дождевание (аэрозольное увлажнение) без влияния на работу системы капельного орошения, используется любой серийный передвижной агрегат для защиты растений – опрыскиватель, имеющийся в хозяйстве. Помимо этого, машина обеспечивает также внесение удобрений для внекорневой подкормки, пестицидов для защиты от сорняков, вредителей и болезней, возможность нанесения на почву и листовую поверхность растений веществ, изменяющих оптические свойства, с целью искусственного увеличения отражательной способности.Схема мелкодисперсного увлажнения посевов на системе капельного орошения выглядит следующим образом (рисунок 6): транспортный агрегат (трактор или автомобиль) с навешенным на него опрыскивателем заезжает с конца капельных линий и движется по междурядью в направлении к началу участка, осуществляя мелкодисперсный полив.

Рисунок 6

1 — распределительный трубопровод системы капельного орошения; 2 — поливной трубопровод с капельницами; 3- транспортное средство (трактор, автомобиль); 4 — штанговый опрыскиватель.

Достигнув распределительного трубопровода (начало участка), агрегат останавливается и начинает движение в обратном направлении, также производя полив. Затем агрегат передвигается на следующую позицию и осуществляет такой же цикл полива. Для обеспечения более качественного полива с большей производительностью, опрыскиватель желательно располагать в передней части транспортного агрегата (например, как опрыскиватель «Радуга», размещаемый на переднем бампере автомобиля).

Основные технико-эксплуатационные показатели СКО:

— расход капельниц 1,3…4 л/ч;

— расстояния между капельницами 0,1…0,4 м;

— расстояние между капельными лентами на овощных культурах 0,6…1,4 м, на бахчевых – 2,1…4,2 м.

— поливная норма 20…240 м³/га;

— продолжительность полива 1…8 ч;

— количество поливов 14…35 шт.;

— оросительная норма 1400…3500 м³/га;

— межполивной период 2…5 дней;

— норма разовых минеральных подкормок, кг д.в./га N_2…20 P_5…8;

— коэффициент использования земли орошаемого участка 0,98;

— коэффициент эксплуатационной надежности системы 0,98;

— коэффициент использования рабочего времени смены более 0,8;

— повреждаемость растений при поливах – отсутствует;

— схема внесения удобрений и других и других веществ – прямоточная.

Основные технико-эксплуатационные показатели мелкодисперсного увлажнения: разовая норма увлажнения за цикл 0,3…2,3 м³/га (суточная норма 3…12 м³/га);периодичность циклов – через каждые 1…2 часа;продолжительность периода увлажнения 20…50 дней.

Новизна технологии: впервые разработана и предложена для условий полупустынной зоны Калмыкии.

Эффективность разработок: комбинированная система полива обеспечивает, за счет благоприятного воздействия аэрозольного увлажнения, увеличение урожая овоще-бахчевых культур на 10…20 % и соответствующее возрастание прибыли по сравнению с использованием только СКО (где сбор плодов составляет 35…60 т/га, а чистая прибыль 65…250 тыс. руб./га).

Комбинированная система капельного и аэрозольного орошенияпредназначена для полива овощных культур, кукурузы, многолетних насаждений и регулирования, микро- и фитоклимата посева в жаркие сухие дни вегетационного периода, когда температура воздуха превышает оптимальную температуру для каждой культуры, т.е. выше 25° С.

Оросительные системы данного типа могут создаваться в зонах недостаточного и незначительного увлажнения на всех типах местности, без ограничения их уклона. Оросительная система может быть закрытой стационарной или стационарно-сезонной. Системы формируются по блочно-модульному принципу при различном сочетании орошаемых участков.

Комбинированная система создана на основе сети капельного орошения, включает водоисточник, насосную станцию, фильтры очистки воды, оросительную сеть в виде поливных трубопроводов длиной 100 м диаметром 16 мм. Капельницы установлены на поливном трубопроводе через 0,4 м. Расстояние между капельными линиями 1,5 м. Каждый второй поливной трубопровод диаметром 20 мм оборудован стойками с распылителями для аэрозольного орошения.

Шаг размещения стоек на поливном трубопроводе 3×4 м. Насадки для аэрозольного орошения включают крепежные адаптеры, распылители и запорные клапаны. Запорный клапан состоит из корпуса с эластичной мембраной. На комбинированной системе капельного орошения и аэрозольного орошения устанавливается узел подачи удобрений и ростовых веществ вместе с поливной водой. Ввод растворов в систему осуществляется инжектором.

В режиме капельного орошения система работает следующим образом: вода из водоисточника подается насосом через фильтры, которые удаляют растительный и минеральный сор. Очищенная вода поступает в оросительную сеть и через регуляторы давления в распределительные трубопроводы, а через ниппели в них -в поливные трубопроводы. При установлении рабочего давления до 0,1 МПа начинают работать капельницы.

Для работы системы в режиме аэрозольного орошения давление в сети увеличивают до 0,2 МПа. За счет создавшегося напора, вода, преодолевая сопротивление мембраны, устремляется наружу, и начинают работать насадки. Поток воды в виде тонкой пленки выбрасывается с большой скоростью и разбивается в виде мелкодисперсных капель. Капли воды оседают на листьях и стеблях растений, чем достигается снижение температуры приземного воздуха и повышается его влажность. Такое регулирование микроклимата создает благоприятные условия для формирования высокого и устойчивого урожая.

Новизна технического решениязащищена патентом РФ №2322047 «Система капельного орошения».

Таблица 6 – Основные технико-эксплуатационные показатели системы

Комбинированная система полива обеспечивает, за счет регулирования фитоклимата посева проведением аэрозольного увлажнения, увеличение урожая сельскохозяйственных культур на 10-20% и соответствующее возрастание прибыли по сравнению с использованием только систем капельного орошения.

2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ ОРОШЕНИЯ

2.1 Разработка технологий и технических средств фертигации при производстве сладкого перца

В последнее время в ускоренных темпах развивается автоматизация и роботизация производственных процессов во всех отраслях. Одна из востребованных и актуальных на сегодняшний день является сельскохозяйственная отрасль, прежде всего это связано с применением трудоемких тяжелых операций при выращивании и ухаживании пропашных культур. К таким операциям можно отнести междурядную обработку, которая основа на уничтожении сорняков механическим или химическим способом, а также химическая обработка от вредителей и болезней культурных растений. Погодные условия и вид культурных растений позволяют проводить междурядную обработку несколько раз и в кратчайшие сроки. При этом механическое уничтожение сорняков рабочими органами культиватора (лапы) возможно при сплошной культивации и только в междурядьях, не затрагивая сорняки, находящиеся в рядках между культурными растениями. К тому же, чем больше размеры возделываемого растения, тем больше вероятность его повреждения и требуется увеличение защитной зоны около растений. Удаление сорняков в рядках требует дополнительных экономических затрат и в основном такую работу выполняют с помощью ручного труда.

Для решения этих задач в зарубежных странах применяют роботизированные машины, позволяющие уничтожать сорняки механическим и химическим способом, при этом снижается объем гербицидов до 2-3 раз. Одной из таких стран производителей роботизированных машин является Швейцария, с разработкой сельскохозяйственного робота (Ecorobotix), рисунок 7, предназначенный для точечного прореживания и прополки.

Сельскохозяйственный робот (Ecorobotix) имеет ряд преимуществ, он оснащен системой компьютерного зрения, предназначенной для идентификации сорняков, опрыскивает сорняк небольшой дозой гербицида, а также ориентируется по GPS с использованием сенсорных датчиков. Использует питание от аккумулятора, заряжаемого от фотоэлектрических преобразователей, установленных на верхней плоскости. Может работать до 12 часов после подзарядки и способен обработать около 3 га посевов в день.

Рисунок 7 – Сельскохозяйственный робот (Ecorobotix)

На основе исследований манипуляционных систем зарубежных аналогов нами совместно с Овчинниковым А.С., Воробьевой Н.С., Дяшкиным А.В., Бочарниковым В.С., Фоминым С.Д. разработана (рисунок 8) конструкция мобильного робота-пропольщика с функцией опрыскивателя и фертигации, предназначенного для механического точечного удаления сорняков в рядках, а также с возможностью выборочного внесения с поливной водой макро- и микроудобрений, обработки от болезней и вредителей культурных растений.

Предлагаемый робот-пропольщик с функцией опрыскивателя и фертигации (рисунок 8) состоит из рамы 1 с управляющими колесами, системы управления и навигации с контрольно-измерительными приборами и системы питания 2, датчика технического зрения 3, который устанавливается спереди в нижней части рамы 1 для обнаружения сорняков в рядке и междурядьях, а также вредителей и больные растения.

Для механического уничтожения сорняков предусмотрен режущий инструмент рабочего органа 4, представленный в виде спирали с ножами, который вращается от двигателя постоянного тока 5 и вертикально перемещается с помощью линейного привода (актуатора) 6. Рабочий орган с приводами располагаются вертикально последовательно друг за другом и крепятся жестко на каретке 7 направляющей с кареткой 8.

Рисунок 8 – Робот-пропольщик с функцией опрыскивателя и фертигации

Перемещение в горизонтальной плоскости рабочего органа 4 осуществляются с помощью трех линейных приводов 6, расположенных в горизонтальной плоскости и соединяются между собой посредством трем направляющих и поперечины с каретками 7-10.

Для химической обработки растений от вредителей и болезней в задней нижней части рамы 1, устанавливается манипулятор-трипод, представляющий собой пирамиду, ребра которой являются исполнительные линейные привода 6 и соединяются в одной точке с распылительной форсункой 11 с помощью шарнирного пятиподвижного узла 12. Также в задней части на раме 1 крепятся резервуар с препаратом для обработки растений и насос с дозатором 13, которые соединяются с распылительной форсункой 11 с помощью гибкого шланга.Химическую обработку растений в рядках от вредителей и болезней, а также фертигацию выполняет распылительная форсунка, подвод которой осуществляет манипулятор-трипод.

2.2 Комбинированная система капельного и аэрозольного орошения

Сокращение норм расхода оросительной воды на единицу орошаемой площади путем мелкодисперсного дождевания с учетом экологической безопасности агроландшафтов и возможности получения максимально возможных урожаев сельскохозяйственных культур – это глобальная экономическая и экологическая проблема современности.

Новая техника для мелкодисперсного увлажнения требует создания новой методики её испытаний для определения дисперсионного состава капель дождя. Дисперсионный состав факела распыла дождя должен отвечать требованиям растений и почвы. При орошении и увлажнении почвы дисперсность капель воды должна обеспечивать увлажнение почвы, а при увлажнении растений диаметр капель должен соответствовать такому размеру, чтобы эти капли удерживались на листовом покрове растений.

Такие технические средства разработаны в ФГБНУ ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова:

1. Распылитель жидкости (патент РФ № 2527022). Распылитель жидкости включает распыливающий диск, установленный на валу электродвигателя. Распылитель снабжен накопителем жидкости и перфорированной обечайкой, при этом верхний край накопителя имеет такую же обечайку с соосной перфорацией и наружным диаметром, соответствующим внутреннему диаметру обечайки распыливающего диска.Распыливающий диск надет на накопитель с возможностью поворота на 10-15° и сопряжен с валом посредством пружины, один конец которой закреплен на валу, другой — в одном из пазов, выполненных на обечайке распыливающего диска, при этом подводящая трубка выведена к дну накопителя и снабжена поплавковым регулятором расхода.Разработанная конструкция распылителя жидкости обеспечивает стабилизацию заданного расхода распыливаемой жидкости и равномерность ее распределения по обрабатываемой поверхности.

2.Устройство для создания газокапельной струи (патент РФ №2548886).Устройство включает корпус с системами подачи газа и жидкости и механизмом их смешения с образованием газокапельной струи.Система подачи газа выполнена в виде встроенного в корпус вентилятора и размещена на входе в корпус. Механизм смешения жидкости и газа представляет собой дисковый распылитель с электроприводом и водоподводящим патрубком, который размещен соосно с корпусом на выходе из него и имеет две распыливающие кромки разного диаметра, сообщающиеся между собой посредством водоперепускных отверстий. Устройство для создания газокапельной струи обеспечивает возможность разделения газокапельной струи на фракции для увлажнения почвенного покрова, листовой поверхности растений и приземного слоя воздуха.

3.Система регулирования микроклимата поля (патент РФ 2529725) Система регулирования микроклимата сельскохозяйственного поля включает размещенные по границе поля ветрозащитные и снегозадерживающие элементы, водоем, устраиваемый вдоль границы поля со стороны наиболее вероятного проникновения суховея. На противоположных берегах водоема вдоль поля размещены вертикальные жалюзи высотой не менее половины ширины водоема, установленные с возможностью поворота вокруг вертикальной оси и наклона в вертикальной плоскости. Дно водоема может быть покрыто противофильтрационным материалом, вдоль водоема могут быть установлены распылители воды, а в качестве источников энергии для распылителей воды система может быть снабжена одной или несколькими ветроэнергетическими установками и солнечными батареями. Техническим результатом изобретения является повышение степени защиты поля за счет снижения скорости и температуры суховея и повышения влажности приземного слоя воздуха, а также снижение энергозатрат за счет использования природных источников энергии.

4.Во ВНИИГиМ разработана и запатентована конструкция системы аэрозольного дождевания сельскохозяйственных культур (Патент РФ№2567521), которая позволяетне только регулировать температуру и влажность приземного слоя воздуха, но и поддерживать влажность почвы в заданных пределах, как в посевахпропашных культур, так и культур сплошного сева (рисунок9, 10, 11, 12).

Рисунок 9 –Оросительная сеть для регулирования фитоклимата в плане

Рисунок 10 –Общий вид генератора аэрозоля.

Рисунок 11 –Генератор аэрозоля (вид сверху)

Рисунок 12 –Генератораэрозоляв разрезе.

Оросительная сеть располагается на орошаемом участке 1 и включает водоисточник 2, энергетическую установку 3, насос 4, который связан трубопроводом 5 с водоисточником 2. К насосу 4 подключёнпроложенный вдоль поля транспортирующийтрубопровод 6 и отходящие от него по полю поливные трубопроводы 7. Насос 4 подключен кабелем 8 к центральному узлу 9, к которому также подключён кабель 10, проложенный вдоль трубопроводов 6 и 7.На поливных трубопроводах 7 установлены генераторы аэрозоля 11, каждый из которых состоит из корпуса 12 с электродвигателем 13. На валу электродвигателяустановлен вентилятор 14,за нимна кольцевой трубке 15 смонтированы форсунки высокой дисперсности 16, а на кольцевой трубке 17 — форсунки низкой дисперсности 18. Трубка15 присоединена шлангом 19 к насосу 20 высокого давления, который сообщён через управляемый контроллером электромагнитный клапан 21 и шланг 22с трубопроводом7. Кольцевая трубка 17 подключена к трубопроводу 7 шлангом 23 через электромагнитный клапан 24 с управляющим контроллером. Корпус генератора аэрозоля 12 с помощью полуосей 25 крепится на стойках 26 подвижной части 27 рамыс возможностью поворота в вертикальной плоскости на 180⁰. В верхней части стойки 26 установленэлектропривод 29 с управляющим контроллером, сопряжённый с шестернёй 34, установленной на полуоси 25. Подвижная часть рамы 27 сопряжена с неподвижной частью 28с помощью подшипников. На неподвижной части 28 рамы закреплён насос 20 высокого давления и размещён приводс управляющим контроллером 30, сопряжённый с помощью ремённой передачи 31 с подвижной частью 27 рамы.Управляющие контроллеры выполненына базе компактного встроенного компьютера (например, АКМ). Питание электрооборудования генератора аэрозоля осуществляется от кабеля 10 по проводу 32 через коммутатор 33, установленный на неподвижной части 28 рамы. Управление работой двигателя 13, насоса 20 высокого давления, электромагнитных клапанов 21 и 24, электроприводов 29 и 30 осуществляется с центрального узла 9. Передача сигнала производится по беспроводной системе (WiFi, WiHix, 3G/Lte) на основании информации, полученной от автоматизированного измерительного комплекса, включающего датчики температуры и влажности почвы и приземного слоя воздуха, а также скорости и направления приземного ветра.

Пример осуществления регулирования фитоклимата поля.

Среднюю площадь орошаемого участка 1 примем равной 50 га. Размеры поля 1000 х 500 м. Систему регулирования фитоклимата наполеразмещают с учётом розы ветров.Трубопроводы 7укладывают через100 м, перпендикулярнонаправлению ветра, преобладающего в период вегетации. Аэрозольные генераторы на поливных трубопроводах размещают через 50м.

Информация о скорости, направлении приземного ветра, температуре и влажности приземного слоя воздуха и почвы в режиме реального времени поступает на компьютер центрального узла 9, который по результатамеё анализа выбирает рабочую программу. Так, например, при достаточной влажности почвы и превышении дневной температуры более 25⁰С с влажностью воздуха менее 50% центральный узел 9 включает программу понижения температуры приземного слоя воздух и увеличения его влажности. В соответствии с этой программой включается энергетическая установка 3, которая обеспечивает энергопитание всей оросительной системы. В зависимостиот скорости приземного ветра центральный узел 9 с помощью управляющего контроллера и привода 29 устанавливает положение корпуса 12 в вертикальной плоскости. Чем больше скорость приземного ветра, темменьшеугол относительно поверхности поля.

Направление приземного ветра учитывается поворотом корпуса 12 в горизонтальной плоскости с помощью управляемого контроллером привода 30. После установки аэрозольных генераторов 11 в рабочее положение компьютер центрального узла 9 даёт команду на включение насоса 4 для подачи воды в трубопроводы 6 и 7 с последующим включением насосов 20 высокого давления. Контроллер открывает электромагнитный клапан 21, и вода по шлангу 19 и трубке 15 поступает в форсунки 16 высокой дисперсности(размер капель 50-70мк). Одновременно включается электродвигатель 13, и смонтированный на нём вентилятор 14 направляет поток воздуха на воду, распыляемую форсунками 16, при этом на высоту более 10 м выбрасывается факел аэрозоля с каплями воды 70 – 100мк. Скорость оседания таких капель составляет 0,12м/с. Таким образом, до поверхности земли эти капли будут оседать в течение 1,5-2 мин,поэтому большая часть их испарится, повышая влажность воздуха и понижая его температуру. Для увеличения относительной влажности воздуха над участком с 50% до 70 % необходимо распылить порядка 4,6 м³ воды. В процессе испарения воды одновременно с повышением влажности воздуха будет понижаться его температура на 6-8⁰С. При снижении температуры до 22 – 25⁰Сподача воды по команде компьютера прекращается.

В зависимости от конкретных условий микроклимата поля задаётся режим работы генераторов аэрозоля 11, например, одновременная работавсех генераторов, установленных на одном трубопроводе 7, с последующим их отключением и включением генераторов, установленных на следующем поливном трубопроводе 7. Порядок включения генераторов 11 изменяется также с учётом направления приземного ветра. Если оно совпадаетс направлением расположения поливных трубопроводов, то краевые аппаратыс подветренной стороны в работу не включают, предотвращая снос аэрозоля за пределы участка. Система дистанционного управления каждым отдельным генератором создаёт возможность наиболее рационального регулирования фитоклимата на поле путём применения различных схем включения генераторов аэрозоля.

При понижении влажности основного корнеобитаемого слоя почвы (20-25см) менее 60% НВ компьютер центрального узла 9 включает программу проведения увлажнительного полива. Увлажнительный полив проводятпреимущественно в период с 20 часов вечера до 10 часов утра, когданаблюдается минимальное испарение. Для его проведения подается сигнал на открытие клапана 24 и подачу воды из трубопровода 7 по шлангу 23 и трубопроводу 17 к форсункам 18. При этом корпус 12 устанавливают с помощью привода 29 под углом 10-15⁰ к горизонтальной плоскости. Привод 30 работает в режиме возвратно-поступательного движения по сектору 180⁰в горизонтальной плоскости. Поливпроводят циклами при одновременном включениигенераторов 11 на одном трубопроводе 7 на 20-30мин. После их отключения включаютсягенераторы 11следующего трубопровода 7. После завершения полива в одном направлении на всехтрубопроводах 7 корпус 12 разворачивают на 180⁰ в вертикальной плоскости и полив проводят в режиме возвратно- поступательного движения с противоположенной стороны трубопроводов 7. Размер капель, подаваемых из форсунок 18, составляет 100-300 мк. Скорость падения таких капель порядка 0,18м/с при высоте разбрызгивания 2-3м, поэтому большая часть капель осядет на почву и поверхность листьев с последующим стеканием на её поверхность. Чередование рабочих циклов с подачей воды по секторуобеспечит увлажнение почвы без образования поверхностного стока. Полив продолжается до достижения заданного программой уровня влажности почвы, после чего компьютер центрального узла 9 дает команду на прекращение полива.

Во время длительной воздушной засухи с образованием восходящего потока воздуха, создающего угрозу иссушения почвы и перехода воздушной засухи в почвенную засуху, генераторы 11включают в рабочий режим, который сочетает одновременноекрупнодисперсное увлажнение почвы и мелкодисперсное увлажнение воздуха на высоту до 2 м. При этом увлажнение почвы обеспечит снижение её температуры и температуры приземного слоя воздуха и прекратит формирование восходящего потока нагретого воздуха.

Во ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова также разработана технология и технические средства мелкодисперсного дождевания, а также схема модульного участка.

При суховеях с 11 часов до 17 часов дня выполняют увлажнение приземного слоя воздуха разбрызгиванием воды с каплями диаметром около 100-500мкм микродождевателями. Увлажнение листьев сельскохозяйственных культур и приземного слоя воздуха производят распылом оросительной воды с часовыми интервалами. В зависимости от фазы вегетации растений количество воды необходимое для увлажнения листьев растений изменяется от 200 до 600 л/га. Высота установки микродождевателя также зависит от фазы развития растения и может изменяться от 1 до 3 метров. Для этого микродождеватели устанавливают на телескопические штанги, позволяющие по мере роста растений увеличивать их высоту расположения.

Система включает водоисточник, насосную станцию с фильтрами и оросительную сеть в виде поливных трубопроводов с капельницами. Система снабжена дополнительным водораспределительным трубопроводом с телескопическими стойками, на которых размещены микродождеватели. Каждый микродождеватель соединен гибким шлангом с дополнительным водораспределительным трубопроводом. Микродождеватели используются для многократного периодического увлажнения растений, что обеспечивает улучшение микроклимата при критических условиях.

Таким образом, применение аэрозольного орошения на базе инновационных технологий позволяет активно влиять на микроклимат поля, создавая условия для борьбы с температурным стрессом растений на фоне оптимальной влажности почвы.

Система капельного орошения может быть использована для орошения овощных культур, ягодников, карликовых и кустарниковых насаждений плодово-ягодного назначения, в теплицах, лесных питомниках, цветоводческих хозяйствах и др. местах использования.Предназначается для направленного регулирования параметров микро и фитоклимата растений с целью повышения урожайности и устойчивости растений к болезням.

Технический результат достигается тем, что в системе капельного орошения, включающей водоисточник, насосную станцию с фильтрами и оросительную сеть в виде поливных трубопроводов с капельницами, причем по крайней мере один поливной трубопровод с капельницами снабжен насадками для мелкодисперсного распыла воды, а также растворенных в ней макро- и микроэлементов.

Насадки размещены на телескопических штангах с возможностью изменения положения по высоте на уровне почвы.Каждая насадка с поливным трубопроводом соединена посредством рукава и тройника и имеет диффузор, выполненный единой деталью с корпусом, мембрану из упругоэластичногоматериала, регулировочный винт с иглой на конце и гайку с ребром жесткости, соединенную с корпусом, при этом мембрана смонтирована на игле регулировочного винта с возможностью сопряжения с конической полостью диффузора.

Рисунок 13 – Система комбинированного орошения

Шаг размещения насадок на поливном трубопроводе в 3÷4 раза больше предельного радиуса распыла воды насадкой.

Угол раствора конической полости диффузора может быть выполнен меньше 90°. Угол раствора конической полости диффузора может быть выполнен больше 90°, но меньше 180°. Диаметр мембраны в 1,05÷1,15 раз больше диаметра диффузора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена в аксонометрическом изображении система капельного орошения.

На фиг.2 — размещение насадки на телескопической штанге для мелкодисперсного распыла растворенных в воде средств защиты растений при обработке высокостебельных культур, в т.ч. и растений, возделываемых на шпалере.

На фиг.3 показано размещение насадки для мелкодисперсного распыла растворенных в воде микроэлементов и удобрений при обработке ягодных, овощных и др. культур.

На фиг.4 изображено на виде в плане положение гибких поливных трубопроводов с капельницами и насадок на гибких поливных трубопроводах с телескопическими штангами для мелкодисперсного распыла фунгицидов, гербицидов при возделывании овощных культур.

На фиг.5 представлен диаметральный разрез насадки для мелкодисперсного распыла растворенных в воде фунгицидов с углом раствора λ2 диффузора больше 90°, но меньше 180° в рабочем положении мембраны.

На фиг.6 изображено диаметральное сечение насадки для мелкодисперсного распыла воды в виде тумана для изменения микроклимата с углом раствора λ1 диффузора меньше 90° (мембрана перед приведением в рабочее состояние).

На фиг.7 графиками показана производительность капельниц моделей Гидролайт 16/8/0,52(а) и Гидролайт 16/8/0,85(б) в заявленной системе капельного орошения.

На фиг.8 графиками изображена производительность капельниц моделей АКВА ПС с триггерами в полости гибких поливных трубопроводов с компенсацией потери давления воды по длине трубопровода при установке трубопроводов с расходом воды через каждый водовыпуск 1,35; 1,75; 2,35 и 3,75 л/ч.

На фиг.9 графиками изображена производительность капельниц моделей АКВА ГОЛ в полости гибких поливных трубопроводов без компенсации потери давления воды по длине трубопроводов при установке трубопроводов с расходом воды через каждый водовыпуск 1,1; 1,8; 2,2 и 4,1 л/ч.

На фиг.10 графиками изображена характеристика насадки для мелкодисперсного распыла воды с углом раствора λ2 конической полости диффузора больше 90° при увеличении давления, изменения диаметра капель, дальности полета струй и расхода воды.

Система капельного орошения включает водоисточник 1, насосную станцию 2, фильтры 3, 4 и 5, оросительную сеть 6 в виде распределительных трубопроводов 7, регуляторов давления 8, поливных трубопроводов 9 с капельницами 10 (см. фиг.1).

В качестве водоисточника 1 может служить или открытый водоем, или скважина с дебетом воды, достаточной для обслуживания всей системы капельного орошения.

Фильтр 3 выполнен в виде гидроциклона для удаления взвесей, растительного и минерального сора. Фильтр 4 выполнен песчано-гравийным для удаления иловатых примесей или глинистых включений из артезианских колодцев. Фильтр 5 выполнен сетчатым для удаления микроорганизмов и сора с размерами частичек менее 0,1 мм.

В напорную сеть после фильтра 3 гидравлически соединен гидроподкормщик 11 для приготовления маточного раствора из легкорастворимых минеральных удобрений и подачи в систему фильтра 4 для отделения шлама (не растворившийся в воде остаток).

По крайней мере хотя бы один поливной трубопровод 9 с капельницами 10 снабжен для мелкодисперсного распыла растворенных в воде макро- и микроэлементов минерального питания, гербицидов, фунгицидов и кислот насадками 12. Насадки 12 (см. фиг.2 и 3) размещены на телескопических штангах 13 с возможностью изменения положения насадок 12 по высоте над уровнем почвы. Каждая насадка 12 с поливным трубопроводом 9 соединена посредством рукава 14 и тройника 15. Рукав 14 закреплен на телескопической штанге 13 средствами крепления 16. При поливе короткостебельных сельскохозяйственных культур рукав 14 с насадкой 12 на поливном трубопроводе зафиксированы скобой 17 (см. фиг.3). Поливные трубопроводы 9 соединены с распределительным трубопроводом 7 ниппелями, вваренными в трубопровод 7 с шагом t (см. фиг.4). Величина шага t установлена из схемы размещения сельскохозяйственных культур на орошаемом поле (t=0,7; 1,1; 1,4 м и др.).

Шаг «а» распределения капельниц 10 по длине поливного трубопровода 9 установлен с учетом плотности растений на единицу орошаемой площади. Расстояние между водовыпусками капельниц 10 в поливном трубопроводе 9 — 0,1; 0,2; 0,3; 0,41; 0,61 м и др.

Шаг T1 размещения насадок 12 на поливном трубопроводе 9 в 3÷4 раза больше предельного радиуса распыла воды насадкой 12. Насадки 12 на поливном трубопроводе 9 размещены таким образом, чтобы зона перекрытия между смежными границами была минимальной (см. фиг.4).

Первые капельницы 10 на поливных трубопроводах смещены от распределительного трубопровода 7 на удаление «в». Насадками 12 увлажняется вся поверхность при создании микроклимата и санации почвы в верхнем слое при удалении патогенов. Каждая капельница 10 увлажняет зону, только занятую корневой системой растений, и при больших шагах посадки эти зоны увлажнения не смыкаются (см. фиг.4).

Каждая насадка 12 (см. фиг.5 и 6) имеет диффузор 18, мембрану 19, регулировочный винт 20 с иглой 21 на конце, гайку 22, ребро жесткости 23 и корпус 24. Корпус 24 и диффузор 18 выполнены единой деталью либо из стального трубопровода методом прокатки (развальцовки), либо из пластических масс. Регулировочный винт 20 из пластической массы на закругленном конце имеет армированную в нем иглу 21 с заострением на конце. Гайка 22 посредством ребра жесткости 23 сопряжена с тыльной конической поверхностью диффузора 18. Угол раствора λ2 конуса диффузора 18 для нанесения растворенных в воде микро- и макроэлементов для некорневой подкормки, фунгицидов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, гербицидов для подавления сорной растительности выполнен больше 90°, но меньше 180° (см. фиг.5). Для создания микроклимата капли воды должны иметь тонкий распыл и должны оседать на листостебельную массу в виде тумана.

По этой причине угол раствора λ2 конуса диффузора 18 выполнен меньше 90°. Корпус 24, диффузор 18, ребро жесткости 23 и гайка 22 образуют неразъемный или сварной, или литой узел. Мембрана 19 выполнена из упругоэластичного материала. Мембрана 19 имеет форму диска. В центре мембраны 19 выполнено отверстие под диаметр иглы 21. Диаметр мембраны 19 выполнен в 1,05÷1,15 раз больше диаметра большого основания конуса диффузора 18. Игла 21 исключает смещение мембраны 19 относительно диффузора 18. Закругленной вершиной винта 20 мембрана 19 сопряжена с корпусом 24 с возможностью смещения в полость диффузора 18.

В поджатом положении мембрана 19 в диффузоре 18 выполняет двойную функцию: в качестве редукционного клапана, работающего при давлении свыше 0,2 МПа; в качестве распылителя воды при пропускании жидкости между диффузором 18 и мембраной 19. Корпус 24 насадки 12 вдевают рукав 14 (см. фиг.6) и фиксируют хомутом 25.

Система капельного орошения работает следующим образом.

Воду для орошения насосной станцией 2 из открытого водоисточника 1 под давлением последовательно подают в фильтры 3, 4 и 5. Из воды удаляют растительный и минеральный сор и взвеси. Очищенная вода поступает в оросительную сеть 6 и через регуляторы давления 8 в распределительные трубопроводы 7, а через ниппели в нем — в поливные трубопроводы 9. При установлении рабочего давления до 0,1 МПа в работу вступают капельницы 10. На фиг.7 графиками показан расход воды в л/ч капельницами 10 моделей Гидролайт 16 мм÷8 мм завода «Аква вита» (Украина) моделей 16/8/0,52 (график б) и 16/8/0,85 (график а).

На фиг.8 представлена характеристика поливного трубопровода с водовыпусками с расходами поливной воды 3,75 л/ч (график а), 2,35 л/ч (график б), 1,75 л/ч (график в) и 1,35 л/ч (график г) с компенсацией потери давления воды по длине поливного трубопровода 9. На фиг.9 приведена характеристика расхода капельниц 10 в поливных трубопроводах 9 с некомпенсированными потерями давлений воды по длине трубопровода при расходах 4,1 л/ч (график а), 2,2 л/ч (график б), 1,8 л/ч (график в) и 1,1 л/ч (график г).

Тот или иной тип водовыпусков потребители приобретают с учетом рельефа местности и особенностей возделываемой культуры под системой капельного орошения.

При давлении до 0,2 МПа указанными капельницами в течение 4 часов выливается до 4 м³ на 0,01 га.

Для внекорневой и корневой подкормок сельскохозяйственных растений в емкость гидроподкормщика 11 засыпается (для ЖКУ заливается) расчетное количество удобрений. Создается в емкости гидроподкормщика 11 маточный раствор. Маточный раствор минеральных удобрений вводят в гравийно-песчаный фильтр 4. После очистки от шлама вместе с поливной водой растворенные удобрения через регулятор давления 8 поступают в распределительный и поливной трубопроводы 7 и 9. При давлении оросительной воды в поливных трубопроводах до 0,2 МПа удобрения в корневую систему растений вносятся только через капельницы 10.

Для внекорневой подкормки сельскохозяйственных растений регулятором давления 8 поднимают давление в сети 6 до 0,4÷0,6 МПа. В этом случае в работу вступают насадки 12. При повышении давления оросительной воды заостренным концом иглы 21 (см. фиг.5 и 6) поток воды направляется на мембрану 19. За счет создавшегося напора вода, преодолевая сопротивление мембраны 19 по поверхности диффузора 18, устремляется наружу. На выходе из диффузора 18 поток воды в виде тонкой конической поверхности выбрасывается с большой скоростью и, встретившись с воздухом, разбивается в виде мелкодисперсных водяных шариков. Микрокапельки воды с растворенными удобрениями оседают на листья и стебли растений. Одновременно с нанесением микро- и макроудобрений на растения снижается температура приземного воздуха и повышается влажность воздуха. Этим изменяется микроклимат окружающей среды и создаются комфортные условия для произрастания растений.

Защиту растений от болезней и сельскохозяйственных вредителей производят аналогичным образом, засыпав в емкость гидроподкормщика заданное количество препарата.

Таким образом, описанная система капельного орошения обеспечивает оптимальные условия роста растений и получение гарантированного урожая при капельном орошении.

Для повышения эффективности использования поливной воды, расширения диапазона зависимости изменения подачи поливной воды от ее давления в оросительной системе предлагается насадка системы комбинированного орошения овощных культур.

Распылительная насадка системы комбинированного орошения для возделывания овощных культур, включает насосную станцию с фильтром, оросительную сеть в виде поливных трубопроводов с капельницами и распылительными насадками для мелкодисперсного дождевания, содержащими конический диффузор и сопряженную с ним упруго эластичную мембрану. Упруго эластичная мембрана выполнена переменной толщины, уменьшающейся от центра к краям в соответствии с зависимостью:

где h — толщина мембраны на расстоянии r от её центра, мм;

h₀ — толщина мембраны в центральной части, мм;

a – численный параметр;

R – радиус окружности мембраны, мм;

r – расстояние до центра мембраны, мм,

при этом мембрана снабжена радиально ориентированными ребрами, расположенными на её верхней поверхности, а распылительные насадки подключены к насосной станции посредством отдельного регулятора давления.

На рисунке 14 представлена принципиальная гидравлическая схема системы комбинированного орошения; на рисунке 15 – относительное расположение распылительных насадок и капельниц системы комбинированного орошения; на рисунке 16 — продольное сечение распылительной насадки; на рисунке 17 – узел Б, на рисунке 18 – вид А рисунка 16, на рисунке 19 – гидравлические характеристики распылительной насадки.

5

5

1

20

19

18

17

16

15

13

12

14

11

8

7

9

6

6

Рисунок 14– Принципиальная гидравлическая схема

системы комбинированного орошения

Н

Рисунок 15–Относительное расположение распылительных насадок и капельницсистемы комбинированного орошения

Система комбинированного орошения для возделывания преимущественно овощных культур, включающей оросительную сеть в виде поливных трубопроводов 1-4 с капельницами 5 и трубопроводов 19 с распылительными насадками 6 для мелкодисперсного дождевания. Трубопроводы 1-4 и 19 подсоединены посредством вентилей 20 и 18, распределительных трубопроводов 17 и регуляторов давления 14 и 15 посредством вентилей 13 к насосной станции (рисунок 13),включающей водозаборное устройство 7, насос 8 с фильтром 9 и манометром 10, которыйсвязан и со смесителем 12, подключенным к блоку 11 подготовки маточного раствора.

27

Рисунок 16 — Продольное сечение распылительной насадки

Каждая из распылительных насадок 6 (рисунок 15) содержит патрубок 23 с коническим диффузором 21 и сопряженную с ним упругоэластичную мембрану 22, поджатую винтом 26, на конце которого выполнен конус с проточкой для удержания мембраны 22. Винт 26 с возможностью продольного перемещения по резьбе помещен в гайке 25, закреплённой на диффузоре 21 посредством боковых ребер 27. Мембрана 22 выполнена в виде плоской окружности радиуса R (рис.1.10), и снабжена радиально ориентированными ребрами 24, расположенными на её верхней поверхности. Толщина h упругоэластичной мембраны 22 выполнена переменной в радиальном направлении мембраны, и уменьшающейся от центра к краям в соответствии с зависимостью:

где h — толщина мембраны на расстоянии r от её центра, мм;

h₀— толщина мембраны в центральной части, мм;

a – численный параметр;

R – радиус окружности мембраны, мм;

r – расстояние до центра мембраны, мм.

Рисунок 17 – Вид Б рисунка 1.8

При подготовке системы комбинированного орошения поливные трубопроводы 1-4 с капельницами 5 раскладывают симметрично относительно оси рядков растений на расстоянии b, равном расчетному радиусумелкодисперсного дождевания посредством распылительных насадок 6 (рисунок 16). Расстояние Н между распылительными насадками 6 выбирают из условия смыкания радиусов мелкодисперсного дождевания.

Работа распылительных насадок системы комбинированного орошения осуществляется следующим образом.

Рисунок 18 – Вид А рисунка 1.8

Рисунок 19 – Гидравлические характеристики распылителя

Оросительная вода посредством водозаборного устройства 7 (рисунок 13), насоса 8 через фильтр 9 и смеситель 12 поступает в распределительные сети капельного и мелкодисперсного орошения через вентили 13 и регуляторы давления 15,14 для капельного и мелкодисперсного орошения соответственно. В общем случае, в зависимости от гидравлических характеристик капельниц 5 и распылительных насадок 6, регуляторы давления 14 и 15 по отдельности настраивают на различныедавления – 0,2…0,3 МПа для капельниц 5 и 0,5…0,7 Мпа для распылительных насадок 6. Давление в магистралях контролируется посредством манометров 10 и 16.

Из распределительной сети 17 через вентиль 18 вода поступает в участковые трубопроводы 19 с распылительными насадками 6. Из распределительной сети через вентиль 20 вода поступает в участковые трубопроводы 1 — 4 с капельницами 5 (рисунок 1.7). Совместная работа капельниц 5 и оросительных насадок 6 формируют оптимальные зоны увлажнения и фитоклимат растений, преимущественно овощных культур и корнеплодов, высаживаемых в рядках между капельницами 5.

Для обеспечения мелкодисперсного дождевания посредством распылительных насадок 6 оросительная вода под давлением 0,5…0,7 Мпа через патрубок 23 поступает в тонкий конический зазор между диффузором 21 и упругоэластичной мембраной 22. Величина зазора регулируется винтом 26 для обеспечения требуемого размера мелкодисперсных водяных капель, образующихся при столкновении потока воду с окружающим воздухом. Гидравлические характеристики распылительных насадок 6 (зависимость расхода воды и дальности водяной струи от давления в распределительной сети 17 мелкодисперсного дождевания), представленные на рис. 6, позволяют выбрать требуемые параметры мелкодисперсного дождевания. Повышенная податливость более тонкой мембраны 22 у её края обеспечивает мелкодисперсное дождевание при малых давлениях воды, а наличие радиально ориентированных ребер 24 корректирует расходную характеристику распылительной насадки 6 при высоких давлениях воды, расширяя диапазон регулирования расхода.

При необходимости осуществления фертигации (распыления растворенных в поливной воде макро- и микроэлементов, гербицидов и других веществ) в блоке 11 готовят маточный раствор, который посредством смесителя 12 подают в оросительную распределительную сеть 17.

За счет выполнения распылительных насадок системы комбинированного орошения с коническим диффузором и сопряженной с ним упругоэластичной мембраной, выполненной с переменной толщиной, уменьшающейся от центра к краям в соответствии с предложенной математической зависимостью, а также снабжением мембраны радиально ориентированными ребрами, расположенными на её верхней поверхности, достигается заявленный технический результат — расширение диапазона зависимости изменения подачи поливной воды от ее давления.

Цель полезной модели Горобея В.П. является расширение технологических возможностей мелкодисперсного пневмогидравлического увлажнителя по качеству распыления оросительной воды, сокращает расход влаги на суммарное водопотребление, а также обеспечивает оперативное регулирование размеров капель искусственного дождя, повышение эксплуатационной надежности и сокращение энергозатрат.

Приведено схематическое изображение мелкодисперсного пневмогидравлического увлажнителя: на фиг. 1 — вид сбоку. Мелкодисперсный пневмогидравлический увлажнитель содержит корпус 1 с крестообразно выполненными каналами. Вдоль оси 2 корпуса выполнен центральный канал, соединенный с противоположных концов с каналом подачи воды 3 штуцера 4 через камеру 5 и каналом подачи воздуха 6 штуцера 7 через камеру 8. Посредине центрального канала размещена камера смешения 9, соединенная с разгрузочным каналом, проходящим вдоль оси 10 перпендикулярно центральному каналу. Части центрального канала, контактирующие с камерой смешения, имеютконусообразные сужения, в которых созданы регулируемые кольцевые щели для подачи воды 11 и подачи воздуха 12. Щель подачи воды регулируют по резьбе 13 дроссельным устройством, состоящим из винта 14 со штоком 15 и конусообразным наконечником 16 с направителем 17. Положение дроссельного винта регулирования подачи воды фиксируют контргайкой 18. Щель подачи воздуха регулируется по резьбе 19 дроссельным устройством, состоящим из винта 20 со штоком 21 и конусообразным наконечником 22. Положение дроссельного винта регулирования подачи воздуха фиксируют контргайкой 23.