Обоснование применения средств механизации и автоматизации при поливах сточными водами

 

Мусабеков К.К., Сарбасова Г.А

ТарГУ им. М.Х. Дулати, Тараз

 

Использование сточных вод на орошение является комплексным мелиоративным меро­приятием, способным решить задачи охраны водных ресурсов от загрязнения, полной очист­ки сточных вод, а также повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур.

Орошение сточными водами приобретает особую актуальность в южных областях Ка­захстана, где водные ресурсы каждым годом неуклонно уменьшаются. В этой ситуации использование сточных вод, годовой объем которых в Республике колеблется в пре­делах 15-18 млн. м3, позволит оросить около 500 тыс. га и сохранить соответствующее коли­чество чистой воды в водоисточниках. Однако использование сточных вод сопряжено с целым комплексом проблем, заключающихся в труд­ности реализации режима орошения, т. е. в переводе их в состояние почвенной влаги.

Прямой переход на технологию полива сточной водой не обеспечивает экологической чистоты окружающей территории, грунтовых вод, водоисточников  охрану труда поливаль­щиков. Причем наибольшая проблема состоит в трудности предотвращения сбросов воды в грунтовые воды за счет инфильтрации и по­верхностных сбросов в процессе полива. За­грязнение грунтовых вод происходит из-за смы­кания сточной воды с капиллярной каймой. По данным исследований [2, 3], в вегетационный период капиллярное поднятие от зеркала грун­товых вод в песчаных почвогрунтах происходит до грубины 0,5-0,9 м, в супесчаных - 1,0­-1,2 м, в суглинистых - 1,5-2,0 м. Влагопере­нос отмечен рядом авторов [1, 6, 7], при этом объем потерь воды на глубинный сброс дости­гает 10-15% от оросительной нормы. Почва не успевает пройти процесс самоочищения, т. к. срок ее обезвреживания от патогенных микроорганизмов за счет саморегулирования составляет один год.

Поверхностные сбросы воды, образующие­ся при поливе, достигают еще больших разме­ров - 25-30% от поданной поливной нормы. Применение дождевальной техники не решает на полях проблемы сброса, который достигает 16-20% от поданного объема [4, 5], потому что интенсивность подачи воды после 30­-40 мин полива в несколько раз превосходит впитывающую способность почв.

Еще одной причиной попадания сточных вод в грунтовые является неравномерность увлажнения орошаемого поля при поливе. По нашим наблюдениям, при поливах по бороз­дам в производственных условиях коэффициент равномерности увлажнения, т. е. соотношение площади недоувлажненных и переувлажнен­ных участков, составляет 0,4-0,6. Это говорит о том, что на 40-60% площади глубина увлажнения почвы превышает расчетные пре­делы. При поливе дождеванием коэффициент равномерности выше - 0,9. Однако это можно отнести только к равномерности увлажнения по площади. Глубина увлажнения в пониже­ниях микрорельефа в несколько раз превосхо­дит среднюю глубину поля. Коэффициент увлажнения, установленный по глубине, нена­много выше, чем при поверхностном поливе, и изменяется в пределах 0,55-0,75. Таким обра­зом, причинами проникновения сточных вод в грунтовые можно считать инфильтрационные потери из оросительной сети, влагоперенос оро­сительной воды за счет смыкания ее с капил­лярной каймой грунтовых вод, переувлажне­ние почвы из-за неравномерного распределения поливной нормы, поверхностные сбросы при поливе.

Для расчета вероятности загрязнения грун­товых вод можно использовать формулу веро­ятностей суммы несовместимых событий

Р                                                             (1)

где  - число случаев, благоприятст­вующих событию А;

n - общее число случаев.

Однако не все причины загрязнения несо­вместны, поэтому сложение их вероятностей является некорректным и необходима группи­ровка взаимосвязанных причин. Следует учесть, что потери оросительной воды на глу­бинный сброс не могут превышать саму ороси­тельную норму, поэтому вероятность проникно­вения оросительных вод в грунтовые за счет потерь из-за влагопереноса, неравномерного распределения по площади и поверхностного сброса составляет взаимосвязанную группу. Вероятность загрязнения грунтовых вод может быть определена следующим образом:

Р(Фк)+Р(S·Р·I)=Р(Фк) +P(S) ·P(R/S)· Р (I/SR),                                             (2)

где Фк - показатель, характеризующий воз­можность потерь воды на фильтра­цию из каналов, равный 0,2-0,3;

S - показатель потерь воды на поверх­ностный сброс, равный 0,2-0,3;

R - возможная доля переувлажненных участков, равная 0,15-0,25;

І - коэффициент возможных потерь во­ды на глубинный сброс за счет инфильтрации с орошаемого поля, равный 0,1-0,15.

Простой подсчет по формуле (2) показы­вает, что вероятность загрязнения грунтовых вод при прямом переносе технологий полива недопустимо высока и составляет 0,75-0,85, по требованиям санитарных условий она не долж­на превышать 0,01-0,03.

С помощью формулы (2) можно опреде­лить пути повышения экологической надеж­ности систем орошения сточными водами. Как видно из уравнения, за счет применения про­тивофильтрационных покрытий или материа­лов в транспортирующей оросительной сети можно добиться условия, когда Р (Фк) =0, однако и в этом случае вероятность загрязне­ния грунтовых вод составит 0,45-0,65. Если не применять для орошения сточные воды на полях с близким залеганием грунтовых вод, с песчаными и супесчаными почвами, сократить поливные нормы на 10-15%, то сомножитель Р (I/SR) можно уменьшить. Можно считать, что главный вопрос при орошении сточными водами - улучшение равномерности увлажне­ния и исключение потерь воды на поверхност­ный сброс. В целом эти явления тесно связа­ны, поэтому решение проблемы необходимо искать при воздействии на оба фактора.

Исключить потери воды на поверхностный сброс и улучшить равномерность увлажнения можно за счет применения принципов автоматизации при проектировании систем орошения сточными водами. В комплекс этого процесса могут быть включены приемы обработки поч­вы, конструкции регулируемой оросительной сети (полосы, борозды), средства подачи в нее воды.

Для культур сплошного посева (зерновых колосовых ,сеяных трав) нами рекомендуется проведение полива сточной водой по секциям. Секция состоит из нескольких полос, нарезае­мых полосообразователем и соединенных в нижней части прокопами в валиках таким образом, чтобы вода могла свободно перете­кать из одной полосы в другую. Высота вали­ков должна составлять 12-15 см, ширина по­лос - 3,6-10,8 м. Наиболее рационально вы­держивать уклон i вдоль полос от 0,001 до 0,002. Расход воды в начале основной полосы подбирается из условий неразмываемости в пределах 4-6 л/с на 1 м ширины полосы. Дли­на секции может быть рассчитана на ЭВМ по следующему алгоритму:

 

1. С = 40 ·    

2. h1 =  

3. t1 =                                                                                                                         (3)

4.

5. qn +1 =qn –mn.

6. hn+1 =

7. hkoн > 0,03.

8. 1 = nі,

 

где С - скоростной коэффициент;

h1 и hкон -  соответственно глубина воды в начале и конце полосы, м;

m - величина поливной нормы, рав­ная 0,08-0,09 м;

Ko - средняя скорость впитывания во­ды в почву за 1-й час;

a - степень изменения скорости впи­тывания, равная 0,35-0,65.

Расход воды, подаваемой во вспомогатель­ные полосы q2, рассчитывают по формуле

q2 = q1                                                                                                 (4)

где Δ1 - длина участка секции, в которой во­да перераспределяется, Δ1 =  м.

Количество полос в секции n определяем по формуле

            n =                                                                                            (5)        Принципы автоматизации равномерности увлажнения и исключения потерь воды на по­верхностный сброс заключаются в том что по­перечный валик, устраиваемый в конце секции полос, задерживает накатывающийся слой во­ды по основной полосе, которая через прокопы в продольных валиках протекает во вспомога­тельные полосы. Вода сюда подается в мень­шем количестве с учетом поступившей из основной полосы. Коэффициент равномерности увлажнения при поливе по секциям полос повышается до 0,9-0,91, сброс исключается пол­ностью, а значение группы вероятностей Р (5) Р (R/S) уменьшается до нуля.

На юге республики полив пропашных куль­тур (сахарной свеклы, кукурузы, хлопчатника) проводится преимущественно по бороздам. В связи с тем, что добиться одновременного до­бега воды при таком способе полива практи­чески невозможно, со сбросом в конце борозд давно смирились. В последнее время широко рекламируется импульсная, или дискретная подача воды в борозды, которая должна обес­печить высокую равномерность увлажнения и снизить потери на сброс. Многочисленными замерами параметров поливных борозд нами установлено, что они имеют абсолютно разную субъективность, т. е. не встречаются 2 бороз­ды, одинаковые по глубине, ширине, скорости впитывания воды в почву, изменениям уклона по участкам, шероховатости, заложениям отко­сов стенок, количеству трещин в них и т. д. По­лив же является сложным динамическим про­цессом, включающим распределение воды в бо­розды, движение ее по ним, впитывание в поч­ву, накатывание слоя накопления и т. д. Поэ­тому создание технологии, обеспечивающей равномерное увлажнение по всей длине бороз­ды и исключение потерь воды на сброс, требует нетрадиционного подхода.

В целях орошения пропашных культур сточными водами нами предлагается автоматизация полива по безуклонным бороздам с при­менением дождевальных машин, специально для этого переоборудованных. На поливном участке должна быть проведена капитальная планировка с точностью ± 0,03 м. Поливные борозды глубиной 0,12-0,15 м нарезают попе­рек уклона местности, что обеспечивает их бес­сточность. Скорость движения дождевальной машины подбирается так, чтобы подаваемая вода не заполняла борозды более чем наполо­вину. Количество проходов nпр дождевальной машины зависит от поливной нормы то и должно быть равно:

nпр =

где mo - поливная норма, мм;

nпр - слой дождя, выливаемый за 1 про­ход машины, мм.

Предлагаемые технологии могут быть использованы и для чистой воды, т. к. улуч­шение равномерности увлажнения, исключение почвенной эрозии и потерь на сброс актуально при всех видах орошения, но необходимость внедрения их при поливе сточными водами не вызывает сомнений.

В настоящее время необходимы рекоменда­ции по выбору способов полива, поливной тех­ники и конструкции оросительной сети. Руко­водители, специалисты хозяйств, бригадиры, звеньевые, фермеры еще слабо ориентиру­ются в многофакторности природно-хозяйст­венного комплекса, диктующего выбор способа полива и поливной техники. При использова­нии сточных вод на орошение наряду с реше­нием экономических вопросов резко возрастает ответственность за принятие технических ре­шений.

 

Литература

1. Борисов В. С., Токтарбаев А. Г. Моде­лирование водно·солевого режима почвогрунтов в усло­виях самотечного поверхностного полива. Коллекторно­-дренажные системы в аридной зоне // Науч. тр.- М.: ВНИИГиМ, 1986.- С. 85-88.

2. Беркалиев М. А. Усовершенствование спосо­ба полива люцерны по полосам для почв с низкой водо­проницаемостью / Информ. листок Джамбулского ЦНТИ Джамбул, 1984.- 4 с.

3. Вальков В. Ф. Почвенная экология сельскохозяйственных растений.- М.: Агропромиздат, 1986.-208 с.

4. Воропаев Г. В. Новая техника орошения.­Алма-Ата: Кайнар, 1970.-76 с.

5. Вентцель Е. С. Теория вероятностей и ее ин­женерные приложения.- М.: Наука, 1988.- 480 с.

6. Кирейчева Л. В., Шрейдер В. А. Дренаж - один из компонентов повышения продуктивности орошаемых земель. Коллекторно-дренажные системы в аридной зоне // Науч. тр.- М.: ВНИИГиМ, 1986.­С.4-21.

7. Мусабеков К. К., Воронин А. А., Беркалиев М. А. Оценка надежности полива пропашных культур по бороздам. Городская науч.-технич. конф. Вклад молодых ученых и специалистов в ускорение на­учно-технического прогресса.- Тез. докл.- Джамбул, 1988.- С. 20-21.