Гидравлический расчет трубопроводов при капельном орошении
Магистральные и распределительные трубопроводы капельного орошения по гидравлическому режиму работы являются системой с турбулентным установившимся равномерным движением жидкости. Они ничем не отличаются в гидравлическом отношении от аналогичных трубопроводов систем дождевания и поверхностного орошения.
Поливные и распределительные трубопроводы последнего порядка отличаются от остальных тем, что имеют по своей длине движение жидкости с переменной массой и равномерно распределительный путевой отбор воды. Существует ряд методик гидравлического расчета поливных и распределительных трубопроводов, основанных на теоретических и эмпирических зависимостях. Все они имеют различную степень точности, сложности и успешно используются за рубежом.
Г идравлический расчет сводится к подбору такого диаметра поливного трубопровода, который обеспечит нормальный гидравличе-
Методика гидравлического расчета, предложенная
О. Е. Ясониди [34], рассматривает поливной трубопровод с капельни
цами как низконапорную систему с путевым и равномерным отбором воды по длине.
Расчет поливного трубопровода сводится к определению внутреннего диаметра, обеспечивающего минимальные суммарные потери напора в его конце. Расчет ведется методом подбора диаметра с последовательным использованием стандартных типоразмеров. Поливные трубопроводы изготавливаются из полиэтиленовых труб низкой плотности по ГОСТ 18599-73. Обычно используются трубы диаметром 12, 16, 20 и 23 мм.
На поливном трубопроводе капельницы расположены друг от друга на небольшом расстоянии 0,5-4,0 м. Отношение расстояний между капельницами (d) к длине трубопровода весьма мало, поэтому расчет потерь напора можно вести как для трубопроводов со средним равномерно распределенным расходом по длине при нулевом его значении в конце.
При турбулентном установившемся движении жидкости в круглых трубопроводах потери напора по длине в соответствии с уравнением Вейсбаха-Дарси равны: V2 g9
где he - потери напора в поливном трубопроводе, м;
X - коэффициент гидравлического трения; l - длина трубопровода, м; d - диаметр трубопровода, м;
V - скорость движения воды, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2.
Преобразовав формулу Вейсбаха-Дарси, получим:
8XIQ gd5 П2
При равномерно распределенных расходах по длине трубопроводов потери напора находим по формуле
1 8Q 2lX 3 ’ П2 d2 g ’
3
где Q - расход в голове поливного трубопровода, м/с.
Зная схему посадки культур, расход в голове трубопровода можно рассчитать по зависимости
3
где q1 - расход капельницы, м/с;
П - количество капельниц на одном растении, шт.; n2 - количество растений в ряду, шт.
Приняв длину поливного трубопровода l, напор h в голове поливного трубопровода и определив расход Q, можно рассчитывать необходимый внутренний диаметр по формуле
(5)
где h - напор в голове поливного трубопровода, м;
0,05 h - потери напора приняты равными 5 % от напора в голове
поливного трубопровода, т.е.
Такое условие обеспечивает равномерные и стабильные расходы капельниц по длине поливного трубопровода.
Коэффициенты гидравлического сопротивления трубопровода с капельницами находим по эмпирической формуле, ранее выведенной на основании лабораторных и лабораторно-полевых исследований:
(6)
где Red - число Рейнольдса, выраженное через диаметр трубопровода.
(7)
где V - скорость движения воды в трубопроводе, м/с; d - диаметр трубопровода, м;
- коэффициент кинематической вязкости воды при температуре 20 °С равен 0,000001 м2/с.
Скорость движения воды в трубопроводе находим по формуле
Напор в голове поливного трубопровода определяется расходнонапорной характеристикой принятой капельницы. Например, в случае использования капельниц «Молдавия 1» напор в голове поливного трубопровода будет равен 20 м/с. Поливные трубопроводы рассчитываются на расход в голове одним диаметром.
Распределительные трубопроводы последнего порядка рассчитываются аналогичным образом. Расчет ведут переменным диаметром по участкам, начиная с конца. Расход распределительного трубопровода можно определить по формуле
(9)
гдег - расход в голове распределительного трубопровода или его участка, м/с;
- длина распределительного трубопровода, м, принимается в зависимости от расходов капельницы, форм участков, схем посадки, рельефа от 200 до 400 м;
bH - расстояние между поливными трубопроводами, оно зависит от ширины междурядий и на виноградниках равно 2,5-2,0 м, в садах 4,0-8,0 м, на овощах - 0,7-1,4 м;
Q - расход поливного трубопровода, м/с.
Согласно ГОСТ 18599-73, в СССР выпускались трубы из полиэтилена низкой плотности средне-легкого типа с внутренними диаметрами: 0,046, 0,058, 0,069, 0,083, 0,102, 0,115, 0,129, 0,148 м. Эти трубы используются для строительства распределительных трубопроводов последнего порядка. При расчете последовательно применяются диаметры от наименьшего к наибольшему [35].
Предлагаемая методика гидравлического расчета трубопроводов капельного орошения базируется на традиционных формулах гидравлики, обладает простотой, достаточной точностью и достоверностью, что подтверждается натурными исследованиями. Сравнительная оценка результатов расчетов по предлагаемой методике и рекомендациям ВНИИМиТП, ВНИИГиМ, зарубежных авторов дает хорошую сходимость. В то же время все перечисленные методики обладают значительной сложностью расчетов и обилием различного рода эмпирических коэффициентов.
Подача воды на орошаемый участок осуществляется в соответствии с режимом орошения культуры. Насосная станция должна в течение всего периода оптимального увлажнения обеспечивать растения водой в нужном объеме и своевременно. Рассчитывают насосносиловое оборудование на расход и поливной напор, необходимый для одновременного полива площади в течение одного такта.
Полный напор насосной станции определяется по уравнению
(10)
где H - полный напор насосной станции, м;
- геодезический напор, м.
- сумма потерь напора по длине наиболее протяженной
трассы трубопроводов: магистрального, распределительных, поливного, м;
- сумма местных потерь напора по расчетной трассе, м. Их
приближенно принимаю равными 5,0-10,0 % от потерь напора по длине;
- рабочий напор капельницы, м. Принимается по паспортным данным;
- расстояние от поверхности почвы до поливного трубопровода, подвешенного на шпалерной проволоке, м. Принимается конструктивно на различных культурах от 0,0 до 1,0;
- потери напора во всасывающем и присоединительном трубопроводах, м. Они могут быть приняты от 0,75 до 1,0 м.
Максимальный и минимальный расходы, необходимые для одновременного полива площади в течение одного такта, служат для определения количества насосных агрегатов:
(11)
где n - количество насосов на насосной станции, необходимое для обеспечения водоподачи в соответствии с режимом орошения, шт.;
Qmax - максимальный расход, л/с;
Qmm - минимальный расход, л/с.
Мощность на валу насоса рассчитывается по формуле
где NH - мощность на валу насоса, кВт;
QH - производительность насоса, л/с;
H - полный напор, м;
П - коэффициент полезного действия, для центробежных насосов принимается равным 0,7-0,8.
Расчет мощности электродвигателя осуществляется по зависимости:
где Ng - мощность двигателя, кВт;
П - коэффициент полезного действия передачи, при соединении насоса и электродвигателя жесткой муфтой, равен единице;
K - коэффициент запаса, равен 1,1-1,5.
5. Расчетные методы определения водопотребления
Потенциальную испаряемость можно определять, используя косвенные (расчетные) методы, основанные на применении уравнений, характеризующих динамику тепло- и влагообмена в системе почва-растение-атмосфера.
Теоретической основой расчетных методов служит то, что при оптимальном водоснабжении растений существует тесная связь между испарением влаги сельскохозяйственным полем и энергетическими ресурсами атмосферы, которые оцениваются таким комплексным показателем, как испаряемость.
В большинстве случаев при определении суммарного водопотребления (эвапотранспирации) за основу принимают испаряемость, скорректированную коэффициентами, учитывающими роль растений и климата в испарении влаги орошаемым полем.
Суммарное водопотребление (мм) с учетом этих коэффициентов находят по зависимости:
где kb - биологический коэффициент, характеризующий роль растений;
k0 - микроклиматический коэффициент;
ET0 - испаряемость (потенциальная эвапотранспирация), мм.
Из зарубежных методов определения испаряемости (потенциальной эвапотранспирации) наиболее широкое распространение имеют расчетные модели Х. Л. Пенмана, Л. Тюрка и Х. Ф. Блейни- В. Д. Криддла [36].
В нашей стране из расчетных методов определения испаряемости и водопотребления наибольшее практическое применение получил метод А. М. и С. М. Алпатьевых, основанный на использовании упрощенной формулы Н. Н. Иванова, которая имеет вид:
где ET0 - испаряемость, мм;
kpr - коэффициент пропорциональности между испаряемостью и
дефицитом влажности воздуха, равный 0,61;
- сумма дефицитов влажности воздуха за расчетный период, мм.
За последние 50 лет учеными и специалистами во всем мире разработано огромное количество методов для расчета ET (потенциальной эвапотранспирации) по различным климатическим параметрам. Эти методы часто имели только местное значение и не могли применяться в других частях земли. Испытание того или иного метода в других условиях является трудоемким, продолжительным делом, а данные по ET нужны быстро.
ФАО провела оценку четырех расчетных методов: радиационного, метода Пенмана, метода с испарителем, уточненного метода Пен- мана. По результатам этой оценки, проведенной под руководством Комитета по ирригации и водопотреблению Американского общества гражданских инженеров, ФАО рекомендовало для расчета эва- потранспирации метод Пенмана-Монтейта как единственный стандартный метод [37].
В 1948 г. Пенман объединил теорию энергетического баланса с методом переноса массы и вывел уравнение для расчета испарения с открытой водной поверхности для стандартных климатических ус-
ловий: по солнечному освещению, температуре, влажности и скорости ветра. Этот так называемый комбинационный метод в дальнейшем был развит многими исследователями и распространен на засеянные поверхности путем введения факторов сопротивления.
Расчетная формула Пенмана-Монтейта выглядит так:
(16)
2 1
Rn - радиация нетто на поверхности культуры [МДжм~ день’ ];
-2 -1
G - плотность почвенного теплового потока [МДжм’ день ];
T - средняя дневная температура на высоте 2м [оС]; и 2 - скорость ветра на высоте 2 м [м с-1];
А - наклон кривой давления насыщенного пара [кПа oC-1];
Y - психометрическая постоянная [кПа oC-1];
ea - фактическое давление пара [кПа];
es - давление насыщенного пара [кПа];
es — ea - дефицит давления насыщенного пара [кПа].
После определения потенциальной эвапотранспирации должны быть учтены биологические коэффициенты, характеризующие роль растений. Обычно эти коэффициенты зависят от площади листовой поверхности растений на поле, а форма биологической кривой примерно повторяет кривую развития листовой поверхности, выраженную через индекс листовой поверхности. Например, кривая биологических коэффициентов для томатов может выглядеть следующим образом, представленным на рис. 5.
Таким образом, зная процент от периода вегетации (период вегетации может быть выражен в днях или суммой эффективных температур), по графику находят биологический коэффициент, соответствующий данному периоду, и умножают его на значение ET0 за этот же период, в результате получается суммарное водопотребление растения.
В 2009 году ФАО разработало программу для определения потенциальной эвапотранспирации, которая называется EToCalc (V3.1) [39]. Данная программа разработана в соответствии с порядком вычислений, описанным в FAO Irrigation and Drainage Paper N° 56 [40]. С ее помощью можно вычислить потенциальную эвапотранспирацию
даже при отсутствии некоторых показателей, входящих в вышеприведенную формулу. Подробную информацию об этой программе можно найти на сайте ФАО http:// www. fao.org/nr/water/ETo.html.
Процент от периода вегетации
Данным методом в настоящее время пользуются при проведении исследований как за рубежом, так и у нас в стране [41, 42].
Еще по теме Гидравлический расчет трубопроводов при капельном орошении:
- Г. Т. Балакай, Л. А. Воеводина, Ю. Ф. Снипич,. Безопасные системы и технологии капельного орошения: научный обзор ФГНУ «РосНИИПМ», 2010
- Расчёт доз минеральных удобрений при внесении в почву, понятие о методах расчета
- ОСОБЕННОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ ГРЕЧИХИ ПРИ ОРОШЕНИИ
- ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ УДОБРЕНИЙ В СЕВООБОРОТАХ ПРИ ОРОШЕНИИ
- РАСЧЕТЫ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ НОРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
- Гидравлические устройства для гомогенизации
- Потерн напора в трубопроводах
- Гидравлические способы разделения
- Транспортировка навоза по магистральному трубопроводу и внесение его цистернами-разбрасывателями
- ОСОБЕННОСТИ ОРОШЕНИЯ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ НА СЕМЕНА