Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошаемому земледелию при эксплуатации многоопорных дождевальных машин, осуществляющих полив из подземных и поверхностных источников, а так же из закрытой и открытой оросительной сети.

Известен способ определения потерь воды на испарение и снос ветром при испытаниях дождевальных машин и установок, включающий измерения расхода воды машиной дроссельным прибором, водосливом или объемным способом, расхода воды по дождемерам, расставленным на поверхности земли в пределах площади полива, а расчет потерь воды на испарение и снос ветром (Е) выполняют по формуле:

где Q_об - расход воды машиной;

Q_д - расход воды по дождемерам.

(ОСТ 70.11.1-74. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Программа и методы испытаний. - М.: ВО "Сельхозтехника" Совета Министров СССР, 1974, - с. 35).

К недостаткам данного способа следует отнести большие затраты времени, трудоемкость и невозможность его применения в условиях эксплуатации дождевальных машин из-за нарушения состояния посева при расстановке дождемеров, измерения накопленных в них объемов воды и расходов дождевальных аппаратов. Затраты времени на реализацию данного способа составляют не менее 3 часов, в течение которых происходит изменение метеорологической обстановки в районе полива, что не позволяет полученное значение величины Е использовать при определении продолжительности стоянки машины на позиции или скорости ее движения.

Необходимость в информации о потерях воды на испарение в воздухе орошения дождеванием возникает до 5-6 раз в сутки вследствие известного внутрисуточного изменения метеорологических параметров, определяющих их величину (температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра).

Известен также способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании машиной конкретной марки, предусматривающий до проведения эксплуатационных поливов многократные единовременные измерения концентрации ионов, например, натрия или хлора в поливной воде на выходе из дождевального аппарата (С₁) и на уровне поверхности земли или растительного покрова (С₂), комплекса метеорологических параметров, влияющих на интенсивность процесса испарения капель искусственного дождя в воздухе: температуры (t) и относительной влажности ϕ) воздуха, скорости ветра (V), в пределах интервалов возможного их изменения для зоны применения данной дождевальной машины, расчет потерь воды на испарение в воздухе (Е) для каждого зафиксированного сочетания метеорологических параметров (t, ϕ, V) ведут по формуле:

а затем выполняют регрессионный анализ экспериментальных данных и получают эмпирическую математическую зависимость вида

для последующего оперативного определения величины Е при любых сочетаниях метеорологических параметров -t ϕ, V в процессе эксплуатационного полива измеряют необходимые метеорологические параметры (t, ϕ, V) или получают информацию о них и определяют по формуле (3) величину потерь воды на испарение (статья Штангей А.И. Новый способ учета потерь воды на испарение при дождевании. - Гидротехника и мелиорация, 1975, 9, с. 51-53).

Формула для определения Е, полученная по описанному выше способу (Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. - М., Колос, 1999, с. 182):

где t - температура воздуха, °С;

ϕ - относительная влажность воздуха, %;

V - скорость ветра, м/с.

Данная формула является не корректной, так как не учитывает характеристику дождя и параметров машины таких, как высота подъема облака, диаметр капель, интенсивность дождя, что на наш взгляд очень важна.

К недостаткам данных способов следует отнести высокую стоимость проведения работ, так как для определения Е в условиях выполнения эксплуатационных поливов необходимо иметь в относительной близости от орошаемого массива метеостанцию, соответствующий персонал для определения несколько раз в сутки значений метеорологических факторов, например t, ϕ, V, и расчета величины Е, систему передачи информации по Е от метеостанции до оператора дождевальной машины; низкую точность вследствие значительной удаленности метеостанций от орошаемых массивов и малой плотности существующей сети метеостанций; сложность, так как эмпирические формулы (3) имеют три и более параметров и, как правило, нелинейные, а номограммы для них неудобны для использования в полевых условиях и требуют определенного уровня квалификации.

Указанные выше недостатки в большинстве случаев не преодолены в практике орошаемого земледелия, потери воды на испарение, либо их не учитывают, либо принимают равными условно фиксированной величине для каждого месяца полива, ориентируясь на среднее их значение, что не отвечает современным требованиям к качеству полива.

Наиболее точная и корректная формула для определения Е, которая учитывает не только метеорологические, но и конструктивно-технологические параметры машины (Слюсаренко В.В., Надежкина Г.П., Рыжко Н.Ф. Снижение потерь воды при поливе дождеванием. Научная жизнь, 2013, №6, с. 57-60 или Слюсаренко В.В., Надежкина Г.П., Акпасов А.П., Дасаева З.З. Снижение потерь воды при дождевании. Научное обозрение. 2015. №19. С. 49-52) имеет вид:

где h - высота подъема капель дождя над почвой, м;

n - частота вращения аппарата, об/мин;

d_к - средний диаметр капель, мм;

Ф - комплексный показатель напряженности климата;

Р_с, Р_м - средняя и мгновенная интенсивность дождя, мм/мин;

K_α - коэффициент, учитывающий изменение величины испарения и сноса дождя в зависимости от величины угла между трубопроводом машины «Фрегат» и направлением ветра K_α = 1 - 0,009(90 - α);

α - угол между трубопроводом дождевальной машины и направлением ветра, град.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании преимущественно подземными водами (Патент РФ №2206978, МПК A01G25/09, опубл. 27.06.2003 г., бюл. №18), который предусматривает измерение концентрации преобладающего иона в поливной воде, снятие комплекса метеорологических параметров и определение потерь воды на испарение в воздухе с фиксацией температуры прогрева поливной воды по длине трубопровода. Величину потерь на испарение в воздухе устанавливают на основе регрессивного анализа конкретных сочетаний метеорологических параметров по математической зависимости

где _ΔТ - прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины.

К недостаткам существующего способа следует отнести ограниченность в использовании только при поливе подземными водами, кроме того прогрев воды является существенным только при температурах более 20°С, что ограничивает его применение, а при использовании его при орошении дождевальными машинами типа «Фрегат», «Кубань», «Walley», «Zimmatic», имеющими в качестве водопроводящего пояса стальной трубопровод прогрев воды составляет не более 2-5°С, что не является точным отображением испарения воды в воздухе при поливе дождевальными машинами.

Указанные выше недостатки в практике орошения дождевальными машинами со стальными трубопроводами не позволяют с достаточной точностью определить потери воды на испарение в воздухе и не дают возможность скорректировать поливные нормы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, точность определения нормы полива является основополагающей в экономии воды, предотвращении смыва и, самое главное, поддерживает оптимальный водный баланс, способствующий нормальному режиму питания и развития растений, получению стабильного и высококачественного урожая сельскохозяйственных культур.

Условием проведения своевременного орошения с заданной поливной нормой при различных климатических условиях, времени и места забора является использование научных высокотехнологических методов, основанных на минимизации затрат и возможности автоматизации полива.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа определения потерь воды на испарение при орошении водой из любого источника и любой широкозахватной машиной с достаточной точностью.

Единым техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является обеспечение высокой точности определения потерь воды на испарение и при поливе орошением за счет оптимизации процесса замера разности температур орошаемой воды, изменяющейся в процессе эксплуатации дождевальной машины путем измерения изменения температуры непосредственно дождевого облака, создаваемого дождеобразующими устройствами.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании машинами, включающем установленные величины прогрева поливной воды, определение величины потерь на основе регрессионного аспекта конкретных сочетаний метеорологических параметров и конструктивно-технологических характеристик машины, измерение прогрева поливной воды осуществляют непосредственно в дождевом облаке замером температур на выходе из дождеобразующего устройства и в приземном слое на границе дождевого облака по середине дождевальной машины, величину потерь поливной воды на испарение в воздухе определяют по зависимости:

где _ΔТ₁ - прогрев воды в дождевом облаке;

f - функция.

При этом интенсивность процесса испарения определяется комплексом метеорологических параметров и конструктивно-технологических характеристик машины в интервале возможного их изменения в зоне орошения, определением потерь воды на испарение, а получение математической зависимости для определения искомой величины:

где h - высота подъема капель дождя над почвой, м;

t - температура воздуха, °С;

ϕ - относительная влажность воздуха, %;

V - скорость ветра, м/с;

n - частота вращения аппарата, об/мин;

d_к- средний диаметр капель, мм;

α - угол между трубопроводом дождевальной машины и направлением ветра, град;

ρ_с, ρ_м - средняя и мгновенная интенсивность дождя, мм/мин.

Измерение и констатация результатов параметров и характеристик с одновременным измерением температуры воды в дождевом облаке у дождеобразующего устройства и на границе дождевого облака в приземном слое с учетом растительного покрова служат основой для выполнения регрессионного анализа расчетных значений потерь воды на испарение соответствующих величин прогрева воды в дождевом облаке, получают однофакторную математическую зависимость для определения искомой величины испарения вида:

где _ΔТ₂ - прогрев воды в дождевом облаке, который измеряют одновременно с метеорологическими и конструктивно-технологическими параметрами машины в процессе эксплуатационного полива.

За счет того, что способ предусматривает учет не только метеорологических параметров, но и конструктивно-технологические характеристики машины можно утверждать, что величина потерь, рассчитываемая по формуле будет более точна, так как является более идентичным отображением процесса испарения воды из дождевого облака, образованного дождеобразующими устройствами. Кроме того, простота, доступность и оперативность измерения изменения температуры воды в дождевом облаке, а так же соответствие большей достоверности и корректности отображения процесса испарения в дождевом облаке изменением его температуры, дает нам право утверждать, что предложенное изобретение соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображена дождевальная машина; на фиг. 2 - график зависимости потерь воды на испарение в воздухе при дождевании дождевальной машиной «Фрегат» от величины прогрева воды в дождевом облаке в условиях Саратовского Заволжья.

Способ определения потерь воды на испарение в воздухе при поливе дождеванием дождевальной машины предусматривает разовую постановку специального эксперимента в условиях эксплуатационного режима полива с измерением комплекса метеорологических параметров и конструктивно-технологических характеристик машины, оказывающих существенное влияние на интенсивность процесса испарения. При этом дождевальная машина «Фрегат» укомплектована как дождевальными аппаратами, так и короткоструйными насадками, длина трубопровода составляет 454 м, высота расположения дождеобразующих устройств 2,4 м, замеры всех показателей осуществляли как минимум в четырех положениях машины, при различных температурах воздуха, направления и скорости ветра в течение светового дня через каждые 50 м длины трубопровода машины в течение общепринятого времени полива, то есть равномерно охватывали диапазон от минимально возможного до максимально возможного каждого параметра и соответствия характеристик стабильным режимам полива серийной дождевальной машиной «Фрегат».

Далее определяют расчет потерь воды на испарение в воздухе по математической формуле (5), регрессионный анализ полученных величин Е для конкретных условий и параметров (t, ϕ, V, h, d_k, α, ρ_с, ρ_м), а так же соответствующие им значения температуры воды t_н на выходе из дождеобразующего устройства и на границе дождевого облака в приземном слое с учетом растительного покрова на почве t_к, в результате которого получают однофакторную математическую зависимость E=f(_ΔT_n).

Полученная величина Е является основой для коррекции нормы полива с учетом потерь воды на испарение.

Современное состояние средств регистрации температуры и связи позволяет оперативно реагировать на изменение температуры воды в дождевом облаке и принимать соответствующие решения по изменению норм полива.

Как показала практика изменение нормы полива корректировать необходимо не более трех раз в день в период времени с 6 до 9 часов, с 10 до 14 часов и после 14 часов, при стабильной погоде не более 2-х раз, первый в 8 часов и второй в 14 часов. При более стабильной и неизменной погоде коррекцию нормы полива целесообразно осуществлять один раз в день.

Пример. Полив овощных культур выполняется дождевальной машиной «Фрегат» при температуре воздуха t=28°C, относительной влажности ϕ=64%, скорости ветра 1,9 м/с, высота установки дождеобразующего устройства, диаметра капель, интенсивность дождя соответствует нормативным значениям серийной машины. Температура воды на выходе из дождеобразующего устройства t_н=16,2°C и t_к=24,7°C соответственно _ΔT_п=t_н-t_к=8,5°C.

Величина потерь воды на испарение в воздухе по способу аналогу и предлагаемому способу соответственно составила 14,1% и 17,2%, что явно указывает на более точное определение потерь предлагаемым способом, так как учтено максимально возможное количество факторов, влияющих на потери воды от испарения при работе дождевальных машин в реальных условиях Саратовского Заволжья.

Достоверность полученного результата определена следующим.

Во-первых - учет показателей определяющих площадь испарения (диаметр капель, интенсивность дождя).

Во-вторых - учет направления ветра, установлено, что при совпадении и несовпадении оси трубопровода дождевальной машины с направлением ветра до 2,7 раз изменяют влияние ветра на испарение.

В-третьих - учет времени нахождения капель в воздухе так же существенно влияет на испарение, что определяет высота установки дождеобразующих устройств.