Способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании преимущественно подземными водами

 

Изобретение относится к орошаемому земледелию при эксплуатации многоопорных дождевальных машин, осуществляющих полив подземной водой и водами горных рек. Способ предусматривает до проведения эксплуатационных поливов многократные единовременные измерения концентрации преобладающего иона в поливной воде. Измерения проводят на выходе из дождевального аппарата дождевальной машины и на уровне растительного покрова. Также предусматривается снятие комплекса метеорологических параметров, определение потерь воды на испарение в воздухе по разности концентраций преобладающего иона в поливной воде. Дополнительно фиксируют прогрев воды по длине трубопровода дождевальной машины. На основе выполненного регрессионного анализа количества потерь воды на испарение предусматривается измерение в процессе эксплуатационного полива комплекса метеорологических параметров и определение величины потерь воды на испарение в воздухе. Также измеряют прогрев воды по длине трубопровода. Величину потерь воды на испарение в воздухе устанавливают по зависимости E = f_i(ΔT), где ΔТ - прогрев воды по длине трубопровода. Сокращается число измеряемых параметров, снижаются затраты на определение потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами, повышается качество полива дождеванием за счет точного дозирования поливной нормы. 1 з.п.ф-лы, 4 ил, 2 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошаемому земледелию при эксплуатации многоопорных дождевальных машин, осуществляющих полив подземной водой и водами горных рек.

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 (E) выполняют по формуле: где Q_oб - расход воды машиной; Q_д - расход воды по дождемерам (см. 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, измерениях 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 воздуха в практике 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 и др.).

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 (C₂), комплекса метеорологических параметров, влияющих на интенсивность процесса испарения капель искусственного дождя в воздухе: температуры (t) и относительной влажности ϕ) воздуха, скорости ветра (V) и др., 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 и др.) ведут по формуле: а затем выполняют регрессионный анализ экспериментальных данных и получают эмпирическую математическую зависимость вида E = f(t,ϕ,V ...) (3) для последующего оперативного определения величины Е при любых сочетаниях метеорологических параметров - t, ϕ, V и др., в процессе эксплуатационного полива измеряют необходимые метеорологические параметры (t, ϕ, V и др. ) или получают информацию о них и определяют по формуле (3) величину потерь воды на испарение (см. статью Штангей А.И. Новый способ учета потерь воды на испарение при дождевании. - Гидротехника и мелиорация, 1975, 9, с. 51-53). Этот способ принят нами за ближайший аналог.

В качестве примера приведем самую распространенную формулу для определения Е, полученную по описанному выше способу (Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. - М., Колос, 1999, с. 182): E = t(1-ϕ/100)(0,15V+0,71),%. (4) К недостаткам данного способа следует отнести высокую стоимость проведения работ, т.к. 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 метеостаций от орошаемых массивов и малой плотности существующей сети метеостанций; сложность, т. к. 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 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.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение оперативности, точности и упрощение процедуры определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - сокращение числа измеряемых параметров, снижение затрат на определение потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами, повышение качества полива дождеванием за счет точного дозирования поливной нормы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, предусматривающем до проведения эксплуатационных поливов многократные единовременные измерения концентрации преобладающего иона в поливной воде на выходе из дождевального аппарата многоопорной дождевальной машины и на уровне растительного покрова, комплекса метеорологических параметров, влияющих на интенсивность процесса испарения капель искусственного дождя, в интервале возможного их изменения в зоне орошения, расчет потерь воды на испарение по аналитическому выражению, выполнение регрессионного анализа расчетных значений потерь воды на испарение и соответствующих результатов измерения комплекса метеорологических параметров, получение математической зависимости для определения искомой величины вида E = f(t,ϕ,V ...), (5)
где Е - потери воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами; t - температура воздуха; ϕ - относительная влажность воздуха; V - скорость ветра, измерение в процессе эксплуатационного полива комплекса метеорологических параметров (t, ϕ, V...) и расчет величины потерь воды на испарение по вышеприведенной формуле, согласно изобретению до проведения эксплуатационных поливов дополнительно фиксируют прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины, затем выполняют регрессионный анализ расчетных значений потерь воды на испарение и соответствующих величин прогрева воды по длине водопроводящего трубопровода, получают однофакторную математическую зависимость для определения искомой величины вида:
E = f₁(ΔT), (6)
где ΔT - прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины, измеряют в процессе эксплуатационного полива прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины и рассчитывают для условий эксплуатационного полива величину потерь воды на испарение в воздухе по упомянутой зависимости.

За счет того, что способ предусматривает определение потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами как функцию одного параметра - прогрева воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины, величина которого определяется термическим режимом воздушного пространства конкретного орошаемого поля в процессе полива, а также достаточно просто и оперативно измеряется в полевых условиях, достигается указанный выше технический результат.

Проведенный заявителями анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителями не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявители провели дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителями, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображена многоопорная дождевальная машина, общий вид.

На фиг.2 - динамика прогрева воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины в процессе полива подземными водами.

На фиг.3 - факторы, определяющие величину потерь воды на испарение в воздухе при дождевании и прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода дождевальной машины.

На фиг.4 - график зависимости потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами с помощью колесного трубопровода ДШ-64 "Волжанка" от величины прогрева воды по длине машины в условиях Волгоградского Заволжья.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, заключается в следующем.

Предлагаемый способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами реализуют следующим образом.

Подземная вода по сравнению с водой из поверхностных источников в теплый период года имеет более низкую и стабильную во времени температуру. Известно, что амплитуды колебаний температуры почвы и, следовательно, температуры подземной воды уменьшаются с глубиной по экспоненциальному закону. Глубины, на которые распространяются суточные и годовые колебания температуры воздуха, в среднем соответственно равны 1,5 и 24 м (см. Справочное руководство гидрогеолога, 3-е издание. T.1 / Под ред. В.М. Максимова. Л.: Недра, 1979, с. 51), что меньше или сравнимо с глубинами водозабора скважинами и горизонтальным дренажем. Этим объясняется незначительная изменчивость температуры подземной воды на глубине до 100 м в течение теплого периода года практически на всей территории бывшего СССР: от 5...7^oС в центральной части (Белоруссия, Московская, Курская области и др. ) до 12. ..14^oС на юге (Северный Кавказ, Казахстан и др.) (см. Петренко Л.В. Исследование и опыт дождевания многолетних трав низкотемпературной подземной водой. - Техника и технология механизированного орошения. - М.: ВНИИГиМ, 1982, -с. 59).

Воды горных рек, питающихся от ледников, также имеют температуру значительно ниже, чем температура воздуха в теплый период года.

При поступлении подземной воды с температурой t₀ в дождевальную многоопорную машину 1 (см. фиг.1) и последующей транспортировке по водопроводящему трубопроводу 2 к дождевальным аппаратам 3 происходит ее прогрев, если температура воздуха больше температуры подземной воды - t>t₀ (см. фиг.2). Водопроводящий трубопровод 2 многоопорной дождевальной машины изготавливают из тонкостенных металлических или алюминиевых труб. Он имеет длину порядка L= 200. . .450 м и расположен на высоте h=0,9...2,7 м от поверхности земли. Водопроводящий трубопровод 2, заполненный движущейся подземной водой, является датчиком термического режима окружающего воздушного пространства для всей дождевальной машины с выходным сигналом
ΔT = t_k-t₀, (7)
где ΔT - прогрев подземной воды по длине водопроводящего трубопровода дождевальной машины, ^oС; t_k - температура подземной воды на выходе из последнего дождевального аппарата машины, ^oС; t₀ - температура подземной воды на входе в дождевальную машину, ^oС (см. фиг.2). Параметр ΔT зависит и определяется теми же факторами, что и испарение искусственного дождя в воздухе (см. фиг.3): температурой и относительной влажностью воздуха, скоростью ветра и др.

Способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами предусматривает разовую постановку специального натурного эксперимента до проведения эксплуатационных поливов, включающего многократные синхронные измерения концентрации преобладающего иона в поливной воде на выходе из дождевального аппарата, расположенного в средней части водопроводящего трубопровода 2 машины 1, на уровне растительного покрова, комплекса метеорологических параметров, влияющих на интенсивность процесса испарения капель искусственного дождя (температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра и др.) и прогрева воды по длине многоопорной дождевальной машины. Интервалы изменения метеорологических параметров должны быть репрезентативными для климата данной зоны орошения, т.е. равномерно охватывать диапазон от минимально возможного до максимально возможного значения каждого параметра. Далее выполняют расчет потерь воды на испарение в воздухе по математической формуле (2), регрессионный анализ полученных величин Е для конкретных сочетаний метеорологических параметров, например t, ϕ, V, совместно с соответствующими значениями прогрева воды по длине водопроводящего трубопровода 2 дождевальной машины 1 - ΔT, в результате которого получают однофакторную математическую зависимость вида (6) для определения искомой величины Е. График зависимости (6), выполненный на пластине, закрепляют на водопроводящем трубопроводе 2 дождевальной машины 1 или передается оператору для практического использования в полевых условиях (фиг.4). По истечении 15... 20 минут от начала эксплуатационного полива оператор с помощью измерительного прибора, например термометра, измеряет температуру воды на входе в дождевальную машину 1 и на выходе из последнего дождевального аппарата 3, вычисляет по формуле (7) прогрев воды по длине дождевальной машины и, используя график зависимости (6), определяет величину потерь воды на испарение в воздухе. После чего он принимает решение по выбору таких технологических параметров работы дождевальной машины, как продолжительность ее стоянки на позиции или скорость ее движения с учетом фактических потерь воды на испарение в воздухе.

При температуре воздуха, равной температуре подземной воды, процесс испарения капель искусственного дождя не происходит.

Пример 1. В условиях Волгоградского Заволжья производились поливы люцерны второго года жизни подземной водой с помощью колесного дождевального трубопровода ДКШ-64 "Волжанка". Температура подземной воды на входе в машину - t₀= 10,2. . . 11,6^oС. Длина крыла ДКШ-64 - 400 м, клиренс - 0,9 м, номинальный расход - 32 л/с, число дождевальных аппаратов - 32 шт. В таблице 1 приведены результаты измерений прогрева подземной воды по длине водопроводящего трубопровода ДКШ-64 при различных температурах воздуха.

Прогрев воды по длине дождевальной машины также зависит от скорости ветра, влажности воздуха, высоты его расположения относительно поверхности земли (растительного покрова).

Пример 2. То же, что и в примере 1, но полив выполняют при температуре воздуха t=25,0^oС, относительной влажности воздуха ϕ=68%, дефиците упругости водяного пара - d=10,3 мб, скорости ветра V=3,1 м/с, температуре подземной воды на входе в дождевальную машину - t₀=11,2^oС. В этих условиях прогрев воды по длине ДКШ-64 составил ΔT=4,5^oC. Результаты определения потерь воды на испарение в воздухе Е по способу-аналогу и предлагаемому способу приведены в табл. 2.

Пример 3. То же, что и в примере 2, но полив выполняют при температуре воздуха t=35,3^oС, относительной влажности воздуха ϕ=14,0%, дефиците упругости водяного пара - d=49,1 мб, скорости ветра V=3,9 м/с, температуре подземной воды на входе в дождевальную машину - t₀=11,6^oС, прогреве воды по длине машины - ΔT=7,4^oC. Величины потерь воды на испарение в воздухе по способу-аналогу и предлагаемому способу соответственно составили 13,8% и 14,0%.

Как следует из материалов примеров 2 и 3, оба способа обеспечивают одинаковую точность определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами. При этом заявленный способ позволяет:
- проще, дешевле и оперативнее, чем по способу-аналогу, определять потери воды на испарение в воздухе при дождевании подземными водами, т.к. для его реализации не требуется наличие постоянной метеостанции с персоналом, число измеряемых в процессе полива параметров сводится к одному, исключается необходимость в системе передачи информации от метеостанции к оператору дождевальной машины;
- получать более достоверную информацию об искомой величине Е, т.к. в основу ее определения положен интегральный показатель термического режима воздуха на конкретном поле и в процессе полива, а не в пункте расположения метеостанции.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в сельском хозяйстве и, в частности, в орошаемом земледелии при эксплуатации многоопорных дождевальных машин при поливе дождеванием подземными водами;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных от даты приоритета средств и методов;
способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

1. Способ определения потерь воды на испарение в воздухе при дождевании преимущественно подземными водами, предусматривающий до проведения эксплуатационных поливов многократные единовременные измерения концентрации преобладающего иона в поливной воде на выходе из дождевального аппарата многоопорной дождевальной машины и на уровне растительного покрова, снятие комплекса метеорологических параметров, влияющих на интенсивность процесса испарения капель искусственного дождя, в интервалах возможного их изменения в зоне орошения, определение потерь воды на испарение в воздухе по разности концентраций преобладающего иона в поливной воде на выходе из дождевального аппарата и на уровне растительного покрова, а также на основе выполненного регрессионного анализа количества потерь воды на испарение с учетом результатов измерения комплекса метеорологических параметров, измерение в процессе эксплуатационного полива комплекса метеорологических параметров и определение по их значениям величины потерь воды на испарение в воздухе, отличающийся тем, что до проведения эксплуатационных поливов дополнительно фиксируют прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины, в процессе эксплуатационного полива измеряют прогрев воды по длине водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины, а величину потерь воды на испарение в воздухе устанавливают по зависимости E = f_i(ΔT), где ΔТ - прогрев воды по длине трубопровода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения концентрации преобладающего иона в поливной воде на выходе из дождевального аппарата и на уровне растительного покрова выполняют для дождевального аппарата, расположенного в средней части водопроводящего трубопровода многоопорной дождевальной машины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6