Проектирование орошения дождеванием
1. Природные условия
1.1 Агроклиматические
условия, рельеф района
Город Казань служит столицей
республики Татарстан. Республика Татарстан входит в состав Приволжского
федерального округа России. Республика Татарстан является одним из наиболее
экономически развитых регионов России. Сегодня Казань - крупный научный,
экономический и культурный центр. В 2005 году Казань отметила 1000 - летний
юбилей.
Казань располагается на левом берегу
реки Волги. Через Казань протекает речка Казанка. Рельеф города Казани в целом
равнинный. Однако по Казани разбросаны холмы.
Казань находится в
умеренно-континентальной зоне умеренного климатического пояса.
Однако так как Казань - это крупный
город с большим числом источников тепла и парниковых газов, то городской
микроклимат несколько теплее, чем в окружающих районах Татарстана.
Численность населения Казани
составляет примерно один миллион сто пятьдесят тысяч человек. Население Казани
продолжает расти как за счёт миграционного прироста, так и за счёт превышения
рождаемости над смертностью.
Казань является одним из ведущих
российских центров высокотехнологического производства. Кроме того, Казань
является довольно-таки крупным финансовым центров, в России серьёзно уступающая
по уровню развития банковской системы лишь Москве и Санкт-Петербургу. Кроме
того, в Казани высокого уровня развития достигли химическая промышленность (в
особенности нефтехимия) и электроэнергетика.
Казань является старинным городом.
Поэтому в Казани развит культурно-исторический туризм. Особенно полюбился туристам
Казанский кремль.
Для Казани характерен умеренно -
континентальный климат с теплым летом и в меру морозной зимой.
Средняя температура января -14 °С.
Зимой часто вторгается холодный континентальный воздух умеренных широт, что
приводит к малооблачной погоде с морозами. Морозы могут достигать и -30 °С, но
это наблюдается крайне редко. За последнее десятилетие в Татарстане наблюдалось
несколько довольно теплых зим. Зима длится около пяти месяцев и устанавливается
примерно с 15 ноября.
Средняя температура летом + 18 °С. В
самые жаркие летние дни температура поднимается до 30-35 °С в тени, иногда это
бывает целые недели. Повторяемость засух в районе гораздо реже, чем во многих.
жных районах Татарстана. При чем их интенсивность значительно слабее. Наибольшее
количество осадков приходиться на июль - август, они выпадают в виде
кратковременных интенсивных дождей, нередко в виде ливней, которые
сопровождаются грозами.
1.2 Геологическое
строение и гидрогеологические условия
Одной из важнейших
гидрогеологических задач всегда было изыскание подземных вод для водоснабжения
населенных пунктов и промышленных предприятий. Поэтому проводимые исследования
охватывали главным образом густо населенные территории и почти совершенно
отсутствовали в менее освоенных районах.
С расширением города, увеличением
его населения водоснабжение за счет ключей оказалось недостаточным и
неустойчивым в санитарном отношении. Многие ключи иссякали, теряли свой дебит
из-за вырубки пригородных лесов. Такие же водоемы, как Волга, Казанка, Кабан гидрогеологами
того времени вообще не принимались в расчет из-за крайне неудовлетворительного
санитарного состояния этих вод, постоянного и периодического их загрязнения.
Основные рекомендации заключались в том, что при дальнейшем увеличении
народонаселения города «не должно усиливать водопровод каптажем новых ключей, а
пользоваться исключительно грунтовой водой, добытой буровыми скважинами» А.А.
Штукенберг и позже М.Э. Ноинский высказывали свои опасения относительно
оскудения и загрязнения ключей в отдельные периоды года. Штукенберг
рекомендовал для промышленного освоения воду из нижних слоев плейстоцена, на
границе их с пермскими образованиями.
В 1998 году в г. Казани был проведен
международный геологический симпозиум «Верхнепермские стратотипы Поволжья» с
геологической экскурсией по рекам Волге и Каме. И.Я. Жарков был в числе авторов
«Путеводителя геологических экскурсий» (1998) и экскурсоводов по разрезам в
районе с. Красновидово и г. Тетюши. К симпозиуму были подготовлены коллективные
монографии: Стратотипы и опорные разрезы верхней перми Поволжья и Прикамья
(1998) на русском и английском языках, позже вышла еще одна монография -
Стратотипический разрез татарского яруса на реке Вятке (2001).
1.3 Поверхностные
воды и основные потребители
Источниками водоснабжения г. Казани
являются река Волга и подземные воды.
За счёт поверхностных вод Волги
обеспечивается 92% от общей потребности города в воде. Остальное приходится на
долю подземных водных источников.
Забор воды из Волги осуществляется
Волжским водозабором. В комплекс Волжского водозабора входят: насосная станция
1-го подъема, очистные сооружения, две насосные станции 2-го подъема,
резервуары чистой воды. Технологическая схема хозяйственно-питьевого
водоснабжения Казани выглядит так: мощные насосы станции 1-го подъёма
перекачивают воду из Волги по водоводам в распределительную камеру на
сооружения водоочистки. Здесь живительная влага проходит сложный процесс
очистки: обеззараживание, коагулирование, смешение, отстаивание, фильтрование и
затем вторичное обеззараживание. Исходя из природных качеств волжской воды,
принята 2-х ступенчатая технологическая схема её очистки: Общая технология
выработки питьевой воды соблюдается согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая
вода. Гигиенические требования к качеству воды в централизованных системах
водоснабжения». Далее, пригодная для употребления вода, насосными станциями
2-го подъема по магистральным водоводам подается в водопроводные узлы, затем
через насосные станции подкачки в городские сети потребителям.
Подземная вода подается из грунтовых
водозаборов, которые расположены в разных окрестностях города. Техническая
схема подачи воды следующая:
Подземная вода насосами
перекачивается в резервуары. Оттуда насосными станциями 2-го подъема по
магистральным водоводам подается в водопроводные узлы, далее в городские сети
потребителям. Контроль качества грунтовых вод осуществляется регулярно.
2. Проектирование
орошения дождеванием
2.1 Организация орошения
сельскохозяйственных культур
В условиях неустойчивого увлажнения
наибольшее распространение получило дождеванием, которое дает следующие
преимущества перед поверхностным способом полива:
. Высокая оперативность управления
поливами;
. Возможность проведения поливов
меньшими нормами с небольшой глубиной промачивания;
. Проводить поливы на участках с
уклонами 0,03 +0,05;
. Обеспечивать поливы на площадях с
неглубоким залеганием уровня грунтовых вод.
Режим орошения зависит от
агротехники, биологических особенностей растений, их урожайности, способа и
техники полива, почвенно-климатических и организационно-технических условий.
Проектный режим орошения рассчитывается для 75 …95% - ой обеспеченности
выпадения осадков и является основной для расчета технических параметров
элементов оросительной сети.
При проектировании орошения необходимо
знать годовое количество осадков обеспеченностью P (%), то есть такое значение осадков
Аṕ, больше которого в столетний период осадки наблюдались P лет а (100 -
P) лет осадки были меньше, чем Ар. Для определения Ар
строят кривую обеспеченности осадков. С ближайших метеорологических станций или
постов берут данные по осадкам за продолжительный ряд лет наблюдений (10 и
более). Чем продолжительнее ряд наблюдений, тем точнее будут определены осадки
расчетной обеспеченности. Необходимый минимальный и достаточный ряд наблюдений
для построения кривой обеспеченности осадками -10-летний.
По известному ряду лет наблюдений за
осадками, расположенными в убывающем порядке, можно найти порядковый номер года
заданной обеспеченности (Р, %)
Р = m
- 0,25 × 100%, где m
- порядковый номер члена
n
+0.50
ряда; n - число лет или число
наблюдений в ряду (в нашем примере n=17); P - суммарная вероятность (%).
В нашем примеры приведены данные
наблюдений за осадками метеостанции Казань опорная за 17 лет (1991-2007 гг.).
Данные для строения кривой обеспеченности осадков сводим таблицу 1. По данным
таблицы 1 можно построить график (рис 1) отдельно для декадных, месячных
осадков и осадков за вегетационный период или общий.
Осадки 75%-ной обеспеченности равен,
за 3 декаду сентября - 2 мм, за сентябрь - 23 мм, за вегетационный период - 80
мм, следовательно, 75% лет (75 из 100) осадки соответственно будут равны 2, 23
и 80 мм или больше, а 25% лет осадки будут меньше 2, 23 и 80 мм.
2.2 Режим орошения
сельскохозяйственных культур
Режим орошения - это порядок
проведения поливов, который включает установление норм, сроков я число поливов.
Он зависит ОТ агротехники, биологических особенностей растений, их урожайности,
способа и техники полива, почвенно-климатических и организационно-технических
условий. Проектный режим орошения рассчитывается для 75-95% - ной
обеспеченности и является основой для расчета технических параметров элементов
оросительной сети.
Разработка режима орошения включает:
. Определение суммарного
водопотребления каждой поливной культуры («Е»);
. Расчет оросительных («М») и
поливных норм для орошаемых культур;
. Число («n») н сроки («Т») поливов;
. Составление графиков поливов.
Суммарное водопотребление
определяется по зависимости:
= Kв×Уnp
где Kв - коэффициент
водопотребления продуктивной части урожая, м³/m;
Уnp - проектируемый урожай,
m/га
Тогда оросительная норма (М) может
быть рассчитана из уравнения водного баланса:
М = Е - А - Г - (Wн - Wк), м³ / га
где Е - суммарное водопотребление
орошаемой с.-х. культуры, м³ / га;
А - количество осадков, выпадающих
за вегетационный период возделываемой или орошаемой культуры, м³ / га;
Г - количество воды, поступающей
растениям в связи с близким залеганием грунтовых вод, м³ / га;
Wн - запас воды в активном
слое почвы к моменту посева, м³/ га;
Wк - запас воды в активном
слое почвы к моменту сбора урожая, м³/ га;
Количество осадков, выпадающих за
вегетационный период орошаемой культуры, рассчитывается по формуле:
А =10 ×Р×µ
где 10 - коэффициент перевода
количества осадков в мм в м³/ га;
Р - осадки, мм;
µ - коэффициент использования
осадков: для структурных почв 0,7 - 0,8; для бесструктурных - 0,4 - 0,6.
Влагозапасы к моменту посева культур
определяются по формуле:
Wн = 100 · h · a ·γнв ·0,9
где h - глубина промачиваемого слоя
почвы, м;
a - объемная масса почвы, г/ см³;
,9 - коэффициент, уменьшающий
влажность почвы к моменту посева;
γнв - наименьшая
влагоемкость почвы, % от массы сухой почвы.
Влагозапасы к моменту уборки
определяются согласно формулы:
Wн = 100 · h · a · γнв ·0,6
где 0,6 - коэффициент, уменьшающий
влажность почвы к моменту сбора урожая.
Все расчеты сводятся в таблицу 1.
|
Показатели
|
Единица измерения
|
Культура
|
|
|
Озимая пшеница
|
Яровые колосовые
|
Столовая свекла
|
Огурцы
|
|
Расчетный период вегетации
|
Дата начала и конца
|
01.05 - 30.07
|
01.05 - 10.08
|
20.05 - 30.09
|
20.05-20.08
|
|
Проектируемый урожай, Упр
|
т/га
|
4,0
|
3,5
|
40
|
30
|
|
Суммарное водопотр., Е
|
м3/га
|
3200
|
3500
|
3600
|
3300
|
|
Коэффициент водопотребл., kв
|
м3/т
|
800
|
1000
|
90
|
110
|
|
Сумма осадков, Р0
|
мм
|
142
|
161
|
229
|
162
|
|
Приход влаги от осадков, А
|
м3/га
|
852
|
966
|
1338
|
972
|
|
Оросительная норма, М
|
м3/га
|
1971,32
|
2229,836
|
1457,788
|
2023,836
|
Поливная норма (m) рассчитывается согласно формулы:
m=100·h·α·(γнв - γНПО)
где γНПО - нижний предел оптимума влаги почвы, который допускается для
отдельно взятой культуры. Определяется как% от γнв в зависимости от фазы развития орошаемой культуры.
Далее все расчеты заносятся в
таблицу 2.
Таблица 2. Расчет поливных норм
|
Показатели
|
Ед. изм.
|
Культура
|
|
|
Озимая пшеница
|
Яровые классовые
|
Столовая свекла
|
Огурцы
|
|
Глубина расчетного слоя, h
|
м
|
0,4
|
0,3
|
0,5
|
0,3
|
|
Плотность почвы, α
|
г/см3
|
1,46
|
1,46
|
1,42
|
|
Наименьшая влажность, γнв
|
%
|
21,5
|
23,8
|
21,5
|
23,8
|
|
Нижний предел оптимума(НПО)
|
%
|
70
|
65
|
70
|
70
|
|
Влажность почвы, γНПО
|
% от сухой почвы
|
15,05
|
15,47
|
15,05
|
16,66
|
|
Поливная норма, m
|
м3/га
|
376,68
|
354,858
|
470,85
|
304,164
|
Расчет суммарного водопотребления
Е1=4,0·800=3200
м3/га
Е2=3,5·1000=3500
м3/га
Е3=40·90=3600
м3/га
Е4=30·110=3300
м3/га
Расчет влагозапасов в
почве к моменту посева Wн
Wн=100·h·α·γн·0,9
Wн1
=100·0,4·1,46·21,5·0,9=1130,04 м3/га
Wн2
=100·0,3·1,42·23,8·0,9=912,492 м3/га
Wн3
=100·0,5·1,46·21,5·0,9= 1412,55 м3/га
Wн4
=100·0,3·1,42·23,8·0,9=912,492 м3/га
где γн
-влажность почвы к моменту посева (γнв
0,9), % от массы сухой почвы
Расчет влагозапасов
перед уборкой
Wк=100·h·α·γк·0,6
Wк1
=100·0,4·1,46·21,5·0,6=753,36 м3/га
Wк2
=100·0,3·1,42·23,8·0,6=608,328 м3/га
Wк3
=100·0,5·1,46·21,5·0,6=941,7 м3/га
Wк4
=100·0,3·1,42·23,8·0,6=608,328 м3/га
где h-глубина рассчитанного слоя почвы, м;
α-плотность
почвы, г/см3;
γк-влажность
почвы к моменту уборки (γнв 0,6), % от массы сухой почвы.
Расчет прихода влаги от
осадков
А1=10·142·0,6
=852 мм
А2=10·161·0,6=966
мм
А3=10·229·0,6=1374
мм
А4=10·162·0,6
=972 мм
Расчет оросительной
нормы
M1=3200-852
- (1130,04-753,36)=1971,32 м3/га
M2=3500-966
- (912,492 -608,328)=2229,836 м3/га
M3=3600-1338
- (1412,55-608,338)=1457,788 м3/га
M4=3300-972
- (912,492-608,328)=2023,836 м3/га
где Е - суммарное
водопотребление орошаемой с/х культуры, м3/га,
Р - количество осадков,
выпадающих за вегетационный период данной культуры, мм.
Расчет поливной нормы
m1=100·h1·α1·(γнв - (γн1·К1)
m1=100·0,4·1,46·(21,5-15,05)=376,68
м3/га
m2=100·0,3·1,42·(23,8-15,47)=354,858
м3/га
m3=100·0,5·1,46·(21,5-15,05)=470,85
м3/га
m4=100·0,3·1,42·(23,8-16,66)=304,164
м3/га
Расчет количества
поливов определяется по соотношению и округляется до целых чисел:
n1=M/m=1971,32/376,68=5,2≈5
n2=M/m=2229,836/354,858=6,2≈6
n3=M/m=1457,788/470,85=3,09≈3
где М - оросительная норма культуры,
м3/га,
m - поливная норма культуры, м3/га.
Рассчитанное число поливов
распределяется по месяцам и датам. При назначении даты полива в выбранном
районе необходимо обращать внимание на сроки посева, начала вегетации и
наступления фаз развития сельскохозяйственных культур. У яровых колосовых и
бобовых, знак срок посева в конкретном районе республики 1 полив назначается
через 20 дней, у многолетних трав и озимых зерновых через 10 дней после начала
вегетации, у всех видов корнеплодов примерно через 25-30 дней после посева,
кукурузы - 20 дней, однолетних трав -15 дней, огурцов, томатов, лука и других
овощей - 10-15 дней, капусты ранней и поздней - 25-30 дней, картофеля - 30
дней. Последующие сроки поливов назначаются через 10-15 дней, но не менее 7
дней, которое называются межполивном периодом. Если число поливов согласно расчетам
составляет всего 1 или 2 раза, то даты полива назначаются в самые ответственные
фазы развития культуры. Интервал времени, в течение которого производится полив
культуры называется поливным периодом. Этот интервал в среднем составляет 5
дней. Поливной период можно уменьшить до 3-4 дней и увеличить до 6-7 дней.
2.3 График полива
сельскохозяйственных культур
График поливов составляется для
определения удельного расхода воды, поданного в л/с на гектар орошаемой площади
(гидромодуль q):
q = α
· m
360· t
· T, л/(с · гα)
где α - доля площади в%
занимаемой данной культуры;
m - поливная норма, м³/ га;
t - продолжительность поливного периода, суm (5 суток);
T - количество часов ежесуточного полива, ч: при работе в 1 смену -
7 ч, 2-х сменой работе 12 ч, 3-х сменной 16 ч.
Для расчета параметров оросительной
сети необходимо составлять графики водоподачи на каждый севооборотный участок
(табл. 4). Вычисленные удельные расходы воды суммируют графически (рис. 2) в
системе прямоугольных координат. На горизонтальной оси графика (абсцисс)
миллиметровки откладывают время полива Т, по вертикали (ординат) - гидромодуль
q. Каждый полив на графике обозначают прямоугольником, площадь которого
соответствует объему воды, необходимому для полива посевной площади культуры.
Если поливы отдельных культур по
времени частично или полностью совпадают, то в эти дни ординаты гидромодулей
складываются и прямоугольники, обозначающие объем воды, частично или полностью
наращиваются. Полученный в первом построении график водоподачи на севооборотный
участок имеет в отдельные периоды пики, провалы и разрывы. Подача воды по
такому графику была бы неравномерной, рассчитывать параметры оросительной сети
по максимальному гидромодулю явно нецелесообразно. Поэтому полученный график
укомплектовывают, то есть выравнивают ординаты графика, соблюдая при этом
следующие требования:
объемы воды (площади
прямоугольников) предназначенные для полива культуры, должны оставаться
постоянными;
изменять намеченные сроки поливов
влаголюбивых культур допускается не более чем 2-3 суток, а прочих культур - до
4-5 суток;
ордината укомплектованного графика
гидромодуля составляет 0,4-0,8 л/с · гα;
- это график укомплектовывают так,
чтобы расходы воды отличались не более чем на 10% и сохранялся требуемый для
орошения объем.
При укомплектовывании соблюдается
основное условие:
qн у · Тн у = q у · Т у
где qн у, q у - гидромодуль по
неукомплектованному и укомплектованному графикам.
Тн у, Т у - время полива, принятое в
неукомплектованном и укомплектованном графиках, сут.
Продолжительность Т у рассчитывают:
Т у = qн
/ у · Тн /у
qср
Средний гидромодуль qср рассчитывается для периода
небольшого в поливах (суммируют числовые данные пик гидромодулей по оси ординат
и делят на их количество). Гидромодуль укомплектованный для каждой культуры
определяют:
qу = qн
/ у · Тн /у
Tу
Расчет среднего гидромодуля
qср=0,74+0,7+1,34+0,7+2,28+0,7+1,35+0,7+2,28+0,7+0,7+0,9/18=0,72
л/с·га
Для озимой пшеницы:
Для яровых классовых:
Для огурцов:
Для столовой свеклы:
2.4 Определение площади
орошаемого участка
Возможная площадь
орошения нетто (Fнт,
,
га) определяется как частное от деления полезного объема пруда (Vплз, м 3) на среднюю оросительную норму брутто (Мср, м3
/га) орошаемого севооборота:
η
-коэффициент
полезного действия оросительной системы при дождевании. Принимается равной
0,95.
Vплх
=659300 тыс. 
,
Для орошения принимается
81,5 га пашни, тогда
где КЗИ - коэффициент
земельного использования, КЗИ при орошении дождеванием равен 0,98.
Так как орошаемый
севооборотный участок состоит из четырех одинаковых по площади полей, тогда
площадь одного поля будет равняться:
2.5