Совершенствования технологии очистки горизонтального дренажа на оросительных системах

DOI:

С 60-х годов в Центральной Азии, особенно в Узбекистане, при освоении новых земель -Голодной и Каршинской степей - орошение и строительство горизонтальных дренажей стали осуществляться в тесной технической и технологической взаимосвязи с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур. В Республике Узбекистан было построено и в настоящее время эксплуатируется около 40 тыс. км горизонтальных дренажей. При интенсивной эксплуатации сельскохозяйственных земель горизонтальный дренаж является одним из эффективных способов поддержания состояния орошаемых земель. Эффективность работы горизонтального дренажа зависит от качества строительства, используемых материалов, срока службы, а также режима и культуры эксплуатации.

В последние годы в направлении улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель предусмотрены [1]:

• а)    сокращение засолённых площадей с 1 948 тыс. га до 1 722 тыс. га, площадей со средней и высокой засолённостью — с 607 тыс. га до 430 тыс. га;

• б)    уменьшение орошаемых земельных площадей с критическим уровнем грунтовых вод (0 - 2 метра) с 1 051 тысячи гектаров до 773 тысяч гектаров;

• в)    введение к 2025 году в сельскохозяйственный оборот 298,5 тыс. гектаров орошаемых земель, выведенных из оборота.

Наибольшее распространение при эксплуатации горизонтных закрытых дренажных систем и их промывке от заиления получил механизированный гидродинамический способ с применением дренопромывочных машин и вспомогательных механизмов. Однако в Узбекистане широкие применения не нашли технологии основанные на машинах Д-910, ПДТ-125, ПДТ-200, МР-18 вследствие значительного расхода промывочной воды, не укомплектованности состава и избыточной трудоемкости по сравнению с зарубежными аналогами. В настоящее время объем неработающих закрытых дрен в Узбекистане и Таджикистане составляет от 34 до 40% от общей протяженности [2].

Как способ совершенствования очистки дренажных труб учёными НИУ «ТИИИМСХ» предложены ряд уникальных способов диагностирования степени заиления дренажных труб и конструкция промывочной насадки.

Гидродинамический способ основан на использовании энергии воды. На конце напорного рукава, вводимого в дренажную трубу, монтируется промывочная насадка (головка), оснащённая одним или несколькими передними и наклонными (тыльными) соплами. [3]. При помощи подающего устройства или вручную напорный рукав продвигается по трубопроводу, при этом исходящие из тыльных сопел насадки водяные струи создают реактивную силу продвижения напорного рукава с насадкой внутри трубы и размывают отложения, а передние разрушают [4]. Основной вынос наносов также происходит под действием тыльных струй воды при наматывании промывочного рукава на барабан установки при работающем водяном насосе.

К числу основных характеристик устройства промывки дренажа можно отнести скорость струй и расход воды, исходящих из промывочной насадки [5]. Эти характеристики определяются расходом и давлением воды, создаваемыми насосом установки и потерями давления воды на пути от насоса к насадке, а также внутренней полости дренажной трубы частично занятий напорным рукавом, твердыми остатками многолетних отложений, создающие шероховатость [6]. Для оценки потерь напора в устройстве промывки дренажа необходимо определить основные исходные параметры [7]. Такими параметрами являются: расход промывочной воды, внутренний диаметр и длина промывочного рукава, параметры промывочной насадки (давление, диаметры и количество отверстий для формирования струй) [8-9].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследований является процесс эксплуатации реальной дренажной сети, потерь напора в водопроводящих элементах системы горизонтального дренажа, технологические процессы промывки закрытого горизонтального дренажа на примере коллекторно-дренажных систем орошаемой зоны Сырдарьинской области.

Основные параметры исследования: расход воды (Qgp) в л/с, сечения (S) см2, скорость потока (9) м/с.

С помощью нижеприведенных формул можно рассчитать расход воды в дренажной трубе в зависимости от диаметра трубы и скорости воды:

^ др =-^-^ л/с. (1)

Известны проектные параметры дрены: диаметр D int =100 мм, минимальный рекомендуемый уклон-!_й =0,002; материал, пластмассовая гибкая гофрированная дренажная труба с обмоткой и гравийно-песчаным фильтром, длина участка L<1000 пм [6].

Тогда для аналитического диагностирования степени заиления дренажной трубы внутренним диаметром D _int =100 мм можно использовать формулу:

5    1    з

Q gp = ^0,39-c-DL^- ^ 2 Т,       (2)

где:  С-  коэффициент Н.  Н.  Павловского вычисляемая по формуле:

с=ЯуЛ/п, где: Ry- гидравлический радиус, n 0,009-0,025 коэффициент (по Маннингу) шероховатости для пластмассовой гафрированной трубы.

Тогда расход воды в дренажной трубе с диаметром ( D _int = 100 мм) полным сечением будет:

S     ____ едр = 0,39 • с • о,12 • /др

0,001233-С-

м3/с

Согласно (1) заменяем Qgp = S - д, л/с , где: S - площадь сечения трубы, м2;   д скорость прохождения воды, м/с.

Тогда в формулу (3) вставим   Qgp = S - д, тогда общий вид формулы будет:

S-d =0,001233-С-/7 ДР , м³/с .    (4)

Для удобства расчета в формуле (4) скорость потока (ϑ) заменим в виде д =|,м/с, где L – длина участок дренажной системы, м; t-время пробега воды на этом участке.

Тогда площадь живого сечения (S) в дренажной трубе можно будет определять в виде:

0,001233-С-/ ДрЛ L

где S - площадь живого сечения в дренажной трубе с диаметром D = 100 мм.

Замеряя время t по формуле, определяем живое сечения в трубе диаметром D = 100 мм тогда степень заиления в % будет

Д S = £ ioo £ i %, ^ 100

где диаметр диагностируемой трубы в нашем примере D = 100 мм, Si- расчетное живое сечения в трубе с D = 100 мм.

В формуле (5) значения 0,001233=/^с коэффициент учета диаметра диагностируемой трубы можно рассчитать для любого диаметра дренажа.

Р исунок 1. С хема лабораторного стенда для экспериментальных исследований зависимости расхода и СКОРОСТИ ПОТОКА ВОДЫ В ДРЕНАЖНОЙ ТРУБЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТЕПЕНИ ЗАИЛЕНИЯ .

F igure 1. S chematic diagram of a laboratory setup for experimental studies of the dependence of water flow rate and velocity in a drainage pipe on the degree of siltation .

На Рисунке 1 изображен схематически продольный разрез дрены с устройством для осуществления предлагаемого способа прогнозирования степени заиления трубы закрытого горизонтального дренажа.

Лабораторный стенд состоит из гибкого рукава 1, снабженного дренирующей трубкой 2. Одним концом гибкий рукав 1 с дренирующей трубкой 2 закреплен на барабан с запасом (барабан на рис. 1 не обозначен), другим свободным концом надет на верхний конец направляющего патрубка 3. Нижний конец патрубка 3 спущен в обсадную трубу 4, образующую наблюдательный колодец 5, и вставлен в исток дрены 6.

Диаметр патрубка 3 меньше номинального диаметра дрены 6. Зазор 7, образованный разницей между диаметром патрубка 3 и номинальным диаметром дрены 6 дает возможность вывести свободный конец дренирующей трубки 2 в наблюдательный колодец 5. Длину (L), введенного в полость дрены 6 гибкого рукава 1, снабженного дренирующий трубкой 2, фиксируют линейкой 9, прикрепленной с помощью зажима 10 к обсадной трубе 4.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Имитацию заиленности дренажной трубы производили вручную путём заливки густым водяным раствором, содержащим мелкий суглинок (в составе глина от 30 до 60%). Шаг уменьшения поперечного сечения дренажной трубы был прият 5 % от геометрической площади внутреннего сечения. Начиная с 0% и заканчивая до 100% процентов заиления.

Результаты аналитических расчетов зависимости скорости водного потока и расхода воды от процента заиления дренажной трубы для экспериментальных исследований приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Зависимость скорости водного потока и расхода воды от процента заиления дренажной трубы.

Table 1. Dependence of water flow rate and water consumption on the percentage of siltation of the drainage pipe.

Величина уменьшения плошады поперечногосечения трубы дрены из-за заиления (5), %	Значение величины средней скорости потока воды внутри дрены (9), %	Пропускная способность (<2др) дренажной трубы D i nt=100мм, %
0	100 (max)	100(max)
5	92,6	82,4
10	85,4	67,3
15	78,4	54,4
20	71,55	43,3
25	65	33,9
30	58,56	26,3
35	52,54	19,8
40	46,5	14,7
45	40,7	10,62
50	35,35	7,4
55	30,2	4,9
60	27,3	3,2
65	20,7	1,9
70	16,43	1,1
75	12,5	0,5
80	8,9	0,2
85	5,8	0,08
90	3,1	0,001
95	1,1	0,0001
100% заиления	0	0

На основе полученных результатов построена тарировочная кривая для оперативного определения степени заиления дренажной трубы с диаметром (Dint = 100 мм), (см. Рисунок 2).

Р исунок 2. Т арировочная кривая для опредления степени заиления дрены в зависимости от расхода воды в ДРЕНЫ ВО ВРЕМЯ ИСПЫТАНИЙ .

F igure 2. C alibration curve for determining the degree of siltation of the drain depending on the water flow into the drains during testing .

Для наглядности полученных результатов, на основе данных в Таблице 1 расчетных парметров зависимости скорости водного потока и расхода воды от процента заиления дренажной трубы с диаметром (Dint = 100 мм) построены графики их изменения (см. Рисунок 3).

Р исунок 3. Г рафики зависимость скорости водного потока и расхода воды от процента заиления дренажной ТРУБЫ ТРУБЫ С ДИАМЕТРОМ (D _int = 100 мм ): 1- ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ВОДНОГО ПОТОКА ОТ ПРОЦЕНТА

ЗАИЛЕНИЯ ДРЕНАЖНОЙ ТРУБЫ ТРУБЫ С ДИАМЕТРОМ (D_INT = 100 ММ ); 2- ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТЬ РАСХОДА ВОДЫ ОТ

ПРОЦЕНТА ЗАИЛЕНИЯ ДРЕНАЖНОЙ ТРУБЫ ТРУБЫ С ДИАМЕТРОМ (D_INT = 100 ММ ).

F igure 3. G raphs of the dependence of the water flow rate and water consumption on the percentage of siltation of the drainage pipe with a diameter of (D_ int = 100 mm ): 1 - graphs of the dependence of the water flow rate on the percentage of siltation of the drainage pipe with a diameter of (D_ int = 100 mm ); 2 - graphs of the dependence of water consumption on the percentage of siltation of the drainage pipe with a diameter of (D_ int = 100 mm ).

Максимальные значения скорости потока (допустимое значение в трубчатых дренах i9 = 0,15 ^ 1,0 м/с, большие исключены из — за размыва грунта окружающего трубы) и максимальный расход при наполнении трубы меньше на 5% полного заполнения достигаются при заилении сечения на 0%.

При заилениях до 25% внутренней полости дренажной трубы пропускная способность снижается до 33,9%, а скорость потока до 65%, т.е. скорость потока резко снижается до i9 = 0,097 ^0,65 м/с, что существенно меньше допустимого и приводит к резкому повышению интенсивности заиления в силу отсутствия транспортирующей скорости потока.

Таким образом при заилениях до 50% внутренней полости дренажной трубы пропускная способность снижается до 7,4%, что показывает     14     кратное     снижение работоспособности дрены с диаметром (Dlnt = 100 мм).

Для улучшения эксплуатационных параметров существующих дренажных систем различного диаметров предложен гидродинамическое устройство, состоящее из напорного рукава с промывочной насадкой, оснащённой передними и тыльными соплами. Передние сопла размывают отложения, а тыльные выносят наносы из трубы. Давление и расход воды определяются работой насоса и потерями давления в системе.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные    результаты    исследования подтвердили, что гидродинамический метод является одним из наиболее эффективных способов очистки дренажных труб от наносов и илистых отложений. Применение промывочной насадки с передними и тыльными соплами обеспечивает не только механическое разрушение заилений, но и их вынос за счёт действия встречных струй воды. Такой подход позволяет существенно сократить трудоёмкость и повысить производительность работ по сравнению        с        традиционными механизированными методами [10].

Построенные математические модели адекватно описывают процессы, происходящие внутри дренажной    трубы:    размыв    наносов, транспортирование частиц и изменение параметров потока в зависимости от степени заиления. Установлено, что уменьшение площади поперечного сечения трубы (S) прямо пропорционально    снижает    пропускную способность (Qдр) и приводит к росту скорости потока (ϑ). Таким образом, модели позволяют прогнозировать гидравлическое поведение дрен при различных уровнях заиления и своевременно определять необходимость очистки. Особое значение имеет коэффициент Ki.c = 0,001233 для D = 100 мм, который учитывает диаметр диагностируемой трубы. Проведённые расчёты показывают, что данный коэффициент может быть обобщён и адаптирован для труб других диаметров при соответствующей корректировке формулы. Это расширяет универсальность методики и делает её применимой для различных условий эксплуатации дренажных систем. Полевые испытания подтвердили высокую эффективность метода. Было установлено, что оптимизация давления воды, угла наклона и диаметра сопел промывочной насадки позволяет увеличить дальность и равномерность очистки. В частности, регулирование параметров насадки снижает потери напора и повышает устойчивость процесса промывки, что особенно важно для длинных участков трубопровода. Результаты настоящего исследования согласуются с данными других авторов [5], которые также отмечали необходимость совершенствования технологий очистки и подчёркивали роль гидродинамических методов. Сопоставление данных подтверждает достоверность и воспроизводимость предложенной методики, а также её практическую ценность для эксплуатации дренажных систем в условиях орошаемых земель [11]. Таким образом, проведённое исследование не только выявило закономерности изменения гидравлических параметров в заиленных дренажных трубах, но и обосновало применение усовершенствованного гидродинамического способа очистки, что создаёт основу для разработки более эффективных технологий в мелиоративной практике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого исследования разработаны и обоснованы математические модели, позволяющие диагностировать степень заиления дренажных труб и прогнозировать изменения их гидравлических характеристик. Построенные модели адекватно описывают взаимосвязь между уменьшением живого сечения трубы, скоростью водного потока и пропускной способностью трубопроводов. Для практического применения составлены таблицы расчётных данных и калибровочные кривые, что обеспечивает возможность оперативного определения степени заиления дрен и принятия решений о необходимости их очистки. Это позволяет перейти от громоздких, с низкой достоверностью методов оценки состояния дренажных систем к объективным, основанным на количественных показателях. Подтверждена эффективность гидродинамического метода очистки дренажных труб, основанного на использовании низконапорных водяных струй. Экспериментальные и полевые исследования показали, что данный способ обеспечивает высокую производительность, снижение эксплуатационных затрат и экологическую безопасность по сравнению с традиционными методами. Полученные результаты обладают как теоретическим значением, заключающимся в развитии научных представлений о процессах размыва и транспортирования наносов внутри труб, так и практической значимостью, выражающейся в возможности применения разработанных методик и рекомендаций в мелиоративной практике. Внедрение результатов исследования    способствует    повышению эффективности эксплуатации дренажных систем и, как следствие, улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель, увеличению их продуктивности      и      рациональному использованию водных ресурсов.