GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The aim of the research is to develop an algorithm for calculating the combined closed drainage and humidification network as part of the drainage and humidification systems. The technical literature was used as the main source material for the calculation of closed collectors of drainage systems and closed pressure pipelines. The construction of the algorithm was carried out in accordance with the provisions of GOST 19.701-90 (ISO 5807-85). To develop a general algorithm for calculating a combined closed drainage and humidification network, a procedure was drawn up for calculating the lengths of collector sections according to the ac-cepted diameters and a procedure for calculating the diameters of humidifying pipelines in the form of an algorithm, while the calculated dependencies were used from publicly available sources. A calculation scheme for a combined closed drainage and humidification network and a form for outputting the calculation results have been developed. The developed algorithm includes the calculation of the diameters of the collectors for the drainage drainage and the diameters of the humidification pipelines for supplying water for humidification, as well as the coordination of the diameters of the drainage collectors and humidification pipelines
drainage and humidification system, drainage and humidification network, collector, pipeline, design, algorithm, software
Введение. В настоящее время в Российской Федерации основные фонды осушительных систем в среднем изношены на 57,6 % согласно данным В. Н. Щедрин, С. М. Васильева и Г. Т. Балакай [1].
В гумидной зоне, где преобладают территории с избыточным увлажнением важнейшим направлением восстановления и последующего развития мелиорации является создание современных осушенных территорий, строительство которых необходимо реализовывать учетом вопросов интенсификации производства [2]. На современном этапе развития для повышения эффективности в мелиоративной отрасли необходимо применение комплекса результатов прикладных и концептуальных исследований [3].
Создание современных осушаемых массивов повлечет за собой разработку новых решений ресурсосберегающих осушительно-увлажнительных систем, позволяющих аккумулировать дренажный сток для повторного применения при увлажнении осушенных земель [4–6].
Для мелиоративной отрасли в последнее время усилилась разработка и совершенствование программных комплексов, калькуляторов расчета, программ автоматизированного проектирования [7–10] и решения трудоемких и сложных задач расчетов, таких как IrriExpress [11], IrriMaker [12] и для решения узкоспециализированных задач по определению параметров сплинклерной системы [13] или при определении показателей в микроорошении [14], а также для оценки инфильтрации [15].
Проектирование элементов, совмещенных закрытых осушительно-увлажнительных систем, является трудоемким процессом, содержащим последовательный подбор принимаемых диаметров коллекторов с нарастающей водосборной площади и расчетом пропускной способности принимаемых диаметров коллекторов. Далее следует расчет диаметров, подающих совмещенных напорных трубопроводов с постепенным уменьшением диаметров за счет постепенного разбора оросительной воды дождевальными машинами. Полученные расчеты в свою очередь могут являться исходными данными для производства графической части разрабатываемого проекта осушительно-увлажнительной системы.
Автоматизация процесса расчета с применением программного обеспечения позволит ускорить сам процесс расчета, рассчитать несколько вариантов и выбрать наилучший, избавиться от ошибок, в следствии воздействия человеческого фактора [7].
Также разработка новых программ для электронно-вычислительных машин по расчету параметров элементов осушительно-увлажнительных систем, в частности закрытые коллекторы, дрены, совмещенные трубопроводы, осушительные каналы и др., в дальнейшем позволят, при создании дополнительных программных продуктов, автоматизировать весь процесс создания осушительно-увлажнительных систем, что подтверждается высказываниями Васильева С. М. [10].
Занимаясь разработкой алгоритма, определено его направление, заключающееся в возможности расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети для отвода и подачи водных ресурсов на осушительно-увлажнительных системах, который может быть далее реализован в виде программы для выполнения работ по проектированию осушительно-увлажнительных систем.
В связи с вышеизложенным, целью исследований является разработка алгоритма расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети в составе осушительно-увлажнительных систем.
Материалы и методы. В качестве основного исходного материала, заключающегося в расчете закрытых коллекторов осушительных систем и закрытых напорных трубопроводов, использовалась техническая литература [16–19]. Построение алгоритма производилось в соответствии с положениями ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85).
Алгоритм расчета совмещенной осушительно-увлажнительной сети разработан для дальнейшего использования в программной среде Python, который используется в различных сферах IT, а также может использоваться в Microsoft Excel.
Результаты и обсуждение. В состав любой совмещенной осушительно-увлажнительной сети входят закрытые коллекторы различных порядков и совмещенные осушительно-увлажнительные трубопроводы, выполняющие одновременно роль коллекторов и подающих трубопроводов. В связи с чем расчет данной сети обязательно включает расчет закрытых коллекторов (трубопроводов), работающих на отвод дренажного стока и расчет трубопроводов при подаче расчетного расхода с необходимым напором для дождевальных машин. Одним из обязательных процессов в данном расчете является сопоставление расчетных диаметров совмещенных трубопроводов, работающих как для отвода дренажного стока, так и для подачи воды для увлажнения дождевальными машинами.
Расчет закрытых осушительных коллекторов заключается в определение величин поперечных сечений (диаметров) коллекторов, зависящих от постоянного увеличения водосборной площади. В разработке настоящего алгоритма нами принято, что дренажный коллектор при отводе дренажного стока работает в безнапорном режиме полным сечением. В настоящее время в современных осушительно-увлажнительных системах имеет место применение коллекторов и подающих трубопроводов из пластмассовых или прочих (стеклопластиковые и др. современные материалы) труб с начальным внешним диаметром 90 мм и далее согласно сортамента принятых труб (110, 125, 150 мм и далее). Расчет совмещенной осушительной сети выполняется от истока к устью и определяются точки перехода меньшего диаметра на больший, согласно принятой схемы расчета, зависящей от конструкции осушительно-увлажнительной сети. В результате расчета определяются длины и диаметры коллекторов [20]. Схема расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети приведена на рисунке 1 [20].
Гидравлический расчет закрытой осушительно-увлажнительной сети (оросительной) для работы в увлажнительном режиме заключается в определении диаметров в зависимости от расчетного расхода и допустимых скоростей. Расчет также необходимо проводить согласно принятой схемы расчета, зависящей от конструкции осушительно-увлажнительной сети, на которой обозначаются участки трубопроводов с различными расходами, зависящими от количества подключаемых дождевальных машин к определенному участку трубопровода. Расчет трубопроводов, работающих на увлажнение, начинается с определения расходов и диаметров тупиковых полевых трубопроводов, от которых питаются непосредственно дождевальные машины, далее в направлении насосной станции по участкам с учетом КПД трубопроводов.
Далее проводится сопоставление диаметров, требуемыми для подачи воды, с расчетными диаметрами коллекторов для отвода дренажного стока по участкам и принимается наибольший. На первоначальном этапе разработки общего алгоритма расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети были составлены порядок расчета длин участков коллекторов по принятым диаметрам в виде алгоритма.
При этом расчетные зависимости использовались из [16–18], и порядок расчета диаметров увлажнительных трубопроводов в виде алгоритма, при этом расчетные зависимости использовались из [18, 19]. Для вывода результатов расчета предложена нижеследующая форма (рисунок 2).
DМТ1, DМТi – диаметры магистральных трубопроводов; DМK1, DМKi – диаметры магистральных коллекторов; Dpm1 ,Dpmi – диаметры распределительных трубопроводов; D1, D2, D3 – диаметры коллекторов первого порядка; dпм1- Dпмi – диаметры полевых трубопроводов; d1, d2, d3 – диаметры коллекторов второго порядка; стрелками показано направление движения водных ресурсов: сплошной – отвод; штриховой – подача
Рисунок 1 – Схема к расчету совмещенной осушительно-увлажнительной сети [20]
Разработанный алгоритм совместного расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети приведен на рисунке 3.
Рисунок 2 – Данные расчета диаметров совмещенной осушительно-
увлажнительной сети
Принятые обозначения на рисунке 3: 
n – коэффициент шероховатости, n = 0,011–0,013; 
i – уклон дна коллектора; 
q– интенсивность инфильтрационного питания, м/сут; nдм – количество дождевальных машин, ед.; Qдм – расход дождевальной машины, м3/с; ƞпт – КПД полевого трубопровода; ƞрт – КПД распределительного трубопровода; ƞМТ – КПД магистрального трубопровода; Vo – оптимальная скорость движения воды в трубопроводе, м/с; d– диаметры коллекторов второго порядка, м; D – диаметры коллектора первого порядка, м; DМК – диаметры магистрального коллектора, м; 
lдр – длина дрены, м; L – длина коллектора второго порядка, м; 
m – количество участков, ед.; 
y – показатель степени, определяется по формуле: ; qД – модуль дренажного стока, л/(с·га); 
– гидравлический радиус, м; 
– скоростной коэффициент, м0,5/с; 
– площадь живого сечения, м2; Q1 – расход i-го участка коллектора, м3/с; F1 – площадь дренажа, обслуживаемая коллектором с принятым диаметром, м2; lучi – длина i-го участка коллектора, м; qк – расход коллектора второго порядка, м3/с; Qпт – расчетный расход i-го участка коллектора; dпт – расход полевого трубопровода, м3/с; Qрт – диаметр полевого трубопровода, м; Qрт – расход распределительного трубопровода, м3/с; Dрт – диаметр распределительного трубопровода, м; Qмт – расход магистрального трубопровода, м3/с; Dмт – диаметр магистрального трубопровода, м; dпр – принятый диаметр совмещенного полевого трубопровода, м; Dпр – принятый диаметр совмещенного распределительного трубопровода, м; DMпр – принятый диаметр совмещенного магистрального трубопровода, м.
Рисунок 3 – Алгоритм расчета совмещенной осушительно-
увлажнительной сети, лист 1
Рисунок 3 – Алгоритм расчета совмещенной осушительно-
увлажнительной сети, лист 2
Рисунок 3 – Алгоритм расчета совмещенной осушительно-увлажнительной сети, лист 3
Первый блок алгоритма отвечает за ввод данных, необходимых для расчета совмещенной осушительно-увлажнительной сети.
Второй и третий – присвоение номера и принятого диаметра коллектора второго порядка. Блоки четыре – тринадцать расчет длин участков коллекторов второго порядка с принятыми диаметрами.
Четырнадцатый блок отвечает за вывод результатов расчета закрытых коллекторов принятого диаметра и дин каждого участка с принятым диаметром.
Пятнадцатый и шестнадцатый – присвоение номера участка коллектора первого порядка. Блоки семнадцать – двадцать шесть расчет диаметров участков коллекторов первого порядка.
Двадцать седьмой блок отвечает за вывод результатов расчета диаметров закрытых коллекторов первого порядка.
Двадцать восьмой и двадцать девятый присвоение номера участка магистрального коллектора.
Функционал блоков 30–39 заключается в расчете основных параметров участков магистральных коллекторов.
Блок 40 отвечает за вывод результатов расчета диаметров участков магистральных коллекторов.
Блок 41 – присвоение номера полевого совмещенного увлажнительного трубопровода. Функционал блоков 42–45 заключается в расчете диаметров полевых совмещенных увлажнительных трубопроводов. Блок 46 отвечает за вывод результатов расчета диаметров полевых совмещенных увлажнительных трубопроводов.
Блоки 48–51 отвечают за расчет диаметров распределительных совмещенных увлажнительных трубопроводов. Блок 52 – вывод результатов расчета диаметров распределительных совмещенных увлажнительных трубопроводов.
Блоки 54–56 отвечают за расчет диаметров магистральных совмещенных увлажнительных трубопроводов. Блок 57 – вывод результатов расчета диаметров магистральных совмещенных увлажнительных трубопроводов.
Блоки от 59 до 74 отвечают за согласование и сопоставление расчетных диаметров коллекторов различного порядка и увлажнительных трубопроводов и подбираются принятые диаметры. Диаметр любого из участков принимается наибольший из расчетных участков коллектора либо увлажнительного трубопровода, для обеспечения отвода и подачи водных ресурсов в необходимом объеме с расчетным расходом.
Последний 75 блок алгоритма отвечает за вывод окончательных результатов с принятыми диаметрами магистральных, распределительных и полевых (дренажных) участков совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети – dпр, м; Dпр, м; DМпр, м.
Выводы.
1 Основной сложностью в расчете совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети является значительное количество проводимых операций расчетов участков сети как для отвода дренажного стока, так и для подачи воды на увлажнении, а также сопоставление расчетных диаметров по участкам с принятием наибольшего для обеспечения пропуска расчетных расходов.
2 Согласование диаметров дренажных коллекторов и увлажнительных (оросительных) трубопроводов совмещенной осушительно-увлажнительной сети является основой разработанного алгоритма для расчета сети существующих и вновь разрабатываемых новых конструктивных решений осушительно-увлажнительных систем.
3 Представленный алгоритм расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети позволяет разработать программное обеспечение с использованием различных программных средств.
4 Разработанный алгоритм может войти в состав структуры «Программного комплекса информационно-технологической поддержки моделирования режимов регулирования водных ресурсов на осушительно-увлажнительных системах» в виде калькулятора расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети.
ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Обозначения условные и правила выполнения
1. Schedrin V.N., Balakay G.T., Vasil'ev S.M. Konceptual'noe obosnovanie razrabotki strategii nauchno-tehnicheskogo obespecheniya razvitiya melioracii zemel' v Rossii // Nauch. zhurn. Ros. NII problem melioracii [Elektronnyy resurs] 2016. № 4(24). S. 1-21. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec441-field6.pdf (data obrascheniya: 10.03.2021).
2. Schedrin V.N., Vasil'ev S.M. Konceptual'nometodologicheskie principy (osnovy) strategii razvitiya melioracii kak nacional'nogo dostoyaniya Rossii // Nauch. zhurn. Ros. NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2019. № 1(33). S. 1-11. URL: http:www.rosniipm-sm.ru/archive? n=584&id=585. DOI:https://doi.org/10.31774/2222-1816-2019-1-1-11 (data obrascheniya: 10.03.2021).
3. Voevodina L.A., Voevodin O.V. Kal'kulyator okupaemosti investiciy v meliorativnyy park // Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2019. № 2(74). S. 103-108.
4. Yaschenko K.V., Kilidi H.I. Ispol'zovanie drenazhnogo stoka dlya celey orosheniya na osushitel'no-uvlazhnitel'noy sisteme / K.V. Yaschenko // Nauchnoe obespechenie agropromyshlennogo kompleksa. Sbornik statey po materialam H Vserossiyskoy konferencii molodyh uchenyh, posvyaschennoy 120-letiyu I.S. Kosenko. [Elektronnyy resurs]. 2017. S. 1026-1207. URL: https://www.elibrary.ru/ download/elibrary_29131602_12621285.pdf (data obrascheniya: 15.03.2021).
5. Naydenov S.V., Domashenko Yu.E., Vasil'ev S.M. Obzor vodooborotnyh sistem na osnove gidromeliorativnogo reciklinga // Nauch. zhurn. Ros. NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2018. № 2(30). S. 95-111. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec548-field6.pdf (data obrascheniya: 10.03.2021).
6. Maksimenko V.P., Strel'bickaya E.B., Solomina A.P., Ayriyan N.V. Vozmozhnosti realizacii reciklinga na osushitel'no-uvlazhnitel'nyh sistemah gumidnoy zony // Prirodoobustroystvo 2016. № 2. S. 87-94. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_26139362_38800332.pdf (data obrascheniya: 04.03.2021).
7. Kozhanov A.L., Voevodin O.V., Voevodina L.A. Algoritmy rascheta elementov zhivogo secheniya osushitel'nyh kanalov razlichnyh form // Ekologiya i vodnoe hozyaystvo [Elektronnyy resurs]. 2019. № 3(03). S. 107-126. URL:http:www.rosniipm-sm1.ru/article?n=41. DOI: https://doi. org/10.31774/2658-7890-2019-3-107-126 (data obrascheniya: 17.03.2021).
8. Monastyrskiy V.A., Babichev A.N., Ol'garenko V.I. Algoritm rascheta doz vneseniya udobreniy v precizionnom zemledelii Nauch. zhurn. Ros. NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2019. № 1(33). S. 26-38. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec985-field12.pdf. DOI:https://doi.org/10.31774/2222-1816-2019-1-26-38 (data obrascheniya: 22.03.2021).
9. Kozhanov A.L., Voevodin O.V. Programma dlya rascheta parametrov poperechnyh secheniy osushitel'nyh kanalov //Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2020. № 1(77). S. 142-149.
10. Vasil'ev S.M., Kozhanov A.L. Modelirovanie processa proektirovaniya elementov osushitel'noy chasti meliorativnoy sistemy dvoynogo regulirovaniya vodnogo rezhima // Ekologiya i vodnoe hozyaystvo [Elektronnyy resurs]. 2019. №1. S. 113-128. URL: http://www. rosniipm-sm1.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec16-field12.pdf (data obrascheniya: 30.03.2021).
11. A powerful, simple, intuitive irrigation designer. [Elektronnyy resurs]. URL: https://www.irriexpress.com (date of access: 30.03.2021).
12. Model Maker Systems. IrriMaker consists of numerous functions [Elektronnyy resurs]. URL: http://www.irrimaker.com/irrigation-software-functions (date of access: 30.03.2021).
13. Carrión F., Montero J., Tarjuelo J.M., Moreno M.A. Design of Sprinkler Irrigation Subunit of Minimum Cost with Proper Operation. Application at Corn Crop in Spain // Water Resources Management. 2014. № 14. Vol. 28. P. 5073-5089. [Elektronnyy resurs]. URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11269-014-0793-x.pdf (date of access:30.03.2021).
14. Palau C.V., Arviza J., Balbastre I., Manzano J. DIMSUB, a computer program for designing microirrigation subunits. Tool definition and case studies // SCIENTIA AGRICOLA. 2020. Vol. 77. № 3. 8 p. DOI:https://doi.org/10.1590/1678-992X-2018-0184.
15. Garcia-Serrana M., Gulliver J.S., Nieber J.L. Calculator to Estimate Annual Infiltration Performance of Roadside Swales // Journal of Hydrologic Engineering. 2018. Vol. 23. DOI:https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001650.
16. Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. Osushenie: spravochnik / B.S. Maslov [i dr.]; pod red. B.S. Maslova. M.: Associaciya Ekost, 2001. 606 s.
17. Vasil'ev V.V., Vcherashniy E.A. Gidravlicheskiy raschet kollektorov [Elektronnyy resurs]. URL: https://studopedia.net/3_50853_gidravlicheskiy-raschet-kollektorov. html (data obrascheniya: 30.03.2021).
18. Spravochnik po gidravlicheskim raschetam / P.G. Kiselev [i dr.]; pod red. P.G. Kiseleva. M.: Energiya, 1972. 312 s.
19. Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. Oroshenie: spravochnik / B.B. Shumakov [i dr.]; pod red. B.B. Shumakova. M.:Agropromizdat, 1990. 415 s.
20. Kozhanov A.L. K voprosu rascheta sovmeschennoy osushitel'no-uvlazhnitel'noy seti // Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2021. № 1(81). S. 128-135.
21. GOST 19.701-90 (ISO 5807-85) Edinaya sistema programmnoy dokumentacii. Shemy algoritmov, programm, dannyh i sistem. Oboznacheniya uslovnye i pravila vypolneniya.
