ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Целью исследований является разработка алгоритма расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети в составе осушительно-увлажнительных систем. В качестве основного исходного материала, заключающегося в расчете закрытых коллекторов осушительных систем и закрытых напорных трубопроводов, использовалась техническая литература. Построение алгоритма производилось в соответствии с положениями ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85). Для разработки общего алгоритма расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети был составлены порядок расчета длин участков коллекторов по принятым диаметрам и порядок расчета диаметров увлажнительных трубопроводов в виде алгоритма, при этом расчетные зависимости использовались из общедоступных источников. Разработана схема расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети и форма вывода результатов расчета. Разработанный алгоритм включает расчет диаметров коллекторов при отводе дренажного стока и диаметров увлажнительных трубопроводов для подачи воды на увлажнение, а также согласование диаметров дренажных коллекторов и увлажнительных трубопроводов. Представленный алгоритм расчета совмещенной закрытой осушительно-увлажнительной сети позволит разработать программное обеспечение с использованием различных программных средств
осушительно-увлажнительная система, осушительно-увлажнительная сеть, коллектор, трубопровод, проектирование, алгоритм, программное обеспечение
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. Щедрин В.Н., Балакай Г.Т., Васильев С.М. Концептуальное обоснование разработки стратегии научно-технического обеспечения развития мелиорации земель в России // Науч. журн. Рос. НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс] 2016. № 4(24). С. 1-21. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec441-field6.pdf (дата обращения: 10.03.2021).
2. Щедрин В.Н., Васильев С.М. Концептуальнометодологические принципы (основы) стратегии развития мелиорации как национального достояния России // Науч. журн. Рос. НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2019. № 1(33). С. 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 (дата обращения: 10.03.2021).
3. Воеводина Л.А., Воеводин О.В. Калькулятор окупаемости инвестиций в мелиоративный парк // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019. № 2(74). С. 103-108.
4. Ященко К.В., Килиди Х.И. Использование дренажного стока для целей орошения на осушительно-увлажнительной системе / К.В. Ященко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса. Сборник статей по материалам Х Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 120-летию И.С. Косенко. [Электронный ресурс]. 2017. С. 1026-1207. URL: https://www.elibrary.ru/ download/elibrary_29131602_12621285.pdf (дата обращения: 15.03.2021).
5. Найденов С.В., Домашенко Ю.Е., Васильев С.М. Обзор водооборотных систем на основе гидромелиоративного рециклинга // Науч. журн. Рос. НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2018. № 2(30). С. 95-111. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec548-field6.pdf (дата обращения: 10.03.2021).
6. Максименко В.П., Стрельбицкая Е.Б., Соломина А.П., Айриян Н.В. Возможности реализации рециклинга на осушительно-увлажнительных системах гумидной зоны // Природообустройство 2016. № 2. С. 87-94. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_26139362_38800332.pdf (дата обращения: 04.03.2021).
7. Кожанов А.Л., Воеводин О.В., Воеводина Л.А. Алгоритмы расчета элементов живого сечения осушительных каналов различных форм // Экология и водное хозяйство [Электронный ресурс]. 2019. № 3(03). С. 107-126. URL:http:www.rosniipm-sm1.ru/article?n=41. DOI: https://doi. org/10.31774/2658-7890-2019-3-107-126 (дата обращения: 17.03.2021).
8. Монастырский В.А., Бабичев А.Н., Ольгаренко В.И. Алгоритм расчета доз внесения удобрений в прецизионном земледелии Науч. журн. Рос. НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2019. № 1(33). С. 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 (дата обращения: 22.03.2021).
9. Кожанов А.Л., Воеводин О.В. Программа для расчета параметров поперечных сечений осушительных каналов //Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2020. № 1(77). С. 142-149.
10. Васильев С.М., Кожанов А.Л. Моделирование процесса проектирования элементов осушительной части мелиоративной системы двойного регулирования водного режима // Экология и водное хозяйство [Электронный ресурс]. 2019. №1. С. 113-128. URL: http://www. rosniipm-sm1.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec16-field12.pdf (дата обращения: 30.03.2021).
11. A powerful, simple, intuitive irrigation designer. [Электронный ресурс]. URL: https://www.irriexpress.com (date of access: 30.03.2021).
12. Model Maker Systems. IrriMaker consists of numerous functions [Электронный ресурс]. 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. [Электронный ресурс]. 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. Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: справочник / Б.С. Маслов [и др.]; под ред. Б.С. Маслова. М.: Ассоциация Экост, 2001. 606 с.
17. Васильев В.В., Вчерашний Е.А. Гидравлический расчет коллекторов [Электронный ресурс]. URL: https://studopedia.net/3_50853_gidravlicheskiy-raschet-kollektorov. html (дата обращения: 30.03.2021).
18. Справочник по гидравлическим расчетам / П.Г. Киселев [и др.]; под ред. П.Г. Киселева. М.: Энергия, 1972. 312 с.
19. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справочник / Б.Б. Шумаков [и др.]; под ред. Б.Б. Шумакова. М.:Агропромиздат, 1990. 415 с.
20. Кожанов А.Л. К вопросу расчета совмещенной осушительно-увлажнительной сети // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2021. № 1(81). С. 128-135.
21. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Обозначения условные и правила выполнения.
