Совершенствование технологии очистки воды в оросительных каналах

Создание благоприятных условий для наиболее полного использования биоклиматического и социально-экономического потенциалов, направленных на обеспечение населения страны достаточным количеством продовольствия, всегда остаётся важнейшей обязанностью государства. Возможности решения этой проблемы определяются наличием в стране пригодных для сельскохозяйственного производства земель, их биоклиматическим потенциалом.

Реализация национального проекта по развитию АПК России, предусматривающего увеличение объёмов производства животноводческой продукции, невозможна без наличия устойчивой кормовой базы.

В природных и социально-экономических условиях современной России создать такую базу позволит лишь восстановление мелиорации после негативных изменений, которым подвергся мелиоративный комплекс страны за годы реформирования АПК.

Развитие мелиорации в России, происходившее в 1966-1990 годы, в последние десятилетия в силу различных проблем, связанных с переходом страны к рыночной экономике, было приостановлено. Практически прекратились работы по строительству, ремонту и реконструкции мелиоративных систем, вследствие чего значительно ухудшилось их техническое состояние. Площадь орошаемых земель сократилась по сравнению с 1991 г. на 24 %, осушаемых — на 9 %, более чем на 50 % площади орошаемых земель наблюдаются подъём грунтовых вод, засоление, происходит заболачивание земель. Всё это приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и, как следствие, снижению продуктивности животноводства.

Эффективность мелиорации оценивается не только уровнем урожая, но и поддержанием благоприятных экологических условий для человека и агроландшафта, рациональной системы защиты окружающей среды.

Основным условием рационального использования водных и энергетических ресурсов в орошаемом земледелии является оперативное управление водозабором - водораспределением на основе достоверных данных о подаче, потреблении и сбросе воды на оросительных системах. При этом всё большую актуальность приобретают вопросы обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений, непосредственно влияющих на экологическую обстановку в зоне орошения. Между тем современное состояние орошаемых земель в стране требует выполнение огромных работ по модернизации оросительных систем.

Анализ опыта эксплуатации оросительных систем Поволжья указывает, что одной из причин снижающих эксплуатационные показатели работы насосных станций, является недопустимая засорённость оросительной воды в подводящих открытых каналах. Очистка оросительной воды в настоящее время производится на водозаборах насосных станций с помощью касет, сеток, сороудерживающих решеток. Эффективность данного способа очень низкая. Обычно около решёток скапливаются растительные остатки, масса которых достигает от 30 до 60 кг. Большая их часть (до 86 %) располагается у поверхности воды.

В этих условиях сороудерживающие и рыбозащитные решётки забиваются, нарушается нормальное функционирование насосной станции и всей сети в целом. Из одной камеры насосной станции ежегодно удаляется от 160 до 200 м растительных остатков. Очистка решёток производится вручную с марта по ноябрь. Объём извлекаемой массы крайне неравномерен. Затраты на выполнение этих работ достаточно велики.

Засорённость сороудерживающих решёток может вызвать увеличение потребления электроэнергии в 1,5-2 раза на каждый кубометр поданной воды.

Для оросительных систем Поволжья главным засорителем оросительной воды являются водоросли, сорная и культурная растительность, листва, семена и др.

В течение поливного сезона растительная масса добывается тоннами из оросительной воды и зачастую становится «мусором» для территорий насосных и водоочистных станций, за счёт чего возникает проблема утилизации растительных остатков с территории насосных и очистных станций.

Таким образом, проблема очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения и его утилизация являются актуальными и требуют дополнительных теоретических исследований, и конструктивных проработок.

Цель и задачи исследований. Цель исследований — разработка научного обоснования развития процесса загрязнения оросительной воды мусором растительного происхождения и совершенствование способов очистки оросительной воды с последующей утилизацией растительных наносов.

Задачи исследований:

провести анализ современных технических средств и способов очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций;
разработать методику использования математической модели и дать теоретическое обоснование процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале;
провести вычислительные эксперименты и сравнить результаты натурных и вычислительных экспериментов процесса загрязнения оросительной воды мусором растительного происхождения;
разработать конструкцию устройства активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения;
разработать научно-обоснованные предложения по утилизации собранного мусора.

Объект исследования — мелиоративные каналы и водозаборы насосных станции Саратовской области.

Методика исследований — разработка методики теоретического исследования по математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале; вычислительные эксперименты по полученной модели на ЭВМ; сравнение результатов вычислительных экспериментов с известными натурными экспериментами.

Научная новизна работы. В результате исследований разработана методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале и рассмотрены частные случаи решения для практически важных случаев, встречающихся при эксплуатации мелиоративных каналов. На основе математической модели разработаны программы, с помощью которых проведено моделирование процесса распространения органических примесей в зависимости от времени и расстояния. Разработано устройство активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения.

Основные положения:

методика использования математической модели для процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале;
методика расчета загрязнения оросительной воды на основе вычислительных экспериментов;
устройство активной механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения; предложения по утилизации мусора растительного происхождения.

Разработанная методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале дает возможность моделирования данного процесса на ЭВМ. Использование разработанного устройства активной механической очистки позволит повысить показатели работы насосных станций и дождевальных машин, что в свою очередь, обеспечит увеличение урожайности сельскохозяйственных культур.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на Всероссийской научно - практической конференции, посвященной 118-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова, «Вавиловские чтения -2005», Саратов 2005 г.;
на второй Всероссийской научно - практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы», Саратов 2007 г.;
на Международной научно - практической конференции «Проблемы землепользования в зоне рискованного земледелия», Саратов 2007 г.;
на научно - практической конференции молодых учёных Приволжского федерального округа «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК», Саратов 2007 г.;
на конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Вавиловские чтения -2007», Саратов 2007 г.;
на ежегодных профессорско-преподавательских конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова в 20032009 гг;
на теоретическом семинаре инженерных факультетов ФГОУ ВПО ВГСХА в 2009 г.; непосредственно использовались при проведении проектных и ремонт-но-эксплуатационных работ на Энгельсской и Приволжской оросительных системах.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 1 патент Российской Федерации на полезную модель, 2 работы в издании, входящем в перечень ВАК. Общий объем публикаций составляет 1,95 печ. л., из них лично соискателя — 1,33 печ. л.

ВЫВОДЫ

Анализ современных технических средств и способов очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций показал, что основной причиной низкой эффективности работы насосных станций является изношенность оборудования и сильная засоренность оросительной воды мусором растительного происхождения. Оросительная вода является благоприятной средой обитания водорослей в силу относительно малых глубин и скоростей течения в оросительных каналах в связи с резким сокращением площади орошаемых земель.
На основе уравнения диффузии была разработана методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале.
На основе разработанной методики и с помощью ЭВМ были проведены вычислительные эксперименты на основе которых был составлен регламент по планированию очистных работ отводных каналов и водозаборов Энгельсской и Приволжской оросительных систем.
Сравнительным анализом были выявлены недостатки устройств очистки оросительной воды и разработана конструкция плавающего устройства механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения, которое характеризуется простотой конструкции и мобильностью. Устройство защищено патентом Российской Федерации на полезную модель.
В связи с проблемой утилизации растительной массы, загрязняющей территории насосных станций, разработано предложение по применению растительного мусора в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур.
Экономический эффект от применения разработанного устройства активной механической очистки оросительной воды от мусора и водорослей составляет 12138,2 руб. на 1 га орошаемой площади.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

Для прогнозирования органического загрязнения в мелиоративных каналах оросительных систем Поволжья рекомендуется использовать математическую модель процесса распространения органических примесей.
При проведении мероприятий по очистке водозаборов насосных станций от мусора растительного происхождения рекомендуется использовать плавучее устройство активной механической очистки оросительной воды.
Водорослевую массу, извлеченную из оросительной воды, целесообразно использовать в качестве органического удобрения либо непосредственно, либо после компостирования.