CC BY
24
в = 90 - ¥0 , при 0<¥0<90o. (10)
Угол облученности цилиндрической поверхности ПБ:
- при р >54,5° - а = 109°; __(11)
- при р< 54,5° - а = 109- arcsin{ jd sin /3{2г - d sin p) / r). (lia)
Длина дуги цилиндрической поверхности облучения
Lab = ^а ■ (12)
180
Угол между нормалью к-к к цилиндрической поверхности в точке падения луча и направлением луча iz определяется из AAOD:
- до полудня i г = ¥о - ¥„ ; (13)
- после полудня iz = ¥0 + ¥п . (14)
Коэффициент полезного действия ПБ определялся соотношением:
п = Qnp / Qn , (15)
где Qn - прошедшая в гелиотеплицу, падающая на перпендикулярную лучам поверхность Вт/м2; Qnp- суммарная радиация, прошедшая в ПБ, Вт/м2.
Заключение
Как показали эксперименты, сезонное и дневное изменения КПД ПБ п определяется высотой солнцестояния ho. Среднедневные значения КПД ПБ за октябрь-апрель составляют п = 66,3-43,4 %.
При горизонтальном расположении ПБ естественной будет шахматная упаковка, лучевосприни-мающей поверхностью будет донная (торцевая) часть ПБ и имеет сложную форму. Определены геометрические параметры донной части ПБ. Длина дуги цилиндрической поверхности облучения, зависит от угла облученности цилиндрической поверхности ПБ. Зная суммарную радиацию прошедшую в ПБ и прошедшую в гелиотеплице, падающую на перпендикулярный луч поверхности, определен коэффициент полезного действия ПБ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гебхарт, Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен / Б. Гебхарт, Й. Джалурия. -М., 1991. -528 с.
2. Даффи, Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. - М., 1977. - 420 с.
3. Крейт, Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блек. - М.: Мир, 1983. - 512 с.
4. Кутателадзе, С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление / С. С. Кутателадзе. - М., 1990. - 366 с.
5. Хайриддинов, Б. Э. Комбинированные гелиотеплицы-сушилки / Б. Э. Хайриддинов, Т. А. Садыков. - Ташкент: Фан, 1992. - 184 с.
6. Халаим, Н. Т. Изготовление аккумулятора тепла с непосредственным поглощением солнечной энергии. Проект SPARE. Молдова Ru. htm. 2006 г. / Н. Т. Халаим. - Кишинев, 2006.
7. Халимов, А. Г. Пассивный аккумулятор тепла с прямым поглощением солнечного излучения в гелиотеплице / А. Г. Халимов. - Режим доступа: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/41/090/41090844.pdf. - Дата доступа: 12.03.2014.
8. Якубов, Ю. Н. Аккумулирование энергии солнечного излучения / Ю. Н. Якубов. - Ташкент: Фан, 1981. - 104 с.
УДК 556.3
В. И. КУМАЧЕВ, А. Н. МЕДВЕДНИКОВ
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД ДЛЯ ПРОГРЕССИВНЫХ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ НА ПОЛЬДЕРАХ
(Поступила в редакцию 09.07.2015)
Описана разработка системы оперативного измерения We have described the development of a system of opera-
быстроизменяющегося УГВ, который представляет собой tional measurement of rapidly changing groundwater level,
фиксацию момента преобразования поверхности «нуль which is the fixing of the moment of transformation of the sur-
давления» в свободную поверхность гравитационной воды, face of "zero pressure" into the free surface of gravitational
а также приведена методика разработки новой системы и water, as well as the methods of developing the new system and
дается ее обоснование. its basing.
Введение
В сельскохозяйственном производстве республики используется более 250 тыс. гектаров пойменных земель, осушенных польдерными системами. Откачку воды обеспечивают около 480 насосных станций. Мелиоративная отрасль непрерывно работает над повышением эффективности работы прогрессивных мелиоративных систем. В приказе по Белорусскому государственному концерну по
строительству и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем «БЕЛМЕЛИОВОХОЗ» №140 от 20.10.98 г. [3] была отмечена необходимость уточнения режимов работы насосных станций на польдерных системах.
С целью повышения эффективности работы польдерных систем и насосных станций было приказано в составе строительных проектов на польдерные насосные станции предусматривать разделы «Автоматизация», «Телемеханизация и связь», а также разрабатывать предложения по разукрупнению и техническому совершенствованию польдерных систем.
Анализ источников
Первыми работами по изучению гравитационной грунтовой воды являются работы Г. Д'Арси, впервые выполнившего опыты по фильтрации, и Ж. Де Пюи, который провел теоретические исследования. Основы общей теории гравитационной грунтовой воды заложены в научных трудах Н. Е. Жуковского и Н. Н. Павловского, создавших стройную теорию фильтрации. Дальнейшее развитие наука о фильтрации грунтовых вод получила в трудах П. Я. Полубариновой-Кочиной, разработавшей новые методы решения фильтрационных задач, В. И. Аравина, С. Н. Нумерова и других.
Понятия «Гравитационная вода» существуют в науке и практике давно, и сущность, вкладываемая в них, оправдывает себя при решении многих задач, возникающих в гидрогеологии, грунтоведении, гидромелиорации, почвоведении и других областях науки. Тем не менее, в определенных условиях возникали трудности оперирования этими понятиями. Так, Н. А. Качинским отмечается, что предпринимались попытки уточнения понятия «Гравитационная вода» [4].
На необходимость изучения сущности гравитационной воды указывал Р. Р. Чугаев: «...в области проблемы молекулярных явлений в жидкости в настоящее время существует целый ряд различных теорий и гипотез, поэтому вопрос о гравитационной воде следует считать еще недостаточно исследованным» [5]. Об этом же говорит и П. Я. Полубаринова-Кочина: «Этот вопрос мало исследован теоретически и не вполне еще ясен по физической его природе» [6].
С. Ф. Аверьянов отмечал, что в верхней зоне грунтовых вод могут существовать условия, когда свободная вода не является гравитационной [7].
Для выявления особенностей воды в верхней зоне грунтовых вод в условиях оперативного управления остановимся вначале на сущности, вкладываемой в современное понятие «Гравитационная вода», и выполним анализ этого понятий на основании требований теории управления [8].
Методы исследования
При проведении исследований использовалась существующая информационная база известных изобретений по совершенствованию конструкций измерителя уровня грунтовых вод, агротехнические, экологические и технико-экономические требования, предъявляемые к регулированию водного режима на польдерных системах.
На основании анализа и составления существующих конструкций производился синтез и отбор технических решений, повышающих качество и точность измерения УГВ.
Основная часть
Основным требованием к датчику современной системы управления уровнем гравитационной грунтовой воды (УГВ) является его способность отличать воду гравитационную от воды капиллярной [1]. Это требование должно выполняться в условиях оперативных изменений УГВ. Трудность здесь состоит в том, что при быстрых изменениях УГВ поверхность гравитационной воды несвободна, и также то, что она может быстро переходить из гравитационной в капиллярную и наоборот.
В поиске можно идти двумя путями [1]. Если возможно существование условия опережения поверхностью «нуль давления» поверхности свободной грунтовой воды, то в основу следует положить принцип распознания вида воды механическим разделением воды в вертикальном направлении на гравитационную и капиллярную. Если это условие отсутствует, то в основу следует положить принцип распознания вида воды без ее механического разделения - по положению поверхности «нуль давления».
Механическое разделение воды на гравитационную и капиллярную вызывает следующее требование - образование на границе между гравитационной и капиллярной водой свободной поверхности гравитационной воды. Это требование обусловливает необходимость первичного - входного элемента датчика, который бы решал первую часть задачи - отделял воду гравитационную от капиллярной, делая поверхность гравитационной воды свободной. Таким элементом является полость в грунте, геометрические параметры которой или способы ее применения позволят отделять гравитационную воду от капиллярной и делать это при разных отметках поверхности гравитационной воды. Вторая часть основной задачи - измерение положения полученной свободной поверхности требует наличия вторичного - выходного элемента датчика, который давал бы сигнал о высотном положении свободной поверхности гравитационной воды. Ввиду того, что первичный элемент известных датчиков -скважина отвечает полученному выше требованию наличия полости, то поиск начнем, отправляясь от существующей конструкции - скважины.
Одним из недостатков в известных датчиках является влияние продольных и поперечных размеров скважины на правильность показаний. Поэтому прежде всего для улучшения показателя динамичности скважины [1] выполним геометрические преобразования ее цилиндрической полости, сохраняя при этом полезную техническую функцию - «отделять воду гравитационную от капиллярной». При этом будем стремиться, чтобы статические и динамические свойства полученного элемента приблизились к аналогичным свойствам самого грунта.
Установлено [1], что длина скважины является в современном применении скважины отрицательным параметром. Лишим ее этого параметра полностью, т. е. приведем скважину к геометрическому вырождению. Сначала наметим ряд точек по высоте скважины через интервал, равный необходимой точности измерения, например, через 1 см. Затем, мысленно разрывая скважину на части, сожмем ее в вертикальном направлении к этим точкам до высоты чуть больше удвоенной высоты отгиба мениска воды в скважине для исключения влияния капиллярных явлений.
Известно, что эта последняя величина для материалов, применяемых в качестве труб для скважин, не превышает 2 мм. Тогда в результате указанного геометрического преобразования получим вертикальный ряд цилиндрических полостей в грунте. С учетом наличия в каждом таком цилиндре нижнего и верхнего менисков и необходимости наличия зазора между их взаимно ближайшими точками (для предотвращения смыкания их концов, могущему привести к вырождению полости) высоту одного цилиндра примем равной 5 мм (рис. 1).
Рис. 1. Элементарная цилиндрическая емкость для измерения уровня грунтовых вод: 1 - стенка скважины; 2 - мениск
Приняв расстояние между цилиндрами равным 5 мм, получим, что указанные выше точки на вертикали можно расположить через интервал 10 мм. Из [1] следует, что полученная высота цилиндрических полостей практически не влияет на проводимость грунта к одной (любой) из них при различных начальных положениях поверхности гравитационной воды, т. к. вертикальные размеры каждого такого цилиндра не превышают 5 мм. Поэтому сохраняем принятые размеры полости.
Свойства грунта могут изменяются по глубине. Тогда динамика наполнения верхнего цилиндра будет отличаться от динамики других цилиндров за счет образования разных депрессионных воронок и тем более по сравнению с самым нижним цилиндром. Для сведения этой разности к нулю работу цилиндров определим в ключевом режиме: да - нет. Отсюда вытекает, что в этом случае в каждом цилиндре необходимо фиксировать лишь появление в нем гравитационной воды. Для этого в описанном элементарном цилиндре расположим один вторичный элемент датчика - сигнализатор наличия свободной поверхности воды. В результате получена система, в которой отрицательное влияние длины скважины на точность слежения уровня гравитационной воды в скважине за уровнем гравитационной воды в грунте сведено до возможного минимума. Расстояние по вертикали между соседними сигнализаторами при этом будет влиять не на точность указанного слежения, а на крупность градации шкалы измерений.
Вторым отрицательным параметром скважины известных датчиков установлен ее значительный поперечный размер. Для минимизации влияния этого параметра на показатель динамичности уменьшим поперечные размеры полученных выше цилиндров. Этот минимальный размер должен быть больше, чем максимальный размер описанных цилиндров. В противном случае он сам станет капилляром и, следовательно, не отделит воду гравитационную от капиллярной, нарушив основной принцип - «механическое разделение воды». Это граничное значение поперечного размера капилляра в почво-грунте, как известно[2], не превышает 8 мм. Примем диаметр цилиндра 10 мм. Таким образом, влияние поперечных размеров скважины сведено к предельно минимальному.
Указанные геометрические преобразования скважины, следовательно, привели к созданию вертикальной гирлянды микроемкостей. Такая система, как показано выше, теоретически позволяет получить максимально возможную для принципа «Механическое разделение воды» аппроксимацию динамики и статики поверхности гравитационной воды в грунте мелиорированного участка.
Из-за указанного выше ограничения точности отсчета градацией шкалы увеличим эту точность. Точность отсчета ограничивается вертикальным расстоянием между основаниями микроемкостей, которое зависит от минимально возможной высоты самих микроемкостей. Высота микроемкости как параметр ее объема влияет на глубину и поперечный размер депрессионной воронки около микроемкости. Необходимо выполнить такое геометрическое преобразование гирлянды микроемкостей за счет уменьшения расстояния по вертикали между ними, чтобы не уменьшить минимально необходи-
мой высоты самой микроемкости и исключить влияние образования воронки за счет высоты микроемкости и ее поперечных размеров. Такое геометрическое преобразование возможно. Для этого следует, сближая две соседние микроемкости по вертикали, смещать их одновременно в разные стороны в горизонтальном направлении. Причем для достижения высокой точности датчика внешнюю микроемкость 2 (рис. 2) следует смещать на столько относительно микроемкости 1, образовавшей воронку 3, на сколько требуется для полного исключения взаимного влияния микроемкостей.
Рис. 2. Взаимное расположение микроемкостей для достижения максимальной точности измерения УГВ: а) вид в разрезе; б) план;
1,2 - микроемкости; 3 - депрессионная воронка В вертикальном направлении низ микроемкости 2 следует сместить на любую требуемую точность отсчета выше основания микроемкости 1. На мелиорированном участке земель для обеспечения одинаковых по отношению к динамике объекта управления условий работы микроемкостей их систему следует располагать по наклонной линии, лежащей в вертикальной плоскости, компланарной продольной оси регулирующего канала мелиоративной сети (рис. 3).
Рис. 3. Расположение микроемкостей датчика УГВ на мелиоративном объекте управления: 1 - микроемкости; 2 - вертикальная плоскость
В описанной системе не учтено влияние наполнения и опорожнения воздуха, т. к. емкости оказались герметичными. Это является препятствием в работе системы. Тогда для устранения указанного препятствия обеспечим сообщение каждой емкости с атмосферой. Осуществим это устройством вертикальных каналов минимально возможного диаметра от каждой емкости до поверхности земли. В этом случае, сохранив минимально необходимые поперечные размеры емкостей, мы увеличим их длину и фактически превратим опять в скважины, обладающие устраненным ранее недостатком -протяженной длиной. Исключим и этот недостаток. Используем положительное от предыдущей описанной системы микроемкостей - ключевой режим работы - сигнализировать лишь о появлении или исчезновении воды в емкости. Применив это положение к полученной системе микроскважин, будем фиксировать лишь появление воды на нижней границе скважины. Такой ключевой режим измерения исключает влияние на динамичность процесса поперечных размеров каждой скважины.
Заключение
Таким образом, разработан способ измерения УГВ. Он представляет собой фиксацию момента преобразования поверхности «нуль давления» в свободную поверхность гравитационной воды. В техническом отношении это осуществляется следующим образом. В данной точке местности устраивают систему микроскважин 1 (рис. 4) с обсадными трубами 2. Донья 3 труб не заглушивают, как принято, а делают водопроницаемыми и на них устраивают фильтры. Донья располагают внутри диапазона «а» изменения высотного положения поверхности гравитационной воды в грунте через интервал требуемой точности измерения «Ь». Наблюдательные скважины 1 указанной системы располагают в плане так, чтобы каждая из них была смещена горизонтально на расстояние «с» за пределы соседней депрессионной воронки, образующейся вокруг наблюдательной скважины при ее заполнении в процессе подъема поверхности гравитационной воды в грунте.
Рис. 4. Новая система измерения УГВ «Орган»
Известную операцию измерения изменяющегося высотного положения воды в наблюдательной скважине исключаем. Вводим операцию фиксации прибором 4 момента начала появления поверхности воды на поверхности фильтрующего дна скважины, отметка которого известна и постоянна. Последующую фиксацию указанного момента производим в той скважине, отметка дна которой является следующей по высоте. Способ позволяет осуществить достоверное измерение уровня грунтовых вод в неустановившихся режимах подъема поверхности грунтовых вод. Это особенно необходимо в настоящее время, в связи с необходимостью разработки систем управления гравитационной водой на мелиорированных землях, что прописано в постановлении Совета Министров Республики Беларусь №585 от 19.04.2010 г [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Кумачев, В. И. Мониторинг грунтовых вод / В. И. Кумачев. - Минск: Изд. ООО «Красико-Принт», 2003. - 88 с.
2. Качинский, Н. А. Физика почвы. Ч.11. Водно-физические свойства и режимы почв / Н. А. Качинский. - М., 1970. -358 с.
3. Приказ по Белорусскому государственному концерну по строительству и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем «БЕЛМЕЛИОВОХОЗ» №140 от 20.10.98 г. «О повышении эффективности функционирования польдер-ных систем и насосных станций».
4. Качинский, Н. А. Физика почвы. Водно-физические свойства и режимы почв / Н. А. Качинский. - М., 1970. -358 с.
5. Чугаев, Р.Р. Гидравлика / Р. Р. Чугаев. - Л.: Энергия, 1971. - 552 с.
6. Полубаринова-Кочина, П. Я. Теория движения грунтовых вод / П. Я. Полубаринова-Кочина. - М., 1952. -676 с.
7. Костяков, А. Н. Влияние оросительных систем на режим грунтовых вод / А. Н. Костяков, Н. Н. Фаворин, С. Ф. Аверьянов; под ред. А. Н. Костякова. - М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 446 с.
8. Фельдбаум, А. А. Методы теории автоматического управления / А. А. Фельдбаум, А. Г. Бутковский; под ред А. А. Фельдбаум. - М.: Наука, 1971. - 743 с.
9. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 19 апреля 2010 г. № 585 «Об утверждении перечня приоритетных направлений научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 гг.». - Минск, 2010.
УДК 631.6: [631.16:658.155]
В. В. ВАСИЛЬЕВ, О. А. ШАВЛИНСКИЙ
ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ
(Поступила в редакцию 10.07.2015)
В статье рассмотрены методические подходы оптимизации использования выделяемых ресурсов при эксплуатации мелиоративных систем и использовании мелиорированных земель. Выполнена оценка расчетной и фактической продуктивности мелиорированных земель Горецкого и Калинкович-ского районов с использованием предлагаемой экономико-математической модели. Использование предлагаемого подхода способствует получению более высокого экономического эффекта от использования средств, выделяемых на эксплуатацию мелиорированных земель и увеличению объема сельскохозяйственного производства в среднем на 20 %
Введение
На 1 января 2010 г. общая площадь осушенных земель в Республике Беларусь составила 3425,7 тыс. гектаров, или 74 % мелиоративного фонда переувлажненных земель, требующих проведения
The article describes methodological approaches to optimization of the use of resources allocated for the operation of melioration systems and the use of reclaimed land. We have estimated theoretical and actual productivity of reclaimed land in Gorki and Kalinkovichi districts with the proposed economic-mathematical model. The use of the proposed approach helps to ensure a higher economic effect from the use of funds allocated to the operation of reclaimed land and increase in agricultural production by an average of 20 %.
