Измерение и экономия оросительной воды

Майк Моррис и Вики Линн, специалисты по энергетике NCAT (1 дюйм = 2,54 см )

В этой публикации описывается, как определить чистую норму расхода воды для любой оросительной системы. Далее объясняется, как рассчитать количество часов, в течение которых система должна работать, описывается несколько способов измерения расхода воды в открытом канале или трубопроводе и предлагаются рекомендации по орошению при ограниченных запасах воды.

ВВЕДЕНИЕ

В этой публикации объясняется несколько способов измерения расхода оросительной воды. Легионы ирригаторов принимают решения о поливе сельскохозяйственных культур наугад, подражая соседям или “так, как это делалось всегда”. Если это звучит знакомо, эта публикация для вас.

Базовое понимание способности вашей системы подавать воду - это очень ценное знание, которое позволяет вам применять более научный подход к процессу орошения, добиваться большего контроля и начинать экономить воду без ущерба для урожайности сельскохозяйственных культур. Прежде всего, всем ирригаторам необходимо знать чистую норму расхода воды в их системе, измеряемую в дюймах в час или дюймах на орошение.

В этой публикации не рассматриваются некоторые столь же базовые навыки, необходимые для управления орошением. Все ирригаторы должны знать общие рекомендации по орошению для выращиваемых ими культур. Все ирригаторы должны знать, как проверять уровень влажности почвы. Большинство ирригаторов должны также отслеживать использование воды посевами (эвапотранспирацию) по ходу сезона. Ваша местная служба охраны природных ресурсов (NRCS), отдел распространения знаний или окружной офис по охране почв и водных ресурсов должны быть в состоянии помочь вам.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЧИСТОЙ ВОДЫ В ДЮЙМАХ НА КОМПЛЕКТ

Некоторые спринклерные системы и большинство систем поверхностного орошения подают воду в одном месте в течение определенного периода времени, прежде чем ее отключат или переместят в другую область поля. Этот период часто называют установленным временем. Другие спринклерные системы, такие как центральные шарниры и системы линейного перемещения, перемещаются более или менее непрерывно. Время их установки считается периодом, необходимым для покрытия всей орошаемой площади.

Хорошее управление орошением требует, чтобы вы знали, сколько воды оросительная система доставляет к корням культуры за определенный период времени. Затем вы можете настроить
продолжительность или частоту ваших поливов таким образом, чтобы количество воды, которое вы вносите в почву, равнялось количеству, израсходованному растениями.

Определение эффективности системы

В любой оросительной системе некоторое количество воды теряется или не поступает (по целому ряду причин) к корням растений. Например, вода теряется из-за глубокой фильтрации, ветрового переноса, стока и испарения во время внесения. Термин "чистый расход воды" относится к количеству воды (в дюймах глубины), которое ваша оросительная система фактически подает в корневую зону культуры во время севооборота. Для расчета чистого расхода воды вы начинаете с общего количества поданной воды и умножаете его на эффективность системы.

В таблице 1 показаны достижимые показатели эффективности системы для некоторых оросительных систем: процент воды, которая фактически поступает в корневую зону и остается в ней.

Это всего лишь средние значения для хорошо управляемых и обслуживаемых систем. Структура почвы сильно влияет на то, насколько эффективность вашей системы сопоставима с приведенными ниже диапазонами. В ситуациях, когда истинную эффективность применения трудно оценить, измеренная равномерность распределения (DU) может быть наиболее точным значением “эффективности системы” для использования в приведенных ниже формулах и расчетах. DU измеряет, насколько равномерно вода проникает в почву в различных частях поля. Обратитесь в местное отделение NRCS или в район охраны почв и водных ресурсов за помощью в измерении вашего DU.

Сокращенный метод для большинства спринклерных систем

Чтобы оценить чистый расход воды в дюймах на комплект для большинства спринклерных систем (но не поворотных), вы можете просто воспользоваться следующими двумя таблицами. Используйте таблицу 2 для преобразования размера сопла и давления в галлоны в минуту (gpm). После того как вы определили расход в gpm, используйте таблицу 3 (вместе с правильным интервалом для вашей системы), чтобы определить общий расход воды вашей системой в дюймах в час. Затем умножьте это число на эффективность вашей системы и установите продолжительность, чтобы найти применение чистой воды.

Рисунок 1. Расстояние между разбрызгивателями с ручным перемещением

Например, рассмотрим систему бокового опрокидывания с новыми форсунками диаметром 9/64 дюйма и рабочим давлением 40 фунтов на квадратный дюйм (фунт /кв. дюйм), с расстоянием между разбрызгивателями 40 на 40 футов (см. Рисунок 1) и 11-часовым временем настройки при КПД системы 65 процентов.

В таблице 2 найдите сопло диаметром 9/64 дюйма слева и прочитайте до цифры ниже 40 фунтов на квадратный дюйм. Это число равно 3,7 gpm.

Затем, используя таблицу 3, найдите слева расстояние 40 на 40 футов и прочитайте до столбцов 3 gpm и 4 gpm. Поскольку 3,7 gpm - это чуть больше половины среднего значения, оцените общий расход воды в 0,22 дюйма в час. Умножьте 0,22 на 11 часов — установленную продолжительность — и на 0,65 — процент эффективности системы.

Расход чистой воды: 0,22 × 11 × 0,65 = 1,6 дюйма на комплект.

Вы можете оценить чистый расход воды в дюймах на комплект для любой оросительной системы, если знаете расход воды в системе, площадь орошения и эффективность системы. Расчет описан на следующих страницах.

Внимание: Значения в таблице 2 основаны на новых форсунках. Расход из изношенных форсунок может значительно отличаться от этих значений.

Определение расхода

Иногда бывает трудно оценить расход для систем поверхностного орошения, но возможны несколько методов.

• Канава или трубопровод: измерение низких расходов с помощью одного из устройств для измерения расхода, описанных далее в этой публикации.
• Системы с бороздами: Измерьте расход с помощью одного из доступных портативных измерительных устройств. Или зафиксируйте расход в одной борозде в ведре известной вместимости и измерьте время, необходимое для заполнения ведра. Если вам известен общий расход в систему борозд, вы можете разделить это количество на количество борозд, чтобы найти расход в каждой борозде.
• Сифонные трубки: Посмотрите расход на диаграмме напора и расхода сифонной трубки.

Чтобы рассчитать расход для большинства спринклерных систем, вам нужно знать среднее значение gpm на спринклер. Для центральных шарниров расход изменяется по длине боковой трубы, и вам нужно знать gpm для всего шарнира.

Если ваша спринклерная система относительно новая, а форсунки мало изношены, вы можете использовать общую расчетную частоту вращения вашей системы для оценки расхода. Однако имейте в виду, что расчетные показатели не учитывают увеличение расхода (иногда значительного) из-за износа форсунок и колебаний давления. Разделите расчетную частоту вращения на количество работающих разбрызгивателей в вашей спринклерной системе, чтобы получить среднюю частоту вращения каждого разбрызгивателя. Для шарниров используйте расчетную частоту вращения для всего шарнира.

Более точный способ определения расхода для вашей спринклерной системы, особенно если это более старая система, — это провести простое испытание ковша. (См. Приложение.)

Поиск орошаемой площади

Для большинства систем поверхностного орошения орошаемая площадь - это просто вся площадь поля. Для систем с бороздами вы можете использовать длину и расстояние между бороздами для оценки орошаемой площади. (Смотрите пример ниже.)

Для большинства спринклерных систем найдите площадь в квадратных футах, поливаемую одним спринклером, обычно описываемую как расстояние в футах между разбрызгивателями на линии, умноженное на расстояние в футах между клапанами магистрального стояка. Типичные площади составляют 30 на 50 футов или 40 на 60 футов. (Пример смотрите на рисунке 1.) Для точек поворота используйте всю площадь очистки в акрах и умножьте на 43 560. (Перевод акров в квадратные футы.)

Расчет чистого расхода воды на комплект

Чтобы рассчитать чистый расход воды в дюймах на комплект для любой оросительной системы, используйте следующую общую формулу:

Колесная линия, ручная линия, концевой буксир: Используйте среднюю скорость потока (gpm) для одной форсунки.

Сильное наводнение: используйте общую площадь затопления и общий сток.

Пример:

Семь 24-часовых дней, расход 800 gpm,
поле площадью 40 акров, эффективность системы 20%

7 x 24 x 800 x 96,3 x 0,20 = 1,5 дюйма нетто
40 x 43 560 расход воды

Центральная поворотная система: используйте общий поворотный поток

Пример:

50-часовой оборот, скорость 900 об/мин, поле площадью 130 акров (= 5662 800 футов ^ 2), эффективность системы 75%

50 x 900 x 96,3 x 0,75 = 0,6 дюйма чистой воды
5 662 800 применений на комплект
Примечание: Приведенный выше пример линии колеса представлял собой расход для одного сопла, разделенный на площадь, покрываемую одним соплом. В формуле pivot используется расход для всего pivot, деленный на площадь, охватываемую entire pivot. Результат тот же – дюймы на комплект.

Профилированные борозды: используйте длину борозд и расстояние между ними.

Пример:

11-часовой набор, расход 10 gpm на борозду, борозды длиной 660 футов и шириной 3 фута, эффективность системы 50%

11 x 10 x 96,3 x 0,50 = 2,7 дюйма нетто
3 x 660 расхода воды

Стационарный разбрызгиватель big gun: Расход для каждого разбрызгивателя.

Пример:

10-часовая настройка, скорость 78 об/мин, интервал 120' x 120', эффективность системы 50%

10 x 78 x 96,3 x 0,50 = 2,6 дюйма чистой воды
120 x 120 применений на комплект

Передвижной разбрызгиватель big gun: Используйте следующую формулу:

Чистая вода = gpm x 1,6 x эффективность (%)
применение S x W

где W = ширина между полосами движения в футах и S = скорость движения в футах в минуту (fpm)

Пример:

расстояние между полосами движения 300 футов, скорость движения 0,4 об/мин, 400 gpm, эффективность системы 60%

400 x 1,6 x 0,6 = 3,2 дюйма чистого расхода воды
0,4 x 300

Определение правильного установленного времени

Используйте ту же базовую формулу, что и выше, чтобы определить, сколько времени требуется для подачи желаемого
количества воды, указав количество воды, которое вы хотите подать, в графе “расход чистой воды”.

Для систем поверхностного орошения может быть проще использовать следующую чрезвычайно удобную формулу:

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ

Вы можете измерить расход воды в открытом канале или трубопроводе, используя один из приведенных ниже методов. Вы также можете измерить воду с помощью простого теста ведром в том месте, где разбрызгиватели подают ее на поле (см. Приложение).

Измерение расхода в открытом канале

Методы открытого канала обычно основаны на такой конструкции, как плотина, желоб или отверстие, установленные в канале. Эти сооружения обычно включают в себя один или несколько штатных датчиков
(также пишутся манометры), установленных либо на самом сооружении, либо в соседнем затворном колодце для определения глубины воды. (Манометр — это просто вертикальный манометр— напоминающий обычную линейку, помеченный цифрами, указывающими глубину воды.) Используя таблицу для конкретного размера и типа сооружения, вы просматриваете измеренную глубину и преобразуете ее в расход. Теперь доступны более дорогие, но более точные электронные измерительные устройства, обеспечивающие непрерывное измерение расхода и запись.

Большинство устройств для измерения расхода в открытых каналах работают только в ограниченных условиях. Конструкция, подходящая для реки или крупного канала, не будет лучшим выбором для небольшой канавы. Здесь рассматриваются лишь некоторые из наиболее распространенных методов измерения расхода по небольшим каналам, канавам и отводам от ферм. 

Для обеспечения точности место измерения должно соответствовать ряду условий:

• Канава или канал должны иметь неглубокий уклон с относительно прямым участком вверх по течению и равномерным поперечным сечением, небольшой турбулентностью и тихим течением.
• Для плотин требуется больший уклон, чем для желобов или затопленных отверстий.
• Местоположение не должно приводить к образованию отложений, скоплению мусора или затоплению прилегающих территорий.

При выборе системы измерения воды учитывайте стоимость, точность, простоту измерения, требования к конструкции и обслуживанию, а также государственные или местные законы и нормативы в области водных ресурсов.

Водосливы просты в конструкции, установке и использовании, но требуют достаточного уклона канавы, чтобы вода могла свободно стекать со сооружения на поверхность воды ниже по течению. В случае прямоугольных и трапециевидных водосливов вода протекает через прямоугольную или трапециевидную выемку с острыми краями. В случае водосливов с v-образным вырезом вода протекает через выемку с острыми краями (обычно) под углом 90 градусов. Этот водослив особенно хорош для обработки широкого диапазона потоков.

Желоба представляют собой более сложную конструкцию, чем водосливы, и включают в себя суженный участок горловины, что требует тщательной конструкции и монтажа. Желоба используются там, где уклоны канав относительно ровные. Они все еще могут быть относительно точными даже при погружении в воду.

Желоба Parshall — одного из наиболее распространенных типов — требуют лишь около четверти
уклона канавы, необходимого для водосливов, и могут выдерживать широкий диапазон потоков. Безжалостные желоба представляют собой разновидность желоба Parshall “без горла”, что упрощает конструкцию.

Рисунок 3. Канал Паршалла

Погружные отверстия часто используются там, где уклон канавы недостаточен для водосливов. Как правило, они стоят дешевле, чем водосливы, и могут помещаться в ограниченном пространстве, но подвержены накоплению мусора. Вода, текущая через отверстие, отводится ниже поверхности воды ниже по течению. Чтобы это устройство было точным, оно должно быть погружено в воду. Измерительный затвор, разновидность погружного отверстия, может использоваться для отвода воды с фермы. Заслонка может использоваться для измерения расхода, закрываться для перекрытия потока или устанавливаться в различных положениях для уменьшения или увеличения расхода.

Рисунок 4. Наклонный желоб

Выбрать, установить и использовать водосливы, желоба и погружные отверстия несложно. Однако для получения точных результатов необходимо правильно установить эти устройства, регулярно их обслуживать, использовать надлежащие методы измерения и использовать правильные калибровочные кривые и таблицы. Возможно, вам сможет помочь ваш местный NRCS, отдел распространения знаний или окружной офис по охране почв и водных ресурсов.

Измерение расхода в трубопроводе

Расход в трубопроводе можно измерить очень точно, если правильно установить и использовать измерительное устройство. Эти устройства нуждаются в периодической калибровке и техническом обслуживании, а вода должна быть относительно (в некоторых случаях очень) чистой. Для точного измерения требуется полный расход воды в трубе.

Расход в трубопроводе измеряется либо с помощью встроенных устройств (расположенных внутри трубы или вставленных через стенку трубы), либо с помощью внешних устройств. Интрузивные расходомеры включают в себя расходомеры с трубкой Вентури, соплом и диафрагменной пластиной, которые измеряют расход через сужение внутри трубы. Ни у одного из них нет движущихся частей. Они не требуют особого обслуживания в условиях чистой воды и устанавливаются непосредственно в трубопровод.

В пропеллерных счетчиках используется многолопастный пропеллер, расположенный внутри трубы. Пропеллерные счетчики могут пропускать некоторое количество мусора, но даже умеренное количество может загрязнить лопасти.

Трубки Пито вставляются сбоку трубы. Для их использования требуется просверлить отверстие в трубе (позволяющее вставить трубку), что делает их менее удобными и распространенными, чем пропеллерные счетчики.

Неинтрузивные (внешние) расходомеры посылают ультразвуковые или акустические волны по трубе и производят очень точные измерения доплеровского сдвига или времени прохождения для расчета расхода. Эти устройства крепятся снаружи к стенке трубы (физически в трубу ничего не вставляется), что делает их чрезвычайно быстрыми и удобными в использовании. В настоящее время на рынке представлено несколько типов ультразвуковых счетчиков. Они стоят дорого, в диапазоне от 1500 до 10000 долларов, хотя цены падают, и для точных измерений требуется определенная подготовка.

Орошение при ограниченных запасах воды

При нехватке запасов воды:

• Не переоценивайте воду. Узнайте влагоудерживающую способность ваших почв, их допустимое истощение, а также эффективную глубину корнеплодов и критические стадии роста
  ваших культур.
• Сосредоточьте орошение на критических стадиях роста. В зависимости от культуры обычно наблюдается один из двух типов реагирования на стресс от засухи:
  • Семенные культуры, зерновые и масличные культуры наиболее чувствительны к стрессу засухи во время цветения или формирования семян и относительно нечувствительны в период раннего вегетативного роста. В начале формирования семян проводите достаточный полив, чтобы урожай прошел через заделку семян.
  • Многолетние культуры, выращиваемые в основном на корм, и некоторые корнеплоды относительно нечувствительны к умеренному стрессу от засухи в течение коротких периодов в течение вегетационного периода. Они могут оправляться от периодов стресса с небольшим снижением урожайности. Сосредоточьтесь на орошении в периоды максимального роста.
• Поливайте в начале сезона. Заполните корневую зону до того, как наступит жаркая погода.
• Оставьте место в почве для осадков. Пожнивные остатки и покровные культуры помогают улавливать снег и дождь и уменьшают испарение.
• Стремитесь к оптимальной, а не максимальной урожайности (т.е. наибольшей урожайности при наименьших затратах).
• Сажайте засухоустойчивые культуры или быстро созревающие культуры, которым требуется большая часть воды в начале сезона.
• Сократите объем орошаемой земли и используйте сэкономленную воду на оставшейся части или уменьшите количество воды, которое вы применяете на всей орошаемой площади.
• Поливайте каждую вторую борозду, переключаясь при каждом поливе. Вы по-прежнему будете получать воду на одну сторону каждого ряда, обычно расходуя гораздо меньше воды.