Лекція 11. Автоматизація осушувальних і осушувально-зволожувальних систем

При   комп’ютер починає вираховувати   - розрахункове дозволоження ґрунту. Коли кількість опадів   досягне значення  , комп’ютер видасть сигнал у виді напруги  , яка забезпечить перевід регулятора з режиму підпору в режим стоку. В результаті надлишкова вода через осушувальну мережу почне поступати на скид.

Після припинення опадів під дією сумарного випаровування вологість ґрунту почне зменшуватись і коли вона стане рівною  , комп’ютер зніме сигнал   і регулятор переведе систему в режим підпору. Одночасно поступить сигнал   на спорожнення опадоміра. Цим будуть забезпечені бажане накопичення вологи в ґрунті і підготовка системи керування до подальшої роботи.

Описана система керування забезпечує мінімальний час перезволоження кореневмісного шару, який дорівнюватиме часу транзиту надлишкової вологи через нього. Використання комп’ютера забезпечить не тільки високу надійність і точність, але і робить систему керування гнучкою, так як дозволить оперативно змінювати   і   з ростом рослин. Окрім того, можна передбачити вивід на екран дисплея зміну вологості і рівня ґрунтових вод при випаданні опадів та подальшому осушенні.

 

Коли природне формування вологості в ґрунті у вегетаційний період таке, що в окремі проміжки часу між випаданням опадів вологість кореневмісного шару знижується під дією сумарного випаровування нижче мінімально-допустимого значення, то необхідно проводити зволоження. Штучне зволоження можна здійснювати шляхом підґрунтового зволоження або поверхневим зрошенням.

Системи, які забезпечують відвід надлишкової вологи із кореневмісного шару і зволоження при її недостачі, називаються осушувально-зволожувальними системами. Конструкції таких систем бувають різними і визначаються засобами керування процесами руху вологи в ґрунті.

Вперше осушувально-зволожувальна система з автоматичним регулюванням водного режиму шлюзуванням на площі 800 га була побудована у 1978 р. на землях Поліської дослідної болотної станції. Шлюзування здійснювалось за допомогою регульованих перегороджуючих споруд, обладнаних електроприводом. Для регулювання стоку застосовувались коробчасті колісні затвори, а для регулювання водоподачі – колісні плоскі затвори.

Система передбачає два режими роботи: скидання паводкових вод з масиву й автоматичне регулювання рівня ґрунтових вод між дренажами. В період скидання паводкових вод усі затвори стоку і шлюз на магістральному каналі МК відкриваються, а затвори водоподачі і шлюз на зволожувальному каналі ЗК закриваються. При спаді паводка, рівень якого контролює оператор за допомогою засобів телемеханіки, усі споруди переводяться на роботу в автоматичному режимі: шлюз на магістральному каналі автоматично регулює рівень води у верхньому б'єфі, шлюз на зволожувальному каналі – у нижньому б'єфі, а скидні споруди перекриваються до відміток, які відповідають необхідним нормам осушення полів (рис. 11.2). У цей час, зазвичай, рівень ґрунтових вод менше норми осушення і надлишкова вода через скидні споруди надходить у магістральний канал і відбувається процес осушення.

 

При осушенні зміна рівня ґрунтових вод описується рівнянням несталої фільтрації, і його рішення необхідне для вибору раціональної системи автоматичного регулювання і визначення її параметрів.

На площі, що обмежена двома регулюючими каналами і де відсутнє додаткове живлення (рис. 11.2, а), зміна рівня ґрунтових вод z(x, t) описується рівнянням в часткових похідних:

 /11.3/

де а – коефіцієнт п’єзопровідності.

Рівність /11.3/ записана для площини відліку на відмітці рівня води в каналах. Для його рішення необхідно задати початкові і граничні умови. В якості початкової умови можна прийняти деякий заданий розподіл:

 

 /11.4/

Між каналами справедлива умова

 /11.5/

 

Оскільки канал не повністю прорізує водоносний шар, то це прийнято враховувати введенням у контур каналу зосередженого

 

Рис. 11.2. Динаміка рівнів ґрунтових вод: а – при осушенні; б – при зволоженні.

фільтраційного опору, який можна представити у виді

 /11.6/

де α – коефіцієнт фільтраційного опору.

Розв’язати рівняння /11.3/ при початкових і граничних умовах /11.4/ – /11.6/ можна методом поділу змінних. Якщо ввести безрозмірні змінні

 

то рішення (11.3) має такий вигляд:

 /11.7/

де  ;  ; – корені трансцендентного рівняння,

 /11.8/

Коренями рівняння /11.8/ є точки перетину кривих   і гіперболи  . Очевидно, що існує нескінченне число коренів рівняння /6.8/, які позначаємо як   (і=l, 2, 3...).

Рівняння /11.7/ описує зміну в часі ґрунтових вод у міжканальній смузі при початковому розподілі f(x). Якщо деякий час рівні ґрунтових вод і води в каналах однакові, а потім рівень у каналах понизити до  , то можна вважати  . У цьому випадку рівняння /11.7/ приймає вид

 /11.9/

 

Підставивши в /11.9/  , одержуємо закон зміни рівня ґрунтових вод по середині між каналами у виді

/11.10/

За рівнянням /11.10/ можна побудувати залежність   і з її допомогою визначити відносний час  , за який рівень ґрунтових вод понизиться на необхідне значення  . Дійсний час, за який понизиться рівень ґрунтових вод і який називають часом осушення,

 /11.11/

Якщо час   виявиться більшим допустимого часу перезволоження грунту, то, як це випливає з /11.11/, його можна зменшити за рахунок зменшення віддалі між каналами або збільшення перепаду рівнів  . Оскільки рівняння /11.10/ отримано