Лекція 11. Автоматизація осушувальних і осушувально-зволожувальних систем

 

Динаміка рівня ґрунтових вод при зволоженні. У розглянутій системі при зниженні рівня ґрунтових вод до нижньої межі   рівень води в регулюючих каналах підвищують до   (рис. 11.2,б). З цього моменту починається режим зволоження.

Динаміка ґрунтових вод при зволоженні і відсутності випаровування наближено описується рівнянням /11.3/. Початковою умовою у цьому випадку є положення рівня ґрунтових вод наприкінці осушення. Рівняння, що описує зміну в часі рівня ґрунтових вод посередині між зволожувачами, як і при осушенні, являє собою нескінченну суму експоненціальних функцій, яку за певних умов наближено можна апроксимувати одною експонентою, зміщеною відносно початку координат на відрізок часу  . Можливість такої заміни підтверджена експериментально.

 

Рис. 11.3. Криві зміни рівня ґрунтових вод посередині між зволожувальними каналами при різній інтенсивності випаровування.

На рис. 11.3 показані зняті експериментально В. І. Кумачьовим криві зміни рівня ґрунтових вод посередині між зволожувальними каналами для торфа, що підстилається дрібнозернистими пісками, які у міру поглиблення переходять у грубозернисті з гравієм і галькою. Потужність водоносного шару 30 м. Крива 2 відповідає інтенсивності випаровування Е=2,1 мм/добу, крива 3 – Е=4,5 мм/добу. Різниця рівнів   у процесі зняття кривих підтримувалася сталою.

Розбіжність кривих 2 і 3 обумовлена різною інтенсивністю випаровування. Очевидно, що при Е=0 крива зміни рівня ґрунтових вод пройде вище експериментальних кривих і з часом буде асимптотично наближатися до   (крива 1). Цю криву можна прийняти за перехідну характеристику об'єкта регулювання, для якого керуючим впливом є початкова різниця рівнів  , а регульованою величиною – рівень ґрунтових вод по середині міжканальної смуги. В інших перерізах перехідні характеристики мають аналогічний вигляд, але їх нахил збільшується при наближенні розрахункового перетину до зволожувача, що характерно для об'єктів з розподіленими параметрами.

Перехідну характеристику z(0,t), як це показано на рис. 11.7, можна апроксимувати експонентою з постійною часу  , зміщеною відносно початку координат на  .

Зсув у часі сигналів керування створює ланка зі сталим запізненням, перехідна характеристика якої описується рівнянням, а експонента є перехідною характеристикою інерційної ланки.

 

Рис. 11.4. Структурна схема меліорованого поля як об’єкта регулювання при зволоженні.

 

Тому меліороване поле в режимі зволоження при регулюванні рівня ґрунтових вод у заданому перерізі довгої міжканальної смуги можна наближено представити послідовним з'єднанням ланки зі сталим запізненням і інерційної ланки з коефіцієнтом підсилення k=l (рис. 11.4).

Відповідно передаточна функція послідовного з'єднання ланок дорівнює добуткові передаточних функцій цих ланок. Отже, передаточна функція розглянутого об'єкта регулювання має вид

 /11.12/

Передаточній функції /11.12/ відповідає система рівнянь

  /11.13/

де   – вихідна величина ланки зі сталим запізненням. Залежності, представлені на рис. 11.3, зняті при швидкому підніманні рівня води в регулюючих каналах. У дійсності на швидкість наповнення регулюючих і провідних каналів накладаються обмеження щодо розмиваючих течій вод в каналах. Це призводить до додаткового запізнення початку піднімання рівня ґрунтових вод на час  , який залежить від рівня води у зволожувальному каналі, ступеня відкриття водовипускної споруди і в ємності каналів. Його можна розрахувати теоретично або визначити експериментально при наповненні каналів до заданої відмітки. З урахуванням додаткового запізнення передаточна функція меліорованого поля з мережею зволожувальних каналів має вигляд

  /11.14/

Запізнення   приблизно дорівнює часу від моменту відкриття водовипускної споруди до початку зміни рівня ґрунтових вод у середньому перетині. Стала часу об'єкта   характеризує його інерційність, тому величину   називають швидкістю розгону.

 

Керованість і закон регулювання. Керованість меліорованого поля як об'єкта системи автоматичного регулювання характеризується ступенем впливу керуючої дії на зміну регульованої величини. Для об'єктів зі сталим запізненням коефіцієнт керованості

 . /11.15/

При   об'єкт є некерованим. Якщо  , то можливо автоматичне керування об'єктом, і чим більше  , тим вища керованість. Для меліорованого поля   і  . При зволоженні, зазвичай   більше  , тому меліороване поле з мережею регулюючих каналів кероване за рівнем води в каналах.

Окрім керованості за керуючим впливом об'єкт повинний бути керованим і за збуренням. Для визначення керованості за збуренням розкладемо основне збурення (випаровування) на складові: стохастичну зміну інтенсивності випаровування протягом доби; циклічну зміну інтенсивності з періодом 24 год.; і складову, яка повільно змінюється, і яка залежить від розвитку рослин. Тому що   значно більше часу дії стохастичних збурень, то по цьому збуренню об'єкт некерований, тобто зменшити зміну рівня ґрунтових вод, викликану цими збуреннями, регулятор не може. Щоб ці збурення не викликали формування помилкових керуючих впливів, зона нечутливості системи регулювання повинна бути більшою зміни рівня ґрунтових вод, зумовленої змінами випаровування впродовж доби. Якщо   менше доби, то стосовно інших складових об'єкт керований.

Найбільш сприятливі умови для розвитку рослин створюються за умови, що вологість кореневмісного шару періодично змінюється в оптимальних межах:

  /11.16/

де   – відповідно верхня і нижня межі вологості. Для більшості сільськогосподарських культур межі   встановлені експериментальним шляхом.

Зміна вологості в межах   при відомій інтенсивності випаровування можна забезпечити зміною рівня ґрунтових вод у діапазоні  . Для обчислення   використовують рівняння вертикального ізотермічного вологопереносу /11.2/. Його рішення для ряду значень рівня ґрунтових вод при розрахунковому сумарному випаровуванні   дає сімейство кривих зміни вологості по профілю W(z) (рис. 11.5). По цих кривих для середньої точки   розрахункового шару (0...30 см або 30...50 см) визначають рівні ґрунтових вод   і  , що відповідають межам вологості  . Різниця   називається діапазоном регулювання рівня

 

Рис. 11.5. Криві зміни вологості по профілю.

 

Рис. 11.6. Графіки для визначення коефіцієнтів Аверьянова.

ґрунтових вод при розрахунковому випаровуванні  .

Якщо інтенсивність сумарного випаровування Е відрізняється від розрахункового значення  , то при діапазоні регулювання рівня ґрунтових вод   граничні вологості   зміщаються. У випадку   зміщується у бік менших значень вологості, при   – у бік великих значень. Тому регулювання за рівнем ґрунтових вод забезпечить лише наближено оптимальні зміни вологості у розрахунковому шарі ґрунту.

При регулюванні за рівнем ґрунтових вод шлюзуванням зв’язок між   і рівнями води у зволожувальних каналах у любий момент часу виражають депресивні криві. Рівень ґрунтових вод по середині між зволожувачами і при напорі Н можна визначити за формулою Аверьянова:

  /11.17/

Із рівняння /11.17/ визначають рівень води в каналі  , при якому піднімання рівня ґрунтових вод відбудеться до   за час  :

  /11.18/

де Ε – випаровування ґрунтових вод, м/добу; L – половина віддалі між зволожувачами, м; k – коефіцієнт фільтрації, м/добу;   – віддаль від дна каналу до водоупору, м;   – коефіцієнт вісячості;   і   – коефіцієнти, які визначають з кривих (рис. 11.6) у залежності від відносного часу t, рівного відношенню часу піднімання рівня ґрунтових вод   до часу їх стабілізації  .

Коефіцієнт вісячості враховує положення зволожувального каналу відносно водоупору і виражається залежністю

  /11.19/

де b – ширина каналу по дну, м;   – глибина води в каналі до початку зволоження.

Час стабілізації потоку ґрунтових вод в добах

 , /11.20/

де μ – недостача насичення ґрунту.

Сталий процес піднімання рівня ґрунтових вод при   настає, якщо   (рис. 11.7). При цьому   і  . Підставивши в /11.18/   і  , знаходять рівні води у зволожувальних каналах  , що відповідають рівням ґрунтових вод   і  . Різниця   визначає діапазон регулювання рівня води в каналах.

Коли   більше часу допустимого підтоплення шару на глибині 0,3...0,5м у приканальній смузі, рівного 2...5 доби, то   необхідно зменшити за рахунок збільшення  . Максимальний рівень води в каналі   повинний бути на 0,3...0,5 м нижче бровки. Для прийнятих значень   і   рівняння /11.18/ приймає вид

  /11.21/

Використовуючи криві, показані на рис. 11.7, методом підбору можна знайти відносний час  , що задовольняє рівнянню /11.21/. Мінімальний час піднімання рівня ґрунтових вод  . Час   повинний бути меншим часу  . Якщо  , то необхідно зменшити відстань між зволожувальними каналами. Підставивши в /11.21/   і  , що відповідають   одержують рівняння для визначення відстані між каналами:

  /11.22/

 

Рис. 11.11. Криві зміни рівня ґрунтових вод при різних рівнях води у зволожувальних каналах.

 

Крім розглянутої методики, встановити межі зміни рівня води в каналах, які відповідають діапазону регулювання рівня ґрунтових вод  , можна і в такий спосіб: за рівнянням /11.17/ побудувати сімейство кривих z=f(t) для ряду значень  ; (рис. 11.11) і з них визначити   для бажаного часу зволоження.