Лекція 4. Автоматизація осушувально-зволожувальних систем з трубчастим дренажем. Оптимальне за швидкістю керування водним режимом.

 

Вона забезпечує автоматичне керування водно-повітряним режимом за рівнем ґрунтових вод.

Вузол складається (рис. 9.) з аванкамери 3, помпової станції 7, чотирьох шлюзів (2, 4, 12 і 13), трьох засувок (8, 9 і 10), трубопроводів 6 і 11. Шлюзи і засувки мають електричний привод, керований за допомогою типових шаф керування.

Рис.9. Схема водорегулювального вузла.

 

Інформаційне забезпечення вузла включає електродні давачі рівнів ґрунтових вод, встановлених у вимірювальних колодязях на обох меліорованих масивах, давачі рівнів води в каналах і аванкамері і давач опадів. Давачі рівня ґрунтових вод контролюють три рівні (нижні, середні і верхній), а давачі в каналах і аванкамері – два рівні (нижній і верхній).

Принцип роботи водорегулюючого вузла полягає у наступному. При підніманні рівня ґрунтових вод до верхньої межі від давача надходить електричний сигнал, який призводить до відкриття шлюзів 4, 12 і засувки 10 на напірному трубопроводі 11. Вода з колекторних каналів 5 почне поступати у аванкамеру 3. Коли рівень води в аванкамері досягає верхнього електрода, включаються помповий агрегат, який перекачує воду по трубопроводу 11 у магістральний канал 1. Оскільки швидкість перекачки води більша, ніж швидкість фільтрації води з полів, то рівень води у аванкамері знижується, і коли він опуститься до нижньої позначки, давач рівня пошле сигнал на зупинку помпового агрегату. З часом рівень води у аванкамері підніметься до верхньої позначки і цикл перекачки повториться. Так відбуватиметься процес осушення доти, доки рівні ґрунтових вод не опустяться до позначки, яка відповідає нормі осушення. У цей час давач рівня ґрунтових вод пошле сигнал на закриття шлюзів 4, 12 і засувки 10.

При зниженні за рахунок сумарного випаровування рівня ґрунтових вод до позначки, яка відповідає мінімально допустимій вологості, з давача рівня ґрунтових вод надходить сигнал, що зумовлює відкриття шлюзів 2, 13 і засувок 8 і 9. Вода з магістрального каналу надходить в аванкамеру і відтіля помповим агрегатом подається в колекторні канали. При підніманні рівня води в каналах до верхньої межі агрегат відключається. Під дією інфільтрації рівень знижується, і, коли досягає нижнього електрода, знову включається в роботу помпа. Так за рахунок періодичного наповнення каналів піднімається рівень ґрунтових вод. При досягненні ним відмітки, яка відповідає нормі зволоження помпа відключається, шлюзи 2, 13, і засувки 8 і 9 закриваються. З часом вологість ґрунту знижується до мінімально допустимого значення і цикл підгрунтового зволоження повторюється.

При значних опадах водорегулюючий вузол може переводитись у режим осушення за сигналом давача опадів в залежності від положення рівня ґрунтових вод і рівнів води в колекторних колонах. Визначити кількість опадів, при якій вузол переводиться в режим осушення, можна за формулою /1/.

У тих випадках, коли в засушливі періоди року води у магістральному каналі недостатньо для зволоження, влаштовують наливне водосховище, куди перекачують воду при осушенні. Воду цього водосховища використовують для зволоження.

Автоматичне регулювання водного режиму за допомогою водорегулюючих вузлів зменшує технологічні скидання води, знижує експлуатаційні витрати і підвищує врожайність сільськогосподарських культур на 15...30%. Один вузол може обслуговувати до 1000 га землі.

 

 

5.1. Постановка задачі

Динаміка рівня ґрунтових вод на осушувально-зволожувальних системах, в основному, визначається конструкцією системи, фільтраційними властивостями ґрунту і напором. У якості керуючого параметра, зазвичай, приймають напір. Змінюючи його, можна забезпечити бажаний характер зміни рівня ґрунтових вод, і, як наслідок, вологість кореневмісного шару.

Якщо зміна рівня ґрунтових вод задана у виді деякої функції часу   у перетині   міждренного простору, то, перетворивши   відповідно до передаточної функції зони ґрунтових вод  , одержимо необхідний закон зміни напору:

 , /5/

де   – символ операції диференціювання.

Якщо в   входить запізненя, то H(t) необхідно змінювати з випередженням на час, рівний запізненню.

При зміні режимів роботи осушувально-зволожувальних систем часто ставиться задача зміни рівня ґрунтових вод на   за мінімально можливий час при заданих технологічних обмеженнях, якими, звичайно, є розподіл рівня ґрунтових вод між дренами, напір, швидкість руху води в каналах, запас вологи й інші параметри.

Знаючи математичну модель зони ґрунтових вод і обмеження, що накладаються, за допомогою методів теорії оптимального керування об'єктами з розподіленими параметрами можна знайти керуючий вплив, який забезпечить зміну рівня ґрунтових вод між дренами з початкового стану   у новий сталий стан   за мінімально можливий час. Таке керування називається оптимальним за швидкодією.

 

Динаміка рівня ґрунтових вод під дією керуючого впливу у виді напору H(t) описується рівнянням виду /3/. При обмеженні напору   оптимальне за швидкодією керування зволоженням має ступінчастий характер (рис.10, а).

 

Рис. 10-. Графіки напору (а) і рівня ґрунтових вод (б) при оптимальному за швидкодією керуванні.

 

Оптимальне керування характеризують криві на рис. 10. При граничному напорі   рівень ґрунтових вод буде підніматися з максимальною інтенсивністю (крива 2). Щоб рівень не перевищив заданого значення  , в момент часу   напір