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

 

 

 

1.1. Елементи осушувальних систем

Осушувальні системи призначені для осушення надлишково-зволожених земель і часткового регулювання вологості кореневмісного шару ґрунту. Вони складаються з чотирьох основних елементів: осушуваної території, регулюючої мережі у виді відкритих осушувальних каналів або закритого дренажу, провідної мережі – каналів різного порядку, і водоприймача.

Регулююча мережа призначена для відведення поверхневих вод і регулювання ґрунтових. При відведенні поверхневих вод її дія спрямована на прискорення поверхневого стоку, а при регулюванні ґрунтових вона приймає надлишкову вологу з кореневмісного шару (при відсутності припливу напірних вод) і відводить її у провідну мережу. Отже, технологічний процес осушення перезволожених земель зводиться до штучного зниження вологості ґрунту до оптимального значення за допомогою осушувальних каналів або закритої дренажної мережі. Оптимальне значення вологості ґрунту залежить від виду сільськогосподарської культури і стадії її розвитку. Це зумовлене тим, що для дихання коренів і розкладу органічних речовин в ґрунті повинен відбуватися газообмін такої інтенсивності, при якій весь об’єм повітря в активному шарі ґрунту поновлювався би не більше, ніж за вісім діб. Для коренеплодів оптимальна вологість складає 60...65% повної вологоємності, для зернових культур – 70...80% і для трав – 80...85%.

Забезпечити різні значення оптимальної вологості в кореневмісному шарі грунту можна, регулюючи сток ґрунтових вод. При вологості грунту, яка перевищує оптимальне значення для вирощуваної культури з врахуванням стадії її розвитку, регулююча мережа повинна відводити надлишкову вологу. При вологості грунту, рівній оптимальній, відвід води необхідно припинити шляхом переводу регулюючої мережі в режим підпору.

Якщо система знаходилась в режимі підпору і почалися значні опади, то доцільно передбачити перевод системи в режим стоку при певній кількості опадів з метою зменшення часу перезволоження активного шару грунту.

Описані вище процеси можна автоматизувати в залежності від вологості грунту або в залежності від рівня ґрунтових вод.

 

1.2. Автоматизація осушувальних систем за вологістю ґрунту

Автоматизація осушувальних систем в режимі стоку повинна забезпечуватись застосуванням таких регулюючих споруд, які унеможливлювали би скид надлишкових вод більше норми осушення. Тоді перехід від режиму стоку до режиму підпору буде відбуватися автоматично.

Щоби при великих опадах в ґрунті накопичувалась максимальна кількість вологи і не відбувалось тривалого перезволоження кореневмісного шару, регулюючу мережу необхідно перевести в режим стоку тоді, коли кількість опадів з врахування коефіцієнта використання стане рівною кількості води  , якої буде достатньо для збільшення вологості шару ґрунту, який знаходиться між рівнем ґрунтових вод і кореневмісним шаром, до повної вологоємності при оптимальній вологості кореневмісного шару. Цю умову можна представити таким чином:

 ,     /1/

де  - кількість опадів, мм;  - коефіцієнт використання опадів, рівний 0,8...0,9;   - товщина кореневмісного шару, м;   - усереднена глибина залягання рівня ґрунтових вод (від поверхні землі), м;  ,   - відповідно оптимальна і повна вологоємність в процентах від об’єму грунту;   - розподіл вологості по профілю.

Залежність   є рішенням рівняння вертикального ізотремічного вологопереносу:

 ,                    /2/

де   - напір, який дорівнює сумі капілярно-сорбційного і гравітаційного тиску;   - диференціальна вологоємність;   - залежність коефіцієнта вологопровідності від вологості;   - функція питомого споживання вологи коренями рослин;   - вертикальна координата;   - час при заданих граничних умовах.

Оскільки під дією сумарного випаровування   і   весь час змінюються, то визначати   до початку випадання опадів немає потреби. Глибину залягання ґрунтових вод і розподіл вологи по профілю   необхідно визначати на початку випадання опадів. Тоді, знаючи   і  , як рішення рівняння /2/, за відомими значеннями  ,   і   на підставі рівняння /1/ визначити  . Коли буде виконана умова  , то систему необхідно перевести з режиму підпору в режим стоку.

Коли опади припиняться, то під дією сумарного випаровування вологість ґрунту почне зменшуватись і коли вона стане рівною  , систему треба перевести знову в режим підпору.

Всі вказані вище операції вичислення   можна зробити за допомогою комп’ютера, але тоді оператор повинен контролювати  , вимірювати кількість опадів і за умови   переводити систему в режим стоку. Після припинення опадів дочекатись поки вологість кореневмісного шару ґрунту не понизиться до оптимального значення, щоби перевести систему знову в режим підпору. Всі ці операції керування осушувальною системою можна покласти на комп’ютер.

На рис. 6.1. наведена функціональна схема керування осушувальною системою за допомогою персонального комп’ютера, доповненого пристроями вводу інформації від вологоміра, рівнеміра і опадоміра та виводу сигналів керування на регулятор стоку.

 

Рис.1 Функціональна схема автоматичного керування 

осушувальною системою.

 

Для функціонування системи автоматичного керування необхідно попередньо занести в пам’ять комп’ютера програму керування згідно рівнянню /1/ і вихідні дані: значення оптимальної   і повної   вологості, товщину кореневмісного шару  , функцію відбору вологи рослинами і мінімальну кількість опадів  , при якій система переходить в режим управління. Окрім того,