Лекція 12. Автоматизація водорозподілу на відкритих зрошувальних системах

 

 

Автоматизація водорозподілу визначається технологією поливу. В практиці зрошення застосовують нормований, ненормований і комбінований способи забезпечення водою споживачів.

При нормованому способі вода видається споживачами за попередньо складеними графіками, які можна коректувати протягом поливного сезону. Коректування роблять з врахуванням даних інформаційно-дорадчої системи керування поливами. Керування здійснюється «зверху вниз»: з центрального диспетчерського пункту за допомогою засобів телемеханіки. При цьому способі керування через відхилення прогнозованого водоспоживання від фактичного скидання води у басейни-нагромаджувачі неминучі.

При ненормованому способі вода подається споживачам у необхідних кількостях у будь-який час. Індивідуальне формування поливних режимів великого числа поливних ділянок (500 ... 1000) при стохастичному характері погодних умов і розмаїтості вирощуваних культур можна забезпечити лише керуванням «знизу вверх». Таке керування базується на використанні автономних систем автоматичного регулювання і централізованого керування. Це зумовлено тим, що централізоване диспетчерське керування (навіть при використанні сучасних ЕОМ) практично не в змозі оперативно перерозподіляти воду при стохастичному характері підключення споживачів до водоводів. Дійсно, щоб забезпечити споживачів водою за запитом, необхідно при підключенні кожного нового споживача складати заново баланс витрат в цілому по системі з врахуванням режимів роботи всіх інших споживачів, динаміки процесу зміни витрати і мати багато проміжних водомірних споруд для складання балансу стоку. Невідповідність водоподачі і водоспоживання призводить до витрати води на холості скидання, що в умовах обмежених водних ресурсів недопустимо.

Для нормального функціонування автономних систем необхідно мати резервні ємності в каналах. Їх розташування та запас води в них повинні бути достатніми для живлення споживачів на час зміни витрат від джерела зрошення. У такому випадку автономні системи дозволять здійснювати короткочасний перерозподіл води в резервних ємностях за рахунок стабілізації відповідних рівнів, забезпечуючи цим нормальну роботу водовипусків, керованих за сигналами давачів, які контролюють вологість ґрунту. Тепер централізоване керування буде зводитися до керування головною водозабірною спорудою за сигналами, що надходить від автономних систем. Раціональне поєднання централізованого і місцевого керування дозволить мінімізувати холості скидання води і підвищити надійність постачання водою споживачів відповідно до потреб рослин.

При комбінованому способі одні споживачі одержують воду нормовано, а інші – за запитом. Такий спосіб керування досить складний у реалізації і застосовується рідко.

 

Автоматичне керування водорозподілом у загальному випадку охоплює автоматичне регулювання режиму каналу, автоматичне керування водовипускними спорудами й автоматичний захист каналів. Сукупність взаємозалежних систем, які виконують вказані функції, утворюють автоматизовану систему керування технологічним процесом (АСКТП) водорозподілення.

Об'єктом керування в АСКТП є наповнений водою канал, який для підвищення керованості за допомогою перегороджуючих споруд розділяють на ряд ділянок (б'єфів). Регулювання рівнів у б'єфах здійснюють автономні системи керування.

Як уже відзначалося, для розрахунку автоматичних систем необхідно мати математичну модель об'єкта. Як типовий об'єкт можна прийняти ділянку каналу, обмежену двома перегороджуючими спорудами (рис. 12.1).

Глибина наповнення   і середня швидкість течії   у будь-якому створі б'єфа при зміні граничних умов (зміна положення затворів перегороджуючих споруд або рівнів води поза б'єфом) описуються рівняннями Сен-Венана

 ,12/.1/

де Q і   – відповідно витрата і живий перетин води в досліджуваному створі; s – віддаль від розглянутого створу до нижньї перегороджуючої споруди;   – ухил дна каналу; R – гідравлічний радіус; С – коефіцієнт Шези.

 

Рис. 12.1. Схема ділянки каналу, прийнятого як типовий об'єкт регулювання.

Рівняння /12.1/ нелінійні і рішити їх у загальному виді не можна. Тому їх слід лініаризувати. Лінеаризація базується на класичній теорії хвиль малої амплітуди, відповідно до якої зміни гідравлічних параметрів при хвильовому русі води величини малі, квадратами і добутками яких можна знехтувати. Виходячи з цього можна записати, що  ;  ;  ; ;  , де індексом 0 позначені значення змінних при t=0.

Підставивши нові змінні в рівняння /12.1/ і врахувавши, що  і  , одержимо лініаризовані рівняння, які описують несталий рух води у виді

 ,

  /12.2/

де В – ширина потоку поверху;   – коефіцієнт шорсткості;   – змочений параметр русла каналу;   – коефіцієнт відкосу;  .

Рішення рівняння /12.2/ залежить від граничних умов, які визначають амплітуди як прямих, так і відбитих хвиль. Е.Е.Маковський одержав рішення рівнянь /12.2/ в операторній формі   при зміні витрат у верхньому і нижньому створах. Щоб знайти рівняння, яке описує несталий рух води у б’єфі необхідно знайти оригінал   за зображенням  , що представляє значні математичні труднощі. Залежності   навіть для окремих випадків мають в собі нескінченні ряди, що не дозволяє використовувати їх для розрахунків систем автоматичного регулювання. Тому залежність   замінюють наближеною залежністю  , виходячи із наступних умов: залежності   і   повинні мати однакові первинні амплітуди хвиль, однакові статичні похибки і площі, обмежені кривими   та   і віссю абсцис, повинні бути також однаковими.

Перехідний процес у б'єфі значної довжини   при одночасному переміщенні затвора на   і зміні рівня на   описується рівнянням

 ,/12.3/