Наумчук Удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах засобами гідравлічної автоматизації

Краткое содержание

У першому розділі “Сучасний стан та шляхи удосконалення процесів водорегулювання за допомогою засобів автоматизації на осушувально-зволожувальних системах” обґрунтовано необхідність удосконалення процесів водорегулювання шляхом розробки більш досконалих засобів гідравлічної автоматизації. Показано, що це питання є складовою частиною у забезпеченні рекомендованих норм осушення для різних культур і ґрунтів, що є головною метою водорегулювання.

     Виконаний аналіз праць вітчизняних та зарубіжних науковців (В.Є.Алекєєвський, Г.І. Афанасик, С.Т. Вознюк, О.І. Івицький, П.І. Коваленко, Л.Ф. Кожушко, М.О. Лазарчук, Б.С. Маслов, О.І. Мурашко, І.І. Науменко, О.Я.Олійник, М.Г. Пивовар, В.Л. Поляков, Г.С. Потоцкий, А.М. Рокочинський, О.В.Скрипник, О.І. Тишенко, М.М. Хлапук, Б.І. Чалий, А.В. Черенков, А.М.Янголь, А.В. Яцик, М.В. Яцик та ін.), присвячених дослідженню процесів водорегулювання на осушуваних землях, засвідчив, що дотримання рекомендованих норм осушення забезпечується використанням різних технологій водорегулювання, а саме осушення, попереджувального шлюзування, неперервного і періодичного (циклічного) зволожувального шлюзування, але наявні підходи не можуть бути ефективно реалізовані при ручному режимі водорегулювання, оскільки не повністю забезпечується необхідний діапазон варіювання регульованих рівнів ґрунтових вод протягом всього вегетаційного періоду.

     Розробкою автоматичних регулюючих пристрої, які використовуються на осушувальних системах займалися Ю.А. Балан, С.Ю. Бочаров, П.І. Коваленко, Ю.Г. Ковальчук, В.Й. Пастушенко, А.Ф. Рубан, О.І. Тишенко, М.М. Хлапук, Б.І.Чалий, А.В. Яцик та ін. Встановлено, що більшість існуючих гідравлічних регуляторів для впливу регулюючих органів на об’єкт регулювання використовують частину його енергії, це суттєво впливає на точність, швидкодію, а відповідно на ефективність водорегулювання.

     Тому метою дисертаційної роботи є удосконалення технологій водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах шляхом розроблення більш досконалих конструкцій засобів гідравлічної автоматизації та наукове обґрунтування їх параметрів.

          У другому розділі “Об’єкти, умови та методика досліджень” для досягнення сформульованої у дисертації мети та у зв’язку з необхідністю всебічних досліджень впливу гідравлічних засобів автоматизації на процеси водорегулювання осушувально-зволожувальних систем у змінних природно меліоративних умовах, обрані об’єкти, розглянуті умови та методики, за якими проводяться дослідження.

          Через необхідність більш детального вивчення впливу засобів гідравлічної автоматизації на технології водорегулювання та вирішення окреслених завдань сплановано проведення комплексних досліджень, у які входять лабораторний, польовий та машинний експерименти на основі комплексу прогнозно-імітаційних моделей, що є характерною особливістю даного дисертаційного дослідження.

            Лабораторні дослідження мали за мету перевірити принципи, на основі яких створювалися гідравлічні регулятори, оцінити точність та якість водорегулювання розробленими засобами та визначити їх дієздатність при відпрацюванні відповідних способів та режимів водорегулювання. За цими дослідженнями встановлюється характер зв’язку між коефіцієнтом витрати m, площею поперечного перерізу потоку w при визначенні витрати води Q, яка проходить через запірні органи розроблених гідрорегуляторів, для визначення максимальної та мінімальної витрати води. Проведення лабораторних досліджень розроблених гідравлічних регуляторів здійснювалось у лабораторії кафедри ГТС (НУВГП) за загальноприйнятою методикою дослідження гідравлічних пристроїв і механізмів.

          У свою чергу, виробничо-польові дослідження проводились з метою перевірки технологій водорегулювання (осушення, попереджувальне і зволожувальне шлюзування) у ручному та в автоматизованому режимах на землях Кишинської ОЗС Олевського району Житомирської області впродовж 2004 р. в умовах забезпеченості опадами р=65% загальноприйнятими методами. Дана система є репрезентативною щодо складу ґрунтів, вирощуваних культурах і територіального розміщення, що дало змогу отримати результати придатні до використання на осушуваних землях Полісся.

     Щоб зняти обмеження, які мають лабораторні та польові дослідження щодо умов тепло- й вологозабезпеченості в різні роки при різних технологіях водорегулювання нами використаний машинний експеримент, який дає змогу спрогнозувати поведінку досліджуваного об’єкта, враховуючи мінливість погодно-кліматичних умов за всім можливим спектром, і оцінити поведінку системи для років різної вологозабезпеченості (р=10…90%) за показниками врожайності, зволожувальної норми та рівня ґрунтових вод. Машинний експеримент ґрунтується на використанні комплексу прогнозно-імітаційних моделей, розроблених у науково-дослідній лабораторії “АСУ і САПР водогосподарських і меліоративних об’єктів” кафедри гідромеліорацій (НУВГП) під керівництвом А.М. Рокочинського.

          З метою співставлення всіх видів проведених різнохарактерних досліджень нами застосовано операційні методи математичної фізики, класичну теорію гідродинаміки та метод послідовного логарифмування і апроксимації експериментальних перехідних характеристик.

          У третьому розділі “Удосконалення засобів автоматизації для водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах та методи розрахунку їх конструктивних елементів” проведено узагальнення найбільш поширених на осушувальних системах гідрорегуляторів, зокрема конструкцій БілНДІМіВГ, УкрНДІГіМ, Укрдіпроводгосп, Львівдіпроводгосп та ін. Встановлено, що в основі роботи гідроавтоматів БілНДІМіВГ та УкрНДІГіМ покладено використання виштовхувальної сили води і важільна конструкція. В гідроавтоматах Укрдіпроводгосп запірні органи виконані у вигляді пересувних рукавів, а гідроавтомати Львівдіпроводгосп використовують клиновидний запірний орган безпосередньо з’єднаний з поплавком.

     Виходячи з виявлених закономірностей, нами змінено наукові підходи до створення і розроблено гідравлічні регулятори, які, на відміну від існуючих, для спрацювання запірного органу використовують енергію регульованого об’єкта, що перетворюється і підсилюється. Це дає змогу відповідно збільшити точність та швидкодію регулювання, тому вони можуть бути застосовані для регулювання рівнів відкритої і закритої мережі та встановлюються у колодязях, на вихідних оголовках колекторів та коробах гідротехнічних споруд. Конструктивні схеми розроблених гідравлічних регуляторів наведені на рис. 1.

     Основні нові елементи конструкції - це уніфікований запірний орган 1, поплавковий чутливий елемент 6 і опадомір 7, який, на відміну від існуючих, дає змогу враховувати вплив критичних опадів на процес зволоження та автоматично перемикає гідрорегулятор з режиму шлюзування на режим осушення з метою уникнення надлишкового перезволоження верхнього родючого шару ґрунту.

а)	б)
в)	г)

Рис. 1. Конструктивні схеми розроблених гідравлічних регуляторів дренажного стоку (а), дренажного стоку (без колодязя) (б), водоподачі (в), двосторонньої дії (г):

1 - запірний орган; 2 - механізм кріплення запірного органу на водовипускній трубі; 3 - з’єднувальний патрубок запірного органу і клапанної коробки; 4 - шланг для з’єднання клапанної коробки і водовипускної труби; 5 - клапанна коробка; 6 - конструкція чутливого елементу; 7 - поплавки; 8 - настроювальний механізм; 9 - опадомір; 10 - з’єднувальний шланг клапанної коробки і підсилювальної камери; 11 - підсилювальна камера.

     Використання розроблених гідравлічних регуляторів на відкритій і закритій мережах дає змогу більш ефективно здійснювати повний цикл водорегулювання відповідно до потреб вирощуваних сільськогосподарських культур. Після розгляду різних схем регулюючих мереж нами запропоновано способи використання розроблених гідрорегуляторів. Реалізація такого підходу обумовлена потребою використання на всьому технологічному ланцюгу пристроїв одного типу, що дає змогу спростити управління процесом водорегулювання і підвищити його ефективність.      Запропонований підхід потребує обґрунтування конструктивних параметрів розроблених гідрорегуляторів, які повинні задовольняти умовам регулюючої мережі, а також безвідмовно працювати протягом всього періоду експлуатації. Такі умови можуть бути забезпечені за допомогою відповідних розрахунків, мета яких визначити раціональні параметри конструктивних елементів гідрорегуляторів з урахуванням запасу міцності всієї конструкції.

     З огляду на це, проведено теоретичні дослідження впливу сил гідростатичного тиску на елементи гідрорегуляторів і проведено обґрунтування їх параметрів на основі рівнянь гідростатичної рівноваги, що дало змогу врахувати найбільш критичні режими роботи гідрорегуляторів та регулювальної мережі. Застосовуючи такий підхід проведено розрахунок запірних органів, чутливих елементів та опадомірів за допомогою розробленої комп’ютерної програми, яка може бути використана при проектуванні та виготовленні нових гідравлічних регуляторів.

          У четвертому розділі “Експериментальні дослідження розроблених засобів гідравлічної автоматизації” представлено результати лабораторних і виробничо-польових досліджень.

     Лабораторні дослідження гідравлічних регуляторів сплановані таким чином, щоб перевірити принципи, на основі яких вони розроблялися та визначити їх дієздатність при відпрацюванні відповідних способів та режимів водорегулювання. Подібний підхід запропонований І.І. Науменком, М.М.Хлапуком та ін.

     При проведенні лабораторних досліджень головний параметр, який визначає ефективність засобів гідравлічної автоматизації, це точність дотримання рівнів води у відповідному діапазоні, що відповідає різним способам водорегулювання. У результаті цих досліджень, проведених у статичному та динамічному режимах з використанням активного експерименту, встановлено, що характер процесу регулювання має коливальний та монотонний вид і є прийнятним для даних типів гідрорегуляторів. При цьому точність регулювання становить 1,92…3,55%, а швидкодія (тривалість) 3-22 хв., що свідчить про достатню якість і точність підтримання регульованих рівнів та достовірність отриманих результатів.

     На підставі лабораторних досліджень пропускної здатності запірних органів розроблених гідрорегуляторів науково обґрунтовано наявність лінійного характеру зв’язку між коефіцієнтом витрати m, площею поперечного перерізу потоку w при визначенні витрати води Q, яка проходить через них з різними перепадами рівнів води між б’єфами регулюючих споруд та кутами відкриття б, що дає змогу визначати максимальну та мінімальну пропускну здатність гідрорегуляторів за спрощеними інженерними розрахунками.  

     Виробничо-польові дослідження проводилися на Кишинській ОЗС Олевського району Житомирської області при автоматизованому та ручному режимах водорегулювання. При цьому досліджувалась робота гідрорегуляторів для різних технологій водорегулювання (осушення, попереджувальне і зволожувальне шлюзування). Це дало змогу встановити, що автоматизоване регулювання, на відміну від ручного, забезпечує необхідний рівневий режим з меншим відхиленням (10…20%) від заданого діапазону варіювання упродовж 70…90% тривалості вегетаційного періоду.

     Внаслідок виробничо-польових досліджень розроблених засобів гідравлічної автоматизації підвищилась ефективність відповідних технологій і знизився негативний вплив посушливих періодів на розвиток та врожай вирощуваних сільськогосподарських культур.