Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет

Водного господарства та природокористування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

Удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах засобами гідравлічної автоматизації

Наумчук Олександр Миколайович

Рівне 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Пастушенко Володимир Йосипович, Національний університет водного господарствата природокористування, доцент кафедри електротехніки і автоматики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лазарчук Микола Олексійович, Національний університет водного господарства та природокористування, професор кафедри гідромеліорацій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чалий Борис Іванович, Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук, завідувач відділом меліорації перезволожених земель.

Захист відбудеться “3” липня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НУВГП за адресою: м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “1” червня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Востріков В.П.

1. Загальна характеристика роботи

водорегулювання гідравлічний регулятор зволожувальний

Актуальність теми. Осушені землі в Україні становлять 3,2 млн. га, майже 70% мають закритий дренаж, на 1,1 млн. га застосовується двобічне регулювання водного режиму. Однак технічний стан внутрішньогосподарських осушувальних систем через збиткову діяльність більшості сільгоспвиробників потребує його покращення шляхом модернізації та докорінної реконструкції. Крім того, через незадовільний технічний стан меліоративної мережі в посушливі роки не на всій площі використовуються за призначенням системи двобічної дії.

Існує потреба відновлення ефективного функціонування наявних меліоративних систем на осушуваних землях, що не повною мірою забезпечується шляхом використання ручного режиму водорегулювання. При цьому більшість існуючих засобів водорегулювання потребують удосконалення у напрямку покращення точності і швидкодії регулювання рівнів води. Тому є необхідність удосконалити процеси водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах за рахунок використання сучасних автоматичних гідравлічних регуляторів, які могли б здійснювати регулювання у відкритих і закритих мережах.

Актуальність теми узгоджується з “Комплексною програмою розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь у 2001-2005 роках та прогноз до 2010 року”, де одним з головних завдань є удосконалення систем управління технологічними процесами та впровадження новітніх технологій і технічних засобів при комплексній реконструкції, модернізації та експлуатації меліоративних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася за держбюджетною темою “Розробка конструкції модульної осушувально-зволожувальної системи на основі гідравлічної автоматизації”, державна реєстрація теми №0103U008255, та за кафедральною темою “Розробка і дослідження засобів автоматизації технологічних процесів” (1999-2006 рр.), в яких автор приймав участь як виконавець.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи полягає в удосконаленні технологій водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах шляхом наукового обґрунтування та розроблення більш досконалих конструкцій засобів гідравлічної автоматизації.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:

- аналіз та теоретичне узагальнення ефективності існуючих технологій водорегулювання, сучасних технічних засобів регулювання рівнів ґрунтових вод, способів визначення параметрів рівневого режиму і методів їх розрахунку;

- розробка уніфікованих конструкцій засобів гідравлічної автоматизації для регулювання закритих і відкритих мереж та методів розрахунку їх конструктивних елементів;

- дослідження характеру впливу засобів автоматизації на ефективність технологій водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах;

- проведення комплексних досліджень на основі лабораторного, польового та машинного експериментів, для наукового обґрунтування впливу гідрорегуляторів на ефективність водорегулювання та визначення їх раціональних параметрів;

- удосконалення методу розрахунку зміни напору в дренажній мережі для регулювання рівнів ґрунтових вод при різних режимах водорегулювання з урахуванням багатошарової структури ґрунтів, фільтраційних властивостей дренажу та вирощуваних сільськогосподарських культур;

- розробка математичних моделей взаємодії засобів гідравлічної автоматизації з регулювальною мережею;

- виробнича перевірка та оцінка ефективності застосування розроблених гідрорегуляторів, техніко-економічне обґрунтування й інвестиційна оцінка використання засобів гідравлічної автоматизації для удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах.

Об'єктом дослідження є процеси регулювання рівнів ґрунтових вод на осушувально-зволожувальних системах.

Предметом дослідження є технології водорегулювання осушуваних земель засобами гідравлічної автоматизації.

Методи досліджень ґрунтуються на комплексних дослідженнях, які включають лабораторний, польовий і машинний експерименти, що виконуються для удосконалення технології водорегулювання осушуваних земель і розробки більш досконалих конструкцій засобів гідравлічної автоматизації та визначення їх ефективності у змінних природно-меліоративних умовах реального об'єкта. Для співставлення отриманих результатів використано операційний метод математичної фізики, який ґрунтується на використанні перетворень Лапласа.

В процесі досліджень використано загальноприйняті аналітичні та статистичні методи, загальна теорія експерименту і математичне моделювання. Опрацювання результатів виконано на ЕОМ за стандартними методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлено характер і рівень зв'язку між конструктивними параметрами елементів гідрорегуляторів та діючими на них силами гідростатичного тиску у вигляді рівнянь гідростатичної рівноваги, що, на відміну від наявних, враховує критичні режими роботи гідрорегуляторів;

- вперше встановлено зв'язок між коефіцієнтом витрати , площею поперечного перерізу потоку при визначенні витрати води Q, що проходить через запірні органи розроблених гідрорегуляторів, який має лінійний характер для різних перепадів рівнів води між б'єфами регулюючих споруд;

- удосконалено метод розрахунку рівневого режиму в колекторно-дренажній мережі для підгрунтового зволоження, що для циклічного режиму дає змогу визначати напори над дренами, тривалість їх витримування з урахуванням обмежень на нерівномірність зволоження по міждренню при розрахунку параметрів регулювання осушувально-зволожувальної мережі;

- набули подальшого розвитку наукові підходи до створення гідравлічних регуляторів та обґрунтовано їх параметри, які, на відміну від існуючих, більш ефективно використовують гідростатичну енергію регульованого об'єкта за рахунок її перетворення і підсилення;

- набули подальшого розвитку математичні моделі взаємодії регулюючої мережі з розробленими засобами гідравлічної автоматизації, що враховують взаємодію гідрорегуляторів і закритої регулюючої мережі.

Практичне значення одержаних результатів:

- підвищена ефективність технологій водорегулювання за рахунок використання розроблених уніфікованих автоматичних гідрорегуляторів, які можуть працювати на всіх типах регулюючих мереж та розроблено методику і комп'ютерну програму для розрахунку їх конструктивних елементів при проектуванні та виготовленні;

- розроблено алгоритм розрахунку динаміки зміни РҐВ та комп'ютерну програму, що дає змогу обґрунтовувати параметри регулювання РҐВ при зволоженні і настроювати розроблені гідравлічні регулятори на основі моделювання їх взаємодії з регулюючою мережею, а також блок-програми, які дають змогу вибирати раціональні параметри гідрорегуляторів для різних типів регулюючих мереж при проектуванні нових та реконструкції існуючих осушувально-зволожувальних систем;

- дані розробки пройшли апробацію на Кишинській осушувально-зволожувальній системі (3477 га) Олевського району Житомирської області, що дало змогу отримати економічний ефект від застосування автоматизованого водорегулювання за рахунок збільшення врожайності сільськогосподарської продукції на 21…28%;

- результати дисертаційної роботи використано і відображено у “Тимчасових рекомендаціях по встановленню і експлуатації автоматичних гідрорегуляторів рівнів на осушувально-зволожувальних система Західного Полісся (на прикладі Житомирської області)”, розглянутих і затверджених науково-технічною радою Житомирського облводгоспу, протокол №17 від 26 грудня 2006 року;

- результати досліджень упроваджено в навчальний процес у вигляді навчально-методичного забезпечення теоретичних курсів та підготовки дипломних і магістерських робіт для студентів спеціальності “Гідромеліорація” і “Автоматизоване управління технологічними процесами” (НУВГП).

Особистий внесок здобувача. На підставі узагальнення теоретичних та експериментальних досліджень автором особисто розроблено і сформульовано всі основні положення дисертаційної роботи щодо наукових підходів до удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах засобами гідравлічної автоматизації.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень і основні положення дисертації доповідались на ІІ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВГ (Рівне, 1996), ІІІ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВГ (Рівне, 1997), ІV міжнародній науково-технічній конференції „Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1997), Ювілейній Всеукраїнській науково-технічній конференції „Актуальні проблеми водного господарства” присвяченій 75-річчю УДАВГ (Рівне, 1997), науково-практичній конференції „Наукові засади сталого розвитку водного господарства і меліорації земель в сучасних умовах” (Київ, 2005), міжнародній науково-практичній конференції “Мелиорация сельскохозяйственных земель в XXI веке: проблемы и перспективы” (Мінськ, 2007).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 10 праць, з них 7 статей у фахових виданнях, 1 патент України та видано 1 рекомендації виробництву.

Структура і об'єм роботи. Дисертація викладена на 218 сторінках друкованого тексту, який ілюструється 24 таблицями, 48 рисунками, 3 фото і складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел вітчизняних і зарубіжних авторів з 193 найменувань та додатку на 46 сторінках.

2. Зміст роботи

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 , площею поперечного перерізу потоку 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

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.

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 , площею поперечного перерізу потоку 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.

У п'ятому розділі “Удосконалення розрахунку параметрів регулювання і моделювання взаємодії гідравлічних регуляторів з регулюючою мережею” для дослідження зміни рівневого режиму за основу взято відомий математичний метод розрахунку динаміки РҐВ для багатошарових ґрунтів, розроблений О.Я.Олійником та В.Л. Поляковим на основі системи диференціальних рівнянь, що описують положення вільної поверхні багатошарової водоносної товщі

(1)

У рівнянні (1) параметр

hi - рівень ґрунтових вод в межах i-го шару, м; ki+1 -коефіцієнт фільтрації i+1 шару, м/добу; i+1 - коефіцієнт середньої сумарної недостачі насичення i+1 шару; i+1 - допоміжний параметр, виражений через коефіцієнти фільтрації та потужність i+1 шару та нижче залягаючих шарів.

Система (1) розглядалася нами із введеними такими початковими і граничними умовами: - гранична умова другого роду (між дренами); H(t)ЈH1 - технологічне обмеження напору у дренажній мережі, яке залежить від особливості регулюючої мережі; - технологічні обмеження на розподіл РҐВ у міждренні; - обмеження часу підтримання рівня H1 над дренами, що залежить від виду вирощуваних культур; t1 - допустимий час перезволоження їх кореневої системи; - параметр, який визначає рівномірність зволоження у міждренні (?h=0,25...0,3 м).

У розвиток відомих підходів (В.П. Сєльчонок, Б.Ш. Мордухович, 1976, В.Й.Пастушенко, 1985) нами визначені та формалізовані умови зміни рівня води над зволожувальними колекторами, представлені як

(2)

Аналогічно зміна РҐВ у міждренні описується

(3)

У відповідності до формули (2) зміна рівня води над зволожувальними колекторами відбуватиметься за графіком, який наведений.

Таким чином, нами удосконалено цей метод в частині можливості його використання для циклічного режиму підгрунтового зволоження, що, на відміну від наявного, дає змогу визначати напори над дренами і тривалість їх витримування з урахуванням обмежень на нерівномірність зволоження по міждренню при розрахунку параметрів регулювання осушувально-зволожувальної мережі.

Для практичної реалізації удосконаленого методу розроблено алгоритм розрахунку динаміки РҐВ та комп'ютерну програму із зручним інженерним інтерфейсом, що дає змогу визначати параметри регулювання РҐВ при зволоженні і настроювати розроблені гідравлі-чні регулятори. Проведено порів-няння розрахованих РҐВ за удосконаленим методом із експериментальними даними, отриманими А.В. Черенковим (1983) для умов Кишинської ОЗС. Як видно з графіків, відхилення між розрахунковими і експериментальними даними ста-новить 5,8…8,5%, що свідчить про достатню точність застосування удосконаленого методу.

Для забезпечення достовірності і співставлення лабораторних та польових досліджень проведено моделювання взаємодії розроблених гідрорегуляторів з регулюючою мережею. Для цього використано операційні методи математичної фізики, що дають змогу здійснювати вибір раціональних параметрів системи без проведення натурних досліджень і, на відміну від інших, моделювати характер впливу гідравлічних регуляторів на процеси водорегулювання.

Моделювання об'єкта здійснено з використанням передаточних функцій, які визначаються методом послідовного логарифмування і апроксимації експериментальних перехідних характеристик дотичними. Таким чином, отримано передаточну функцію зміни рівня води над зволожувальними колекторами , яка представлена аперіодичними ланками з додатним зворотним зв'язком у вигляді перетворень Лапласа

, (4)

де К1, К2, К3 - коефіцієнти перетворення;

Т1, Т2 - сталі часу, діб.

Для встановлення взаємодії елементів системи відповідно розроблена структурна схема представлення зміни рівня води над зволожувальними колекто-рами.

За аналогією та на відміну від (4), оскільки ця передаточна функція є добутком аперіодичних ланок з постійним запізненням, вона визначається за формулою

. (5)

У виразі (5) К4, К5 - коефіцієнти перетворення; Т3, Т4, Т5 - сталі часу, діб. Структурна схема зміни РҐВ у міждренні з використанням передаточних функцій наведена.

Таким чином, розроблений метод перетворення експериментальних перехідних характеристик меліоративної мережі у передаточні функції та структурні схеми може бути застосований при проектуванні та реконструкції осушувальних систем. При цьому можливо і доцільно представляти меліоративну систему у зручному для використання вигляді - структурними схемами.

Для математичного моделювання розроблених гідрорегуляторів на основі класичної гідродинамічної теорії складаються диференціальні рівняння динаміки елементів конструкції, а їх взаємодія з регулюючою мережею здійснюється за структурними схемами, що представлені у відповідності до

Практична реалізація такого підходу представлена у вигляді блок-програм програмного комплексу MatLab-Simulink, які можуть використовуватися при проектуванні нових та реконструкції існуючих осушувально-зволожувальних систем.

У шостому розділі “Комплексна оцінка ефективності застосування засобів гідравлічної автоматизації для водорегулювання на осушуваних землях” виконана оцінка ефективності автоматизованого регулювання у порівнянні з ручним на основі співставлення результатів всіх різнохарактерних досліджень.

На ефективність водорегулювання суттєвий вплив має діапазон коливання РҐВ на осушуваному масиві, оскільки ОЗС є інерційною щодо зміни їх параметрів. То чим меншим є діапазони коливання встановлених рівнів при різних режимах, тим ефективніше буде діяти та чи інша технологія водорегулювання, а це, в свою чергу, впливатиме як на показники водорегулювання, так і врожайність вирощуваних культур.

Лабораторними дослідженнями встановлено, що середній діапазон зміни регульованого рівня води для розроблених гідрорегуляторів становить ?hс?0,1 м, а його середньоквадратичне відхилення за критерієм Стьюдента ?0,02, що свідчить про відповідність отриманих результатів виробничим умовам реального об'єкта.

При виробничо-польових дослідженнях (табл.1) отримані у відповідних умовах реального року (див. розд. 2) показники становлять відповідно: для ручного режиму ?hс?0,55 м, ?0,14; для автоматизованого режиму ?hс?0,34 м, ?0,09. При цьому величина діапазону зміни рівня води в автоматизованому режимі майже у 2 рази менша ніж у ручному, а його ефективність для зволожувального шлюзування, як найбільш інтенсивного способу водорегулювання, становить за РҐВ - 13,7%, а по врожаю сіна - 17,3%.

Використання машинного експерименту дало змогу дослідити поведінку Кишинської ОЗС в автоматизованому та ручному режимах водорегулювання при вирощуванні багаторічних трав з урахуванням змінних кліматичних умов за довготерміновим прогнозом. Оцінка ефективності здійснювалась за середньозваженими значеннями щодо сукупності розрахункових років і для зволожувального шлюзування становила (табл. 2): за РҐВ - H=7,29%; тривалістю оптимальної вологозабезпеченості розрахункового шару ґрунту n(IW)=10,17%; зволожувальною нормою M=13,37%; фактичною врожайністю Уф=6,62%. При цьому використання засобів автоматизації дозволяє знизити середні значення РҐВ на 7,2…9,6%, середній діапазон зміни рівня становить ?hс=0,25 м, а питомий показник використання поливної води на формування одиниці врожаю зменшується.

Таблиця 1 Узагальнена статистична характеристика режимів РҐВ за результатами виробничо-польових досліджень із забезпеченістю р=65%

Спосіб водорегулювання	Нmin…Нmax, м	, м	SН	t0,05• SН	t0,05•	Уф, ц/га
Ручний режим
Осушення	1,21…1,28	1,23	0,29	0,66	0,21	37,0
Попереджувальне шлюзування	0,65…1,29	1,01	0,03	0,09	0,05	38,6
Зволожувальне шлюзування	0,46…1,41	0,95	0,034	0,078	0,027	41,5
Автоматизований режим
Осушення	0,6…1,29	0,99	0,21	0,48	0,15	40,3
Попереджувальне шлюзування	0,65…1,07	0,87	0,01	0,03	0,02	42,2
Зволожувальне шлюзування	0,58…0,98	0,82	0,13	0,28	0,09	50,2
Оцінка відхилення за режимами, %
Осушення	-	19,51	27,59	27,27	28,57	8,19
Попереджувальне шлюзування	-	13,86	66,67	66,67	60,00	8,53
Зволожувальне шлюзування	-	13,68	73,85	72,14	70,00	17,33

Таблиця 2 Узагальнені результати машинного експерименту на ЕОМ по роках забезпеченості р=10…90% на Кишинській ОЗС

Спосіб водорегулювання	Н10…Н90, м	Н, м	n(IW)	M, м3/га	Уф, ц/га
Ручний режим
Осушення	0,81…1,33	1,15	0,49	0	33,1
Попереджувальне шлюзування	0,87…1,11	1,0	0,52	0	36,3
Зволожувальне шлюзування	0,86…1,04	0,96	0,53	881	42,3
Автоматизований режим
Осушення	0,8…1,18	1,04	0,52	0	35,8
Попереджувальне шлюзування	0,8…1,03	0,93	0,54	0	38,3
Зволожувальне шлюзування	0,8…0,94	0,89	0,59	1017	45,3
Оцінка відхилення за режимами, %
Осушення	1,23…11,28	9,57	5,77	0	7,54
Попереджувальне шлюзування	7,00…8,05	7,21	3,70	0	5,52
Зволожувальне шлюзування	7,00…9,62	7,29	10,17	13,37	6,62

Таким чином, загальна оцінка досліджуваних режимів переконливо свідчить про достатню співставність результатів комплексних досліджень та доводить їх достовірність. Узагальнені результати лабораторних і польових досліджень та машинного експерименту підтвердили, що при застосуванні засобів гідравлічної автоматизації підвищується ефективність водорегулювання загалом.

На підставі виробничо-польових досліджень проведено загальну оцінку ефективності впровадження засобів гідравлічної автоматизації для удосконалення процесів водорегулювання і показано інвестиційну привабливість та економічну доцільність їх використання.

Екологічний ефект при впровадженні даних науково-технічних розробок досягається за рахунок загального покращення водного режиму через зменшення діапазонів коливань РҐВ, що дає змогу знизити інтенсивність промивного водного режиму та вимивання поживних речовин з верхнього орного шару ґрунту.

Загальні висновки

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в необхідності удосконалення процесів водорегулювання шляхом застосування сучасних засобів гідравлічної автоматизації. Показано, що здійснення такого підходу потребує розробки більш досконалих конструкцій автоматичних гідравлічних регуляторів, обґрунтування їх конструктивних параметрів та удосконалення методу розрахунку рівневого режиму в колекторно-дренажній мережі, що в цілому підвищить ефективність водорегулювання.

2. На підставі аналізу й узагальнення досліджень інших авторів та практичного досвіду встановлено, що застосування уніфікованих засобів гідравлічної автоматизації на відкритій і закритій мережах дає змогу більш ефективно здійснювати повний цикл регулювання водно-повітряного режиму ґрунтів на осушувально-зволожувальних системах відповідно до потреб вирощуваних сільськогосподарських культур.

3. На основі розробленої класифікації використовуваних на осушувальних системах регулюючих пристроїв, удосконалено підходи до більш ефективного застосування принципу використання гідростатичної енергії води за рахунок її перетворення і підсилення, що дало змогу зконструювати більш досконалі гідравлічні регулятори із збільшеною точністю (1,92…3,55%) та швидкодію (3-22 хв.) регулювання і можливістю їх використання на закритих і відкритих мережах.

4. На основі теоретичних досліджень впливу сил гідростатичного тиску на елементи гідрорегуляторів, удосконалено методи розрахунку їх параметрів, які, на відміну від наявних, дають змогу врахувати найбільш критичні режими роботи гідрорегуляторів та регулювальної мережі і обґрунтувати їх розрахункові значення.

5. Для визначення напорів над дренами, тривалості їх витримування з урахуванням обмежень на нерівномірність зволоження по міждренню та інших показників циклічного режиму підгрунтового зволоження, удосконалено метод Інституту гідромеханіки (НАНУ) щодо розрахунку рівневого режиму в колекторно-дренажній мережі, що дає змогу розраховувати параметри регулювання осушувально-зволожувальною мережею.

Для практичної реалізації удосконаленого методу розроблено алгоритм розрахунку зміни РҐВ та комп'ютерну програму із зручним інженерним інтерфейсом, що дає змогу обґрунтовувати параметри регулювання РҐВ при зволоженні і розраховувати параметри настройки розроблених гідравлічних регуляторів.

6. На основі операційних методів математичної фізики, з метою вибору раціональних параметрів розроблених засобів гідравлічної автоматизації без проведення натурних досліджень, запропоновані математичні моделі взаємодії регулюючої мережі з гідрорегуляторами, що, на відміну від наявних, дають змогу моделювати характер впливу гідравлічних регуляторів на процеси водорегулювання.

Практична реалізація такого підходу подана у вигляді блок-програм програмного комплексу MatLab-Simulink, які можуть використовуватися при проектуванні нових та реконструкції існуючих осушувально-зволожувальних систем.

7. За результатами лабораторних досліджень пропускної здатності запірних органів розроблених гідрорегуляторів науково обґрунтовано наявність лінійного характеру зв'язку між коефіцієнтом витрати , площею поперечного перерізу потоку при визначенні витрати води Q, яка проходить через них для різних перепадів рівнів води між б'єфами регулюючих споруд, що дає змогу визначати максимальну та мінімальну пропускну здатність гідрорегуляторів за спрощеними інженерними розрахунками.

8. За результатами виробничої перевірки розроблених засобів гідравлічної автоматизації на Кишинській осушувально-зволожувальній системі доведено, що в автоматизованому режимі забезпечується необхідний рівневий режим з меншим діапазоном варіювання регульованих рівнів (10…20%) упродовж 70…90% тривалості вегетаційного періоду, що дало змогу підвищити ефективність відповідних технологій і знизити негативний вплив посушливих періодів на розвиток та врожай вирощуваних сільськогосподарських культур.

9. На основі узагальнення результатів лабораторних і польових досліджень та машинного експерименту на ЕОМ проведена комплексна оцінка ефективності застосування автоматизованого водорегулювання на Кишинській ОЗС, що дало змогу дослідити поведінку даної системи з урахуванням змінних погодно-кліматичних умов за всім можливим спектром і встановити, що застосування засобів гідравлічної автоматизації підвищує ефективність водорегулювання загалом.

10. На підставі виробничо-польових досліджень проведено загальну оцінку ефективності впровадження засобів гідравлічної автоматизації для удосконалення процесів водорегулювання і показано інвестиційну привабливість та економічну доцільність їх використання, про що свідчать індекс доходності інвестицій ІДІ=1,64, чистий дисконтований дохід ЧДД=752,5 грн/га і дисконтований термін окупності, ДТО=2 роки.

Екологічний ефект при впровадженні даних науково-технічних розробок досягається за рахунок загального покращення водного режиму через зменшення діапазонів коливань РҐВ, що дало змогу знизити інтенсивність промивного водного режиму та вимивання поживних речовин з верхнього орного шару ґрунту.

11. Результати наукових досліджень покладені в основу розроблених рекомендацій по встановленню та експлуатації автоматичних гідрорегуляторів на осушувально-зволожувальних системах Західного Полісся, використовуються насамперед у експлуатаційних та проектних організаціях Житомирської області, а також впроваджено у навчальний процес при підготовці фахівців за спеціальністю “Гідромеліорація” і “Автоматизоване управління технологічними процесами” (НУВГП).

Список опублікованих праць

1. Наумчук О.М. Розрахунок параметрів регулювання закритої регулюючої мережі з багатошаровою структурою ґрунтів // Вісник НУВГП. - Рівне. - 2006. - Вип. 2(34). С. 50-57.

2. Наумчук О.М. Моделювання роботи гідрорегуляторів на проточній регулюючій мережі осушувально-зволожувальних систем // Вісник НУВГП. - Рівне. - 2005. - Вип. 2(30). С. 49-55.

3. Наумчук О.М., Коптюк Р.М., Нестерук Л.М. Комплексна оцінка за машинним експериментом на ЕОМ ефективності застосування засобів гідравлічної автоматизації для водорегулювання на осушуваних землях // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. - Рівне. - 2006. - Вип. 31. С. 427-432. (Автором виконана оцінка ефективності застосування гідравлічних регуляторів при лабораторному і польовому дослідженнях та сформульовано вихідні дані для проведення машинного експерименту).

4. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Використання автоматичних гідрорегуляторів на закритій та відкритій регулюючих мережах осушувально-зволожувальних систем // Меліорація і водне господарство. - К.: Аграрна наука. - 2006. - Спец. випуск 93-94. - С. 170-177. (Автором розроблені способи використання автоматичних гідрорегуляторів на відкритій і різних типах закритої регулюючих мереж).

5. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Моделювання взаємодії гідрорегулятора із регулюючою мережею в режимі осушення та зволоження // Вісник НУВГП. - Рівне. - 2004. - Вип. 3(27). С. 72-77. (Автором розроблено модель взаємодії конструктивних елементів гідрорегулятора двосторонньої дії).

6. Пастушенко В.Й., Сидорчук Б.П., Наумчук О.М. Розрахунок динаміки управляючої дії при циклічному зволоженні // Вісник РДТУ. - Рівне. - 1999. - Вип. 2., Част. 1. - С. 186-190. (Автором запропоновано методику розрахунку динаміки управляючої дії для багатошарової структури ґрунту).

7. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Серія гідравлічних регуляторів для регулюючої мережі осушувально-зволожувальних систем // Вісник УДАВГ. - Рівне. - 1998. - Вип. 1., Част. 2. - С. 66-69. (Автором розроблено конструкції чутливих елементів гідрорегуляторів).

8. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Розрахунок параметрів регулятора двосторонньої дії // Збірник статей УДАВГ. - Рівне, 1997. - С. 93-96. (Автором розроблена методика розрахунку конструкції запірного органу для різних режимів його роботи).

9. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Технічна реалізація режимів керування рівнями ґрунтових вод при зволоженні // Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. - Рівне. - 1997. - Том 1. - С. 85-88. (Автором розроблений алгоритм керування рівнями ґрунтових для гідрорегулятора двосторонньої дії).

10. Регулятор двосторонньої дії: Пат. 46792 Україна, Е02В11/00 В.Й.Пастушенко, Б.О. Баховець, О.М. Наумчук (Україна). - №98041889; Заявл. 14.04.98; Опубл. 17.06.02. Бюл.№6. - 3 с. (Автором проведено порівняння з аналогом та прототипом, сформульовано принцип дії регулятора та формулу винаходу).

Анотація

Наумчук О.М. Удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах засобами гідравлічної автоматизації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки). - Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне. - 2007.

Дисертацію присвячено питанням удосконалення процесів водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах засобами гідравлічної автоматизації. В ній дістали подальшого розвитку наукові підходи до підвищення ефективності водорегулювання шляхом розробки та впровадження більш досконалих конструкцій гідравлічних регуляторів і наукового обґрунтування їх параметрів. Удосконалено метод розрахунку рівневого режиму у колекторно-дренажній мережі, що дає змогу обґрунтовувати параметри регулювання РҐВ і настроювати розроблені гідрорегулятори. Проведено комплексні дослідження (лабораторні, польові, машинні) для вивчення роботи меліоративної системи з використанням засобів гідравлічної автоматизації при різних технологіях та змінних умовах тепло- і вологозабезпеченості. Розроблені рекомендації виробництву і виконана інвестиційна оцінка науково-технічних розробок, впровадження яких підвищить еколого-економічну ефективність водорегулювання осушуваних земель.

Ключові слова: водорегулювання, осушувально-зволожувальна система, гідравлічний регулятор, комплексні дослідження.

Аннотация

Наумчук А.Н. Усовершенствование процессов водорегулирования на осушительно-увлажнительных системах средствами гидравлической автоматизации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 - сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). - Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно. - 2007.

Диссертация посвящена вопросам усовершенствования процессов водорегулирования на осушительно-увлажнительных системах средствами гидравлической автоматизации. В ней получили дальнейшее развитие научные подходы относительно повышения эффективности водорегулирования путем внедрения более совершенных конструкций средств гидравлической автоматизации и научное обоснование их параметров.

Для реализации предложенного подхода разработаны гидравлические регуляторы, которые в отличии от существующих используют энергию регулируемого объекта, которая преобразуется и усиливается, что существенно влияет на точность и быстродействие процессов регулирования и позволяет использовать их для водорегулирования открытых и закрытых регулирующих сетей.

Установлена связь между конструктивными параметрами элементов гидрорегуляторов и действующими на них силами гидростатического давления в виде уравнений гидростатического равновесия, что в развитие имеющихся методов дает возможность учесть наиболее критические режимы работы гидрорегуляторов и обосновать их значение при разработке новых средств гидравлической автоматизации. Проведено усовершенствование метода расчета уровенного режима в коллекторно-дренажной сети в части его использования для технологии циклического увлажнения, что позволяет определять напоры над дренами и длительность их удерживания при расчете параметров регулирования осушительно-увлажнительной сети. Кроме того, разработаны математические модели взаимодействия регулирующей сети и средств гидравлической автоматизации, что позволяет моделировать влияние гидравлических регуляторов на процессы водорегулирования и осуществлять выбор рациональных параметров их конструкций.

Проведены комплексные исследования (лабораторные, полевые, машинные). Для прогнозирования работы мелиоративных систем с использованием автоматизированого водорегулирования при изменении метеофакторов во времени применена комплексная оценка эффективности средств гидравлической автоматизации при помощи машинного эксперимента на ЭОМ, потому как лабораторных и полевых исследований не дают полной картины при изменяемых условиях тепло- и влагообеспеченности в разные годи при разных технологиях водорегулирования.

По результатам исследований подготовлены рекомендаций по установке и эксплуатации автоматических гидрорегуляторов уровней на осушительно-увлажнительных системах Западного Полесья и выполнена инвестиционная оценка научно-технических разработок. Все это в комплексе позволит повысить экономическую и экологическую эффективность осушительно-увлажнительных систем при использовании разных технологий водорегулирования и в конечном итоге отразится на урожайности сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: водорегулирование, осушительно-увлажнительная система, гидравлический регулятор, комплексные исследования.

Summary

Naumchuk O.M. Improvement of water management processes on the irrigation and drainage systems by means of hydraulic automation.

Dissertation for gaining scientific degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 06.01.02 - Agricultural land improvement (technical sciences). National university of water management and nature resources use. Rіvne. - 2007.

Dissertation is devoted to the questions of improvement of water management processes on the irrigation and drainage systems by means of hydraulic automation. It describes the way of further improvement of water management technology by introduction of advanced hydraulic automation hardware design, and scientific substantiation of its parameters. The calculation methods of the level mode parameters are improved for usage in adjustment of the developed hydraulic regulator. Complex research (laboratorial, field, machine) of hydraulic automation hardware is conducted. This development will enable the enhancement of water management efficiency of draining lands due to the total improvement of the soil water mode.

Key words: water management, irrigation and drainage systems, hydraulic regulator, complex research.

Размещено на Allbest.ru

...