Автоматизированная технология определения расхода воды в оросительных каналах
Повышение уровня эксплуатации оросительных и обводнительных систем в целях обеспечения производства продовольствия требует дальнейшего совершенствования методов, способов и технических средств оперативного учета, распределения и экономии водных ресурсов во всех звеньях системы. Данные РосНИИПМ о том, что 70% гидропостов оснащены только гидрометрическими рейками, и невозможность в ближайшей перспективе оборудовать их другими средствами измерений, свидетельствуют о неблагоприятном положении с водоучетом в мелиорации.
Введение платного водопользования потребует от водохозяйственных организаций обеспечить современный уровень коммерческого водоучета.
В настоящее время в открытых каналах гидромелиоративных систем широко применяется метод измерения расхода воды «скорость-площадь», основанный на вычислении средней скорости водного потока, проходящего через створ гидротехнического сооружения. Вычисление средней скорости потока производится путём последовательного во времени измерения осредненных местных скоростей во многих точках поперечного сечения створа гидрометрического сооружения и их усреднения. При этом не учитываются инерционные свойства гидрометрической вертушки, что снижает точность в условиях турбулентных пульсаций, а вычисление расхода в канале является очень трудоемким. Решение таких задач не возможно без автоматизации процесса измерений и обработки информации.
Повышение точности и автоматизации измерений также являются актуальными при проведении научно-исследовательских работ на моделях и натурных объектах оросительных систем.
Работа выполнялась в соответствии с заданием 03.01.01 Межведомственной координационной программы развития АПК РФ на 2006 - 2010 годы «Разработать технологии проектирования, эксплуатации и управления мелиоративными системами, обеспечивающими воспроизводство природно-ресурсного потенциала агроландшафтов»
Цель работы — разработать автоматизированную технологию, повышающую точность и снижающую трудоемкость при определении расхода на оросительных системах, а также при лабораторных и натурных исследованиях элементов и сооружений инженерно-мелиоративных систем. Задачи исследований: провести сбор и анализ информации по существующим технологиям и средствам определения расхода воды в каналах мелиоративных систем; разработать программно-аппаратный комплекс и определить его точностные характеристики; усовершенствовать технологию определения расхода воды по методу «скорость-площадь» путем учета пульсационных характеристик потока; провести сравнительную оценку точности и эффективности существующей и разработанной технологии определения расхода. Научную новизну работы составляют: зависимости для определения осредненной местной скорости течения воды в каналах открытых оросительных систем, отличающиеся учетом инерционных характеристик гидрометрической вертушки в условиях пульсаций потока; зависимости для определения моментов случайной величины пульсации скорости; методика определения инерционных характеристик гидрометрической вертушки; алгоритмы поддержки измерений в процессе определения расхода воды.
Основные положения:
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении теоретических, лабораторных и натурных исследований, построении алгоритмов работы программно-аппаратного комплекса и его технической реализации, анализе результатов, формулировании выводов и предложений производству.
Достоверность результатов исследований подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате лабораторных и натурных исследований в многократной повторности, достаточным объемом расчетных данных, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами апробации в производственных условиях.
Практическая ценность работы. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет повысить точность измерений, сократить трудоемкость и время измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем. Предлагаемая автоматизированная технология определения расхода воды в условиях пульсаций скорости может быть использована эксплуатационными водохозяйственными организациями, а так же органами стандартизации и метрологии при поверке и освидетельствовании приборов водоучета.
Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международной конференции «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» (Краснодар, 2008г.); на региональной научно-практической конференции «Гидротехника, гидравлика, геоэкология» (Новочеркасск, 2002г.); на конференции: «Актуальные вопросы повышения эффективности водных мелиораций в южном федеральном округе» (Новочеркасск, 2000г.); на IV Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск 2000г.); научно-практических конференциях сотрудников НГМА в (1998-2007 г.).
Внедрение автоматизированной технологии определения расхода воды в каналах осуществлено на Пролетарской оросительной системе Ростовской области. Программно-аппаратный комплекс использовался при проведении лабораторных исследований Юмагузинского водохранилищного узла на реке белой республики Башкортостан и при гидравлических исследованиях нижнего бьефа Краснодарского гидроузла на реке Кубань. Материалы исследований использованы при составлении отчетов о НИР выполняемых согласно задания 03.01.01 координационной программы развития АПК Министерства сельского хозяйства РФ на 2006 — 2010 годы.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе: одна статья в перечне журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, три статьи и одна монография в зарубежных издательствах.
Общие выводы
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
Введение платного водопользования потребует от водохозяйственных организаций обеспечить современный уровень коммерческого водоучета.
В настоящее время в открытых каналах гидромелиоративных систем широко применяется метод измерения расхода воды «скорость-площадь», основанный на вычислении средней скорости водного потока, проходящего через створ гидротехнического сооружения. Вычисление средней скорости потока производится путём последовательного во времени измерения осредненных местных скоростей во многих точках поперечного сечения створа гидрометрического сооружения и их усреднения. При этом не учитываются инерционные свойства гидрометрической вертушки, что снижает точность в условиях турбулентных пульсаций, а вычисление расхода в канале является очень трудоемким. Решение таких задач не возможно без автоматизации процесса измерений и обработки информации.
Повышение точности и автоматизации измерений также являются актуальными при проведении научно-исследовательских работ на моделях и натурных объектах оросительных систем.
Работа выполнялась в соответствии с заданием 03.01.01 Межведомственной координационной программы развития АПК РФ на 2006 - 2010 годы «Разработать технологии проектирования, эксплуатации и управления мелиоративными системами, обеспечивающими воспроизводство природно-ресурсного потенциала агроландшафтов»
Цель работы — разработать автоматизированную технологию, повышающую точность и снижающую трудоемкость при определении расхода на оросительных системах, а также при лабораторных и натурных исследованиях элементов и сооружений инженерно-мелиоративных систем. Задачи исследований: провести сбор и анализ информации по существующим технологиям и средствам определения расхода воды в каналах мелиоративных систем; разработать программно-аппаратный комплекс и определить его точностные характеристики; усовершенствовать технологию определения расхода воды по методу «скорость-площадь» путем учета пульсационных характеристик потока; провести сравнительную оценку точности и эффективности существующей и разработанной технологии определения расхода. Научную новизну работы составляют: зависимости для определения осредненной местной скорости течения воды в каналах открытых оросительных систем, отличающиеся учетом инерционных характеристик гидрометрической вертушки в условиях пульсаций потока; зависимости для определения моментов случайной величины пульсации скорости; методика определения инерционных характеристик гидрометрической вертушки; алгоритмы поддержки измерений в процессе определения расхода воды.
Основные положения:
- автоматизированная технология определения расхода воды в каналах оросительных систем; конструктивное исполнение программно-аппаратного комплекса для эксплуатационных организаций и проведения научных исследований;
- алгоритмы и программы, автоматизирующие сбор, накопление, обработку и оценку достоверности информации.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении теоретических, лабораторных и натурных исследований, построении алгоритмов работы программно-аппаратного комплекса и его технической реализации, анализе результатов, формулировании выводов и предложений производству.
Достоверность результатов исследований подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате лабораторных и натурных исследований в многократной повторности, достаточным объемом расчетных данных, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами апробации в производственных условиях.
Практическая ценность работы. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет повысить точность измерений, сократить трудоемкость и время измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем. Предлагаемая автоматизированная технология определения расхода воды в условиях пульсаций скорости может быть использована эксплуатационными водохозяйственными организациями, а так же органами стандартизации и метрологии при поверке и освидетельствовании приборов водоучета.
Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международной конференции «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» (Краснодар, 2008г.); на региональной научно-практической конференции «Гидротехника, гидравлика, геоэкология» (Новочеркасск, 2002г.); на конференции: «Актуальные вопросы повышения эффективности водных мелиораций в южном федеральном округе» (Новочеркасск, 2000г.); на IV Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск 2000г.); научно-практических конференциях сотрудников НГМА в (1998-2007 г.).
Внедрение автоматизированной технологии определения расхода воды в каналах осуществлено на Пролетарской оросительной системе Ростовской области. Программно-аппаратный комплекс использовался при проведении лабораторных исследований Юмагузинского водохранилищного узла на реке белой республики Башкортостан и при гидравлических исследованиях нижнего бьефа Краснодарского гидроузла на реке Кубань. Материалы исследований использованы при составлении отчетов о НИР выполняемых согласно задания 03.01.01 координационной программы развития АПК Министерства сельского хозяйства РФ на 2006 — 2010 годы.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе: одна статья в перечне журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, три статьи и одна монография в зарубежных издательствах.
Общие выводы
- Существующая технология определения расхода воды в канале обладает низкой точностью замера скорости в условиях пульсаций потока и значительной трудоемкость измерений и вычислений расхода по методу «скорость-площадь».
- Основным методом измерения расходов в оросительных каналах, до настоящего времени остается метод «скорость-площадь», точность этого метода может быть увеличена путем повышения точности измерения скорости. Из существующих средств регистрации скорости гидрометрическая вертушка является наиболее распространенным и доступным, однако существующие методики измерения не учитывают ее инерционных свойств.
- В целях совершенствования приборного оборудования разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий измерять не только значение осредненной скорости в условиях пульсации, но и программно вычислять значение расхода через рассматриваемый створ.
- Экспериментально и аналитически установлено, что осредненное значение скорости в промерной точке нельзя рассчитывать как среднее из ряда мгновенных скоростей при измерении гидрометрической вертушкой (относительная погрешность даже в условиях умеренной интенсивности турбулентности 0,1 составляет 10%). При расчете других моментов случайной величины пульсаций скорости также необходимо учитывать неравномерность вращения гидрометрического винта. С учетом этого аналитически выведена зависимость для расчета моментов случайной величины пульсаций скорости учитывающая неравномерность вращения винта гидрометрической вертушки.
- Разработана методика, алгоритмы и программное обеспечение определения инерционных характеристик гидрометрических вертушек для ПЭВМ, таких как время и путь синхронизации, позволяющие уточнять измеренное значение скорости в канале для любых винтов вертушек.
- Получены эмпирические зависимости для определения осредненной местной скорости течения воды в канале оросительной системы корректирующие значение измеренной скорости путем учета инерционных характеристик гидрометрической вертушки в условиях пульсации потока.
- Разработана автоматизированная технология определения расхода воды в каналах оросительных систем, предусматривающая использование созданного программно-аппаратного комплекса позволяющего автоматизировать расчет положения промерных вертикалей, измерение и расчет осредненной местной скорости, расчет расхода воды через гидрометрический створ и сохранение его в базе данных. Предлагаемая технология позволяет обеспечить точность определения расхода в пределах 3-4%, а также сократить трудоемкость и время измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем в 5,4 раза.
- Применение программно-аппаратного комплекса в полевых условиях позволило всю камеральную обработку данных производить непосредственно на объекте исследований с получением конечных результатов.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
- Разработанную автоматизированную технологию предлагается применять в эксплуатационных водохозяйственных организациях на гидрометрических постах открытых оросительных систем для решения задач водоучета и водораспределения.
- Разработанный программно-аппаратный комплекс рекомендуется использовать для проведения натурных и лабораторных исследований элементов инженерно-мелиоративных систем. Полученные формулы для корректировки значений осредненных скоростей измеренных в условиях турбулентных пульсаций могут быть использованы органами стандартизации и метрологии при поверке и освидетельствовании приборов водоучета.
