Совершенствование способов определения расхода воды в открытых мелиоративных каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование способов определения расхода воды в открытых мелиоративных каналах

В.Н. Щедрин, М.В. Вайнберг, А.А. Чураев Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Аннотация

Целью исследований являлся анализ точности определения коэффициента шероховатости. Для этого были использованы два способа определения расхода воды по методу «уклон - площадь»: с учетом перепада свободной поверхности воды, без учета перепада. За эталонный расход воды при этом был принят расход, рассчитанный объемным методом. В процессе исследований были проведены опыты по определению влияния глубины потока и расхода воды на коэффициент шероховатости при изменении уклона дна лотка от 0,0002 до 0,0006. Для подтверждения достоверности полученных данных произведена статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости, вычисленных без учета и с учетом перепада свободной поверхности воды. В первом опыте коэффициент вариации составил 0,82 % против 1,27 %, во втором - 0,81 % против 1,23 % и в третьем - 0,59 % против 1,64 %. Полученные данные были проанализированы с целью определения влияния перепада свободной поверхности на точность определения расхода воды. В результате проведенных расчетов относительная погрешность расхода воды без учета перепада свободной поверхности составила в первом опыте дQ_max=2,51%, во втором дQ_max=2,83% и в третьем дQ_max=3,24%. С учетом перепада свободной поверхности относительная погрешность по расходу составила в первом опыте дQ_max=1,67%, во втором опыте дQ_max=1,84%, в третьем дQ_max=1,25 %. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что определение коэффициента шероховатости и расхода воды по предложенному способу необходимо осуществлять с учетом перепада свободной поверхности воды, при этом предложенный способ позволяет устанавливать и отслеживать величину расхода воды в непрерывном режиме (онлайн).

Ключевые слова: коэффициент шероховатости, метод «уклон - площадь», расход воды, перепад свободной поверхности воды, коэффициент Шези.

Abstract

The objective of the research was to analyze the accuracy of defining roughness coefficient. For this purpose two methods were used to determine water discharge by “slope-area” method: considering drop of free surface of water and excluding the drop. As a reference water discharge the discharge calculating by volume method was assumed. During the investigation experiments on defining the impact of flow depth and water discharge on roughness coefficient at the range of tray bottom slope 0.0002 to 0.0006 were carried out. To confirm reliability of data obtained, statistical treatment of values of roughness coefficient, calculated considering drop of free surface of water and excluding the drop, was done. In the first experiment variation coefficient was 0.82 % against 1.27 %, in the second one - 0.81% against 1.23 %, and in the third - 0.59 % against 1.64 %. Data obtained were analyzed in order to define the impact of free surface drop on the accuracy of determining water discharge. As a result of conducted calculations relative error in the first experiment was дQ_max = 2.51 %, in the second - дQ_max = 2.83 %, and in the third - дQ_max = 3.24 %. Considering the drop of free surface relative error on discharge in the first experiment was дQ_max = 1.67 %, in the second - дQ_max = 1.84 %, and in the third - дQ_max = 1.25 %. Based on the results obtained, the conclusion can be formulated that defining of roughness coefficient and water discharge according to proposed method should be done considering drop of free surface of water. While the method proposed allows determining and monitoring the value of water discharge in a continuous mode (on-line).

Keywords: roughness coefficient, slope-area method, water discharge, drop of free surface of water, Chezy coefficient.

Выбор значения коэффициента шероховатости равносилен определению сопротивления течению, природа которого на современном этапе знаний, в сущности, непостижима [1-6]. Опытные инженеры принимают этот коэффициент, основываясь на своей многолетней практике, а начинающие - наугад, причем результаты значительно различаются.

В каналах оросительных систем значение коэффициента шероховатости весьма изменчиво и зависит от большого количества факторов [7], таких как наличие растительности, неоднородность грунта ложа канала, заиление и размыв, размеры и форма канала и т. д. Оно не может приниматься постоянным и единственным для всех случаев.

От точности определения коэффициента шероховатости зависит точность вычисления расхода воды, так как является элементом, входящим в состав расчетных выражений для определения расхода.

Известен способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон - площадь», разработанный А.Е. Ивахненко (RU 2327114 C 2, G 01 F 1/00, от 20.06.2008) [8]. Сущность способа сводится к использованию одного уровнемера, расположенного в уровнемерном колодце нижнего гидрометрического створа, для измерения уровней в верхнем и нижнем гидрометрических створах, определению перепада уровней между верхним и нижним створами и вычислению расхода. Достоинствами способа являются:

- повышение точности и достоверности определения расхода воды за счет более точного измерения перепада уровней воды в верхнем и нижнем измерительных створах, так как измерения производятся одним измерительным прибором (уровнемером);

- возможность автоматизации процесса измерений;

- возможность уменьшения величины обратного уклона или полный отказ от его устройства;

- снижение затрат на эксплуатацию измерительного участка ввиду близости гидрометрических створов и отсутствия необходимости в строительстве второго уровнемерного колодца.

Недостатками приведенного способа являются:

- отсутствие возможности вычисления расхода воды в режиме непрерывного времени, так как уровни воды в створах и перепад определяются с интервалом 20-30 мин [8];

- низкая надежность измерительного комплекса ввиду наличия движущихся механических элементов (поплавка, задвижки);

- необходимость устройства подводящей трубы с запорным клапаном к успокоительному колодцу с измерительным оборудованием.

С целью устранения недостатков способа измерения, предложенного А.Е. Ивахненко для реализации метода измерения «уклон - площадь», нами предлагается новый способ определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем [9]. Сущность его сводится к использованию двух датчиков уровня воды, оснащенных средствами дистанционной передачи показаний уровня и расположенных в уровнемерных колодцах верхнего и нижнего гидрометрических створов, определению уровней воды в створах, перепада уровней между верхним и нижним створами и вычислению расхода воды.

Использование предложенного нами способа измерения расхода воды по методу «уклон - площадь» позволит эксплуатационным организациям, обслуживающим современные оросительные системы, организовать автоматизированный водоучет, который будет характеризоваться следующими достоинствами:

- отслеживание в непрерывном режиме значений уровней воды в створах, перепада уровней между створами;

- полная автоматизация процесса измерений;

- повышение надежности за счет отсутствия движущихся механических частей измерительного оборудования;

- отсутствие необходимости в устройстве подводящей трубы с запорным клапаном.

При использовании предлагаемого способа, измеряя необходимые параметры водотока с помощью соответствующего приборного и программного обеспечения, на выходе получаем значения расхода в режиме онлайн. Однако погрешность использования предложенного нами способа и оборудования для реализации метода «уклон - площадь» необходимо было подтвердить результатами лабораторных исследований.

Материалы и методы. Метод «уклон - площадь» основан на измерении уклона свободной поверхности воды и площади живого сечения с учетом гидравлического сопротивления русла. Предложенный нами способ реализуется следующим образом. Из измерительного канала по соединительным трубам вода поступает в успокоительные колодцы в верхнем и нижнем гидрометрических створах. Когда течение воды установится, в успокоительных колодцах датчиками уровня воды будут непрерывно регистрироваться измеряемые параметры с заданным интервалом, и с помощью средств дистанционной передачи информация будет передаваться на пункт диспетчера, оснащенный средствами ее обработки и вычисления расхода. По полученным данным и при известных параметрах измерительного участка канала (расстояние между сечениями верхнего и нижнего гидрометрического створа , уклон дна канала , коэффициент шероховатости канала , ширина канала по дну , коэффициент заложения откосов и т. д.) вычисляется искомый расход.

Исследования по определению расхода воды методом «уклон - площадь» проводились в лабораторных условиях. В качестве средства измерения расхода воды применялся прямолинейный участок трубы с полукруглым поперечным сечением, являющийся моделью лотка, оснащенный средством измерения уровней воды в двух створах и удовлетворяющий требованиям точности измерения уклона поверхности воды. С помощью насосного агрегата вода поступала в емкость для подачи воды в лоток лабораторной установки. Проводились измерения глубины потока в верхнем и нижнем гидрометрических створах одновременно (рисунок 1). По измеренным данным вычислялись , и , .

Рисунок 1 - Лабораторная установка: 1 - емкость для используемой воды; 2 - задвижка; 3 - насос; 4 - емкость для подачи воды; 5 - затвор; 6 - датчики уровня воды для определения и в верхнем и нижнем створах; 7 - труба; 8 - жалюзи; 9 - емкость для сбросной воды; 10 - контроллер для приема и обработки дистанционного сигнала с датчиков уровня воды; 11 - компьютер с программой вычисления расхода воды

Расход воды определялся по формуле, являющейся решением дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося движения жидкости в открытом канале оросительной сети [10, 11]. Для прямого ( > 0) уклона формула имеет вид:

,(1)

где - расход, м³/с;

- площадь живого сечения в створах 1 и 2, м²;

, - глубина воды в створах 1 и 2, м;

- уклон дна канала;

- расстояние между створами, м;

- коэффициент скорости, равный 1,1;

- ширина канала по свободной поверхности воды в створах 1 и 2, м;

- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

- коэффициент Шези в створах 1 и 2, м^0,5/с;

- гидравлические радиусы в створах 1 и 2, м.

Для определения фактического коэффициента шероховатости использовалось основное уравнение расхода воды при равномерном движении жидкости [12]:

.(2)

Используя выражение (2), определяли коэффициент Шези :

.

В практических расчетах открытых русел преимущественно призматической формы наиболее подходящей для определения коэффициента шероховатости является формула Агроскина, которая при проведении лабораторных исследований позволила получить значения п, наиболее близкие к определенным экспериментально:

, отсюда .

Расчеты производились с использованием программы Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение. Был проведен анализ точности определения коэффициента шероховатости путем решения обратной задачи двумя выражениями: предлагаемым выражением (1), в состав которого входит перепад свободной поверхности воды, и формулой Шези (2), в состав которой не входит перепад свободной поверхности воды.

Эталонный расход воды определялся объемным методом. Изменение расхода воды осуществлялось с помощью затвора 5 (рисунок 1).

Таблица 1 - Значения измерения расхода воды, подаваемого насосами

Расход, подаваемый насосом, вычисляли по формуле:

Q=W/t,

где W - объем воды в мерной емкости, л;

t - продолжительность заполнения мерной емкости, с.

Значения рассчитанного объемным методом расхода воды приведены в таблице 1. Измерения расхода проводились не менее пяти раз.

При определении расхода воды в лабораторных условиях могут возникать случайные ошибки, которые необходимо учитывать с помощью методов теории вероятности [13], затем следует вносить соответствующие поправки.

В классической теории ошибок доказано, что случайные ошибки подчиняются нормальному закону распределения. Для оценки колеблемости значений признака относительно средней ошибки используются характеристики рассеяния. Они различаются выбранной формой и способами оценки отклонений от нее отдельных вариантов [14]. К таким показателям относятся среднее квадратическое отклонение, дисперсия и коэффициент вариации.

Оценка отклонений у определяется по формуле [13, 15]:

,

где - средняя арифметическая простая, которая определяется по формуле:

,

где - число измерений;

- значение признака в дискретном ряду;

Дисперсией измерений является квадрат величины , определяемый по формуле [16]:

.

Для оценки меры вариации и ее значимости используют коэффициент вариации V, который дает относительную оценку вариации [17]. Коэффициент определяется по следующей формуле и выражается в процентах:

.

Коэффициенты вариации дают относительную характеристику однородности явлений и процессов. Они позволяют сравнивать степень вариации разных признаков. Статистическая обработка значений задаваемого эталонного расхода приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Статистическая обработка измерения задаваемого эталонного расхода

По результатам лабораторных опытов относительная погрешность эталонного расхода воды составила 0,5-0,7 %, т. е. точность постановки эксперимента высока [13].

Далее нами были произведены три опыта, в которых были рассчитаны гидравлические элементы лотка. Опыты сводились к изменению уклона дна лотка от 0,0002 до 0,0006 и определению влияния глубины потока на коэффициент шероховатости , устанавливаемый по формуле (2), в которой использовалось основное уравнение расхода воды при равномерном движении жидкости без учета перепада (таблица 3), и по предложенной формуле (1), в которой учитывается перепад свободной поверхности воды (таблица 4).

По полученным результатам видно, что коэффициент шероховатости n изменяется с увеличением расхода воды и глубины потока. Чтобы определить характер изменения данного значения n в зависимости от глубины потока без учета перепада свободной поверхности воды и с его учетом, проведена статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости (таблицы 5 и 6).

Таблица 3 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов без учета перепада свободной поверхности воды

Из полученных данных видно, что в зависимости от изменения уклона дна лотка варьирует и коэффициент шероховатости и чем меньше глубина потока, тем выше значение коэффициента шероховатости n.

Таблица 4 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов с учетом перепада свободной поверхности воды

Таблица 5 - Результаты статистической обработки значений коэффициентов шероховатости, вычисленных без учета перепада свободной поверхности воды

Таблица 6 - Статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости, вычисленных с учетом перепада свободной поверхности воды

Также из данных таблицы 3 можно сделать вывод о том, что перепад свободной поверхности меняется при различных расходах воды. Исходя из этого, можно предположить, что изменение уклона свободной поверхности воды является реакцией потока на изменение гидравлического сопротивления. Данное предположение подтверждается статистической обработкой значений коэффициентов шероховатости с учетом перепада свободной поверхности воды (таблица 6). Коэффициент вариации при определении коэффициента шероховатости способом, учитывающим перепад свободной поверхности воды, в первом опыте составил 0,82 %, при определении способом, не учитывающим перепад свободной поверхности воды, - 1,27 %, во втором опыте - 0,81 и 1,23 % соответственно, в третьем - 0,59 и 1,64 % соответственно. На основании полученных данных можно заключить, что при вычислении коэффициента шероховатости для получения достоверного результата следует учитывать перепад свободной поверхности воды.

Так как перепад свободной поверхности водного потока влияет на точность определения коэффициента шероховатости, то, соответственно, он также влияет на точность определения расхода воды. Это подтверждается результатами лабораторных исследований (таблица 7, рисунки 2-5) по определению расхода воды объемным методом и сравнения его значений со значениями, вычисленными по выражению (1) и способу, предложенному А.Е. Ивахненко [18].

Таблица 7 - Относительные погрешности определения расхода воды в зависимости от способа определения коэффициента шероховатости n

Рисунок 2 - Зависимость значения расхода воды Q₁ от h при значении n, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды

При определении коэффициента шероховатости n без учета перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А.Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте = 2,45 %, во втором опыте = 2,78 %, в третьем = 3,33 %. При вычислении по выражению (1) данный параметр был равен в первом опыте = 2,51 %, во втором опыте = 2,83 %, в третьем = 3,24 %.

Рисунок 3 - Зависимость значения расхода воды Q₁ от h при значении n, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды

Рисунок 4 - Зависимость значения расхода воды Q₂ от h при значении n, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды

При вычислении коэффициента шероховатости n с учетом перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А.Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте = 1,55 %, во втором опыте = 1,72 %, в третьем = 1,25 %. При вычислении по выражению (1) данная величина в первом опыте была равна = 1,67 %, во втором опыте = 1,84 %, в третьем = 1,25 %.

Рисунок 5 - Зависимость значения расхода воды Q₂ от h при значении n, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды

Перепад свободной поверхности влияет на точность определения расхода воды. При установлении коэффициента шероховатости n с учетом перепада свободной поверхности погрешность значения расхода воды снижается почти в два раза. Значения погрешности определения расхода воды при установлении коэффициента шероховатости предложенным нами и А.Е. Ивахненко способом в итоге отличаются незначительно, однако преимуществом нашего способа является определение расхода воды в режиме реального времени, тогда как по способу А.Е. Ивахненко временные затраты составляют 20-30 мин.

шероховатость вода перепад гидравлический

Список литературы

1. Павловский Н.Н. Гидравлика открытых каналов / Н.Н. Павловский. - Л. - М.: Энергия, 1937. - 890 с.

2. Чугаев Р.Р. Гидравлика / Р.Р. Чугаев. - Л.: Энергия, 1970. - 552 с.

3. Чоу B.T. Гидравлика открытых каналов / В.Т. Чоу. - М.: Лит. по стр-ву, 1969. - 464 с.

4. Барышников Н.Б. Коэффициенты шероховатости речных русел / Н.Б. Барышников, Е.С. Субботина, Ю.А. Демидова // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета / ГОУ ВПО «РГГМУ». - 2010. - Вып. 12. - С. 14-19.

5. Численная модель динамики поверхностных вод в русле Волги: оценка коэффициента шероховатости / А.В. Писарев, С.С. Храпов, Е.О. Агофонникова, А.В. Хоперсков // Вестник Удмуртского университета / ФГБОУ ВПО «УдГУ». - 2013. - Вып. 1. - С. 114-130.

6. Гусев А.А. Гидравлика. Теория и практика: учеб. для вузов / А.А. Гусев. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Юрайт, 2015. - 285 с.

7. Карасев И.Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети / И.Ф. Карасев // Труды ГГИ. - 1986. - Вып. 164. - С. 3-36.

8. Пат. 2327114 Российская Федерация, МПК G 01 F 1/00. Способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон-площадь» / Ивахненко А.Е., Клишин В.Т., Варичев М.А., Смирнов С. Н.; заявитель и патентообладатель Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - № 2006123303/28; заявл. 10.01.08; опубл. 20.06.08. - 4 с.

9 Чураев, А.А. Результаты исследования погрешности измерений при реализации способа определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем по методу «уклон - площадь» / А.А. Чураев, М.В. Вайнберг // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - № 3(19). - 19 с.

10. Богомолов А.И. Гидравлика / А.И. Богомолов, К.А. Михайлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.

11. Чураев А.А. Современное применение метода «уклон - площадь» на открытых каналах оросительных систем / А.А. Чураев, М.В. Вайнберг // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - Вып. № 2(58). - С. 136-142.

12. Агроскин И.И. Гидравлика / И.И. Агроскин, Г.Т. Дмитриев, Ф.И. Пикалов. - Л.: Энергия, 1964. - 352 с.

13. Джонсон И. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента / И. Джонсон, Ф. Лион: [пер. с англ.]. - М.: Мир, 1981. - 520 с.

14. Гальчук В.Я. Техника научного эксперимента / В.Я. Гальчук, А.П. Соловьев. - Л.: Судостроение, 1982. - 256 с.

15 Доспехов Б.А. Методика полевого опыта с основами статистической обработки результатов исследований / Б.А. Доспехов. - М.: Колос, 1979. - 416 с.

16 Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды / Д.Е. Скородумов // Труды ГГИ. - 1965. - Вып. 128. - С. 3-97.

17 Натальчук М.Ф. Эксплуатация гидромелиоративных систем / М.Ф. Натальчук, В.И. Ольгаренко, В.А. Сурин. - М.: Колос, 1995. - 320 с.

18 Ивахненко А.Е. Способ определения расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон - площадь» / А.Е. Ивахненко // Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации: сб. науч. докл. III Всерос. конф. молодых учен., г. Коломна, 25-27 мая 2006 г. - Коломна, 2006. - С. 84-92.

Размещено на Allbest.ru