Гидравлический расчет автоматизированного водораспределения с перетекающими объемами в системе регулируемых бьефов канала

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ С ПЕРЕТЕКАЮЩИМИ ОБЪЕМАМИ В СИСТЕМЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ БЬЕФОВ КАНАЛА

Ю. Г. Иваненко, К. Г. Гурин

Аннотация

Целью исследований являлось решение проблемы экономного рационального расходования водных ресурсов на рассматриваемой водохозяйственной территории. Эффективность работы оросительных магистральных каналов зависит от того, насколько полно используются резервные запасы воды в бьефах каналов. Контроль и прямое измерение характеристик гидравлических процессов в натурных условиях затруднены, что требует применения методов математического моделирования и имитационных исследований переходных процессов, основой которых являются алгоритмы функционирования средств управления переходными гидравлическими процессами в открытых каналах. В процессе исследований рассмотрен закон автоматического регулирования водораспределения, при котором локальные гидравлические регуляторы уровней воды, установленные в заданных бьефах фиксированного участка канала, работают совместно по нижнему и верхнему бьефам сооружений (с перетекающими объемами). Приводятся результаты исследований переходных гидравлических процессов в системе бьефов Азовского магистрального канала с целью изучения характера взаимосвязей между параметрами неустановившегося течения воды. Установлено, что рассмотренный способ активного управления водораспределением дает возможность использовать имеющиеся резервные емкости воды в бьефах канала. Такой результат достигается путем точного контроля изменений уровней в начале 18-го и конце 30-го бьефа, при этом создается возможность перераспределять резервные объемы воды по длине канала и тем самым существенно повысить эффективность работы насосной станции и системы водораспределения в целом. Кроме того, определено, что на участке фиксированного русла Азовского магистрального канала протяженностью 33,5 км режим движения воды близок к установившемуся. В связи с этим здесь можно применять традиционные средства измерения расходов и уровней, что позволит оптимизировать процессы управления водораспределением и существенно сократить холостые и нетехнологические сбросы воды из системы.

Ключевые слова: гидравлические процессы, канал, неустановившееся течение, водораспределение, уровни воды, бьеф, измерение расходов.

Abstract

The aim of the research was to solve the problem of economical and efficient consumption of water resources on the water complex under consideration. The efficiency of the irrigation main channels depends on the fact how completely the water reserve supplies in channel pools are used. Control and direct measurement of hydraulic processes characteristics in field conditions are difficult and require the use of mathematical modeling methods and simulation transients studies, which are based on operation algorithms of control tools of hydraulic transient processes in open channels. In the process of research the law of automatic control of water distribution, in which the local hydraulic water levels controls set in the specified pools of the channel, work together on the downstream and upstream pools (with overflowing volumes). The results of studies of transition hydraulic processes in the system of Azov main channel pools in order to study the nature of interconnections between the parameters of unsteady flow are given. It has been found that this way of active water distribution management makes it possible to use the existing reserve water in channel pools. This result is achieved by precise control of water level changes at the beginning of the 18^th and in the end of the 30^th pools. It allows redistributing reserve water supplies along the channel and therefore helps to increase the efficiency of pumping station and water distribution system as a whole. In addition, it is determined that on the 33.5 km long section of a fixed bed of Azov main channel water flow regime is close to a steady one. In this connection, traditional means of measuring the costs and levels are used that will optimize water distribution processes and significantly reduce idle and non-process water discharges from the system.

Keywords: hydraulic processes, channel, unsteady flow, water distribution, water levels, tailrace, flow-rate metering.

Введение

Проблема экономного рационального расходования водных ресурсов на рассматриваемой водохозяйственной территории в настоящее время не может решаться успешно без взаимоувязанного рассмотрения вопросов водоучета и управления водораспределением, основанных на системных принципах. Исследования в области водоучета и водораспределения проводили В. Н. Щедрин [1], П. И. Коваленко [2], В. Я. Бочкарев [3] и др.

В настоящей работе сформулирована математическая задача гидравлического расчета автоматизированного водораспределения в системе бьефов Азовского магистрального канала при автоматическом регулировании с перетекающими объемами и составлен численный алгоритм решения задачи, основанный на методе характеристик.

Контроль и прямое измерение параметров гидравлических процессов в натурных условиях затруднены, что требует применения методов математического моделирования и имитационных исследований, основой которых являются алгоритмы функционирования средств управления переходными гидравлическими процессами в открытых каналах.

При применении закона регулирования с перетекающими объемами места установки локальных регуляторов в системе бьефов и перегораживающих сооружений магистрального канала определяются в процессе проведения специальных имитационных исследований на математической модели [4].

Целью исследований является решение проблемы рационального расходования водных ресурсов путем применения закона автоматического регулирования водораспределения, при котором локальные гидравлические регуляторы уровней воды, установленные в заданных бьефах фиксированного русла канала, работают совместно по нижнему и верхнему бьефам сооружений (с перетекающими объемами), при этом под фиксированным руслом понимается участок канала между перегораживающими сооружениями [2].

Материалы и методы. Рассмотрим численный алгоритм решения задачи, основанный на методе характеристик.

Дифференциальные уравнения характеристик неустановившегося режима течения воды в открытых призматических руслах можно записать в виде [4-7]: бьеф канал расходование гидравлический

,(1)

,(2)

,(3)

,(4)

где - средняя скорость течения воды в сечении, м/с;

- ускорение силы тяжести, м/c²;

- ширина водотока по урезу воды, м;

- площадь поперечного сечения, м²;

- уклон дна водотока;

- коэффициент Шези, м^0,5/c;

- гидравлический радиус, м;

- время, с;

- пространственная координата, м.

Знак «+» отвечает расходу притока воды к бортам русла, знак «-» - расходу оттока воды от бортов русла. Уравнения (1), (2) относятся к прямой характеристике, уравнения (3), (4) - к обратной. Дифференциальные уравнения характеристик (1)-(4) относятся к классу дифференциальных уравнений вида:

(5)

с нелинейными коэффициентами [8]. Основной метод решения дифференциальных уравнений (5) состоит в линеаризации нелинейных коэффициентов и замене их на некоторой линии дифференцирования , на которой они имеют место, конечно-разностными уравнениями Эйлера:

.(6)

Исследуя связи между точками и на прямой характеристике и между точками и на обратной характеристике, запишем дифференциальные уравнения (1)-(4) в конечных разностях:

,(7)

, (8)

,(9)

, (10)

где , - обозначения створов расчетного участка.

Коэффициенты, входящие в дифференциальные уравнения характеристик, заранее неизвестны, поэтому система алгебраических соотношений (7)-(10) решается методом итераций при заданных начальных и граничных условиях [3, 9].

В качестве начальных условий в методе характеристик применяются решения дифференциальных уравнений начальных характеристик:

, (11)

,(12)

где и определяются между створами и расчетного участка:

,

,

где и - глубины в створах и расчетного участка, м;

- среднее арифметическое значение глубин и ;

- среднеарифметическое значение мало изменяемой величины между точками и расчетного участка:

;

- принятое обозначение;

 - смоченный периметр поперечного сечения канала, м;

- параметр кинетичности потока:

,

где - коэффициент Кориолиса;

- расход потока, м³/с.

Аналитическое решение (11) является начальным условием и служит для построения кривой свободной поверхности в призматическом русле при установившемся режиме течения воды. Уравнение (12) позволяет определять время распространения волны возмущения, движущейся вдоль начальной характеристики. Знак «+» отвечает прямой волне возмущения и прямой начальной характеристике, знак «-» - обратной волне возмущения и обратной начальной характеристике.

Имитационные исследования автоматизированного водораспределения с применением совмещенного регулирования уровней воды по нижнему и верхнему бьефам перегораживающих сооружений (регулирования с перетекающими объемами) проводились на математической модели Азовского магистрального канала с головной насосной станцией.

Азовский магистральный канал представляет собой русло трапецеидального сечения протяженностью более 80 км. Головная насосная станция оборудована четырьмя насосными агрегатами равной производительности ( = 5,0 м³/с) [10].

Контроль режима работы и управления затворами перегораживающих сооружений осуществляется в дискретные моменты в соответствии с математическими зависимостями, описывающими процесс управления. Ему соответствуют расчетные операции управляющих воздействий и установок [11]. В качестве математических зависимостей для расчета управляющих воздействий, оказываемых затворами перегораживающих сооружений, рассматриваются законы регулирования дискретного действия [6].

Имитационными исследованиями определены места установки локальных регуляторов с совмещенным законом регулирования уровней воды по нижнему и верхнему бьефам перегораживающих сооружений

(с перетекающими объемами) в 18-м и 30-м бьефах магистрального канала (таблица 1), т. е. участок Азовского магистрального канала в виде фиксированного русла протяженностью 33,5 км располагается между 18-м и 30-м бьефами.

Таблица 1 - Данные по перегораживающим сооружениям Азовского магистрального канала на участке с 18-го по 30-й бьеф

В качестве начального и граничных условий приняты гидравлические параметры канала по бьефам, соответствующие установившемуся неравномерному течению с расходом воды = 15 м³/с и глубиной в голове канала = 2,052 м.

Результаты и обсуждение. Данные по бьефам с гидравлическими элементами и схематизированными значениями расходов водопотребления, уточненными в процессе проведения натурных исследований на Азовском магистральном канале на участке с 18-го по 30-й бьеф, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Гидравлические элементы на Азовском магистральном канале на участке с 18-го по 30-й бьеф

Так как в работе рассматриваются методы динамического регулирования, учитывающие особенности движения воды, то при таком движении водопотребление осуществляется из регулируемых открытых участков магистрального канала, приближающихся по гидравлическим характеристикам к фиксированному руслу с установившимся режимом течения воды.

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости изменения глубин и расходов воды между локальными регуляторами с совмещенным законом регулирования уровней воды по нижнему и верхнему бьефам перегораживающих сооружений, установленными в 18-м и 30-м бьефах магистрального канала (таблица 2).

Рисунок 1 - Зависимость изменения глубин воды на регулируемом участке канала между перегораживающими сооружениями в 18-м и 30-м бьефах

Рисунок 2 - Зависимость изменения расходов воды на регулируемом участке канала между перегораживающими сооружениями в 18-м и 30-м бьефах

На этих рисунках характеристика «0» отвечает начальному установившемуся процессу течения воды в бьефах канала с расходом = 15 м³/c и периоду времени = 0. Характеристика «180» отвечает условиям неустановившегося процесса течения воды с расходом в головном створе канала = 10 м³/с и периоду времени = 6 ч. Характеристика «720» отвечает условиям неустановившегося процесса течения воды с расходом в головном створе канала = 15 м³/с и периоду времени = 24 ч.

Анализируя представленные зависимости, можно сделать вывод о том, что на участке магистрального канала в пределах фиксированного русла неустановившееся движение воды полностью трансформируется в установившееся. В основе режима работы регулируемых участков канала в виде фиксированного русла лежит принцип автоматического согласования водоподачи и водопотребления при установившемся режиме движения воды, а само фиксированное русло характеризуется такими гидравлическими параметрами, при которых можно применять стандартизированные средства измерения расходов воды.

Выводы

1 Активное автоматизированное управление технологическими процессами водораспределения предполагает использование для расчетов классического метода характеристик, в котором в качестве начальных условий необходимо применять начальные характеристики (11) и (12). При этом аналитическое решение (11) служит для построения кривой свободной поверхности в призматическом русле при установившемся режиме течения воды, а уравнение (12) позволяет определять время распространения волны возмущения, движущейся вдоль начальной характеристики.

2 Разработанный способ активного управления водораспределением позволяет перераспределять имеющиеся резервные объемы воды по длине канала и тем самым существенно повысить эффективность работы системы водораспределения. Такой результат достигается путем точного контроля изменений уровней в начале 18-го и конце 30-го бьефа.

3 Внедрение способа активного автоматизированного управления технологическими процессами водораспределения на оросительных магистральных каналах с применением средств локального совмещенного регулирования уровней воды по верхнему и нижнему бьефам сооружений и использованием резервных запасов объемов воды в бьефах позволяет оптимизировать процессы управления водораспределением и снизить холостые и нетехнологические сбросы из оросительной системы.

4 В условиях работы динамических систем, какими и являются современные оросительные системы, существующие традиционные средства измерения расходов воды не применяются. Однако, в случае автоматического регулирования водораспределения, при котором локальные гидравлические регуляторы уровней воды, установленные в заданных бьефах фиксированного участка канала, работают совместно по нижнему и верхнему бьефам сооружений, режим движения воды близок к установившемуся. По этой причине здесь можно применять традиционные средства измерения расходов воды, что существенно упрощает осуществление контроля уровней и расходов и снижает эксплуатационные расходы.

Список использованных источников

1 Щедрин, В. Н. Совершенствование технологии управления водораспределением на открытых оросительных системах / В. Н. Щедрин, В. И. Коржов. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 1995. - 80 с.

2 Коваленко, П. И. Автоматизация мелиоративных систем / П. И. Коваленко. - М.: Колос, 1983. - 304 с.

3 Бочкарев, В. Я. Современные подходы к созданию типовых комплексов автоматизации оросительных систем / В. Я. Бочкарев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 16-17.

4 Иваненко, Ю. Г. Гидравлический расчет тупиковых саморегулирующихся распределительных каналов автоматизированных оросительных систем / Ю. Г. Иваненко, А. А. Ткачев, А. Ю. Иваненко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион / Серия: Технические науки. - 2014. - № 5(180). - С. 62-65.

5 Картвелишвили, Н. А. Потоки в недеформируемых руслах / Н. А. Картвелишвили. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 279 с.

6 Иваненко, Ю. Г. Применение теории длинных волн для расчета попусков воды из водохранилищ / Ю. Г. Иваненко, Н. Г. Иваненко, А. А. Ткачев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион / Серия: Технические науки. - 2007. - № 4. - С. 87-91.

7 Христианович, С. А. Неустановившееся движение воды в каналах и реках / С. А. Христианович, С. Г. Михлин, Б. Б. Девисон; под ред. Н. Е. Кочина // Некоторые новые вопросы механики сплошной среды. - М.: Изд-во АН СССР, 1938. - С. 3-215.

8 Abbot, M. B. Method of characteristics / M. B. Abbot // Water resources publications. - Colorado, 1975. - Vol. 1. - P. 63-88.

9 Иваненко, Ю. Г. Теоретические и прикладные проблемы гидравлики рек и каналов / Ю. Г. Иваненко, А. А. Ткачев. - Новочеркасск: НГМА, 2007. - 250 с.

10 Косиченко, Ю. М. Каналы переброски стока России / Ю. М. Косиченко. - Новочеркасск: НГМА, 2004. - 470 с.

11 Иваненко, Ю. Г. Расчет параметров неустановившегося течения водных потоков в магистральном канале для способа активного управления водораспределением [Электронный ресурс] / Ю. Г. Иваненко, А. А. Ткачев, А. Ю. Иваненко // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - № 2(14). - 12 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec264-field6.pdf.

References

1 Shchedrin V.N., Korzhov V.I. 1995. Sovershenstvovanie technolohii upravleniya vodoraspredeleniem na otkrytykh orositelnykh sistemakh [Improving the water distribution control management in open irrigation systems]. Moscow, CSTI “Meliovodinform”, 80 p. (In Russian).

2 Kovalenko P.I. 1983. Avtomatizatsiya meliorativmykh sistem [Automation of Reclamation Systems]. Moscow, Kolos Publ., 304 p. (In Russian).

3 Bochkarev V.Yu. 2006. Sovremennye podkhody k sozdaniyu tipovykh sistem [Modern approaches to the creation of standard systems for automated irrigation]. Melioratsiya i vodnoe khozyaistvo [Reclamation and water industry]. no. 6, pp. 16-17. (In Russian).

4 Ivanenko Yu.G., Tkachev A.A., Ivanenko A. Yu. 2014. Gidravlicheskiy raschet tupikovykh samoreguliruyushchichsya raspredelitelnykh kanalov avtomatizirovannykh orositelnykh system [Hydraulic calculation of blind self-regulating distribution channels of automated irrigation systems]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy Region [Proceedings of the higher educational institutions. North Caucasus. Series: Engineering]. no. 5(180), pp. 62-65. (In Russian).

5 Kartvelishvili N.A. 1973. Potoki v nedeformiruemykh ruslakh [Flows in non-deformable beds]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 279 p. (In Russian).

6 Ivanenko Yu.G., Ivanenko N.G., Tkachev A.A. 2007. Primenenie teorii dlinnykh voln dlya rascheta popuskov vody iz vodokhranilishch [Application of the theory of long waves to calculate the water releases from reservoirs]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy Region [Proceedings of the higher educational institutions. North Caucasus / Series: Engineering], no. 4, pp. 87-91. (In Russian).

7 Khristianovich Mikhlin S.A., Davison B.B. 1938. Neustanovivsheesya dvizhenie vody v kanalakh i rekakh [Unsteady movement of water in the canals and rivers]. Nekotorye novye voprosy mekhaniki sploshnoy sredy [Some new issues of continuum mechanics]. Moscow, the USSR Academy of Sciences Publ., pp. 3-215. (In Russian).

8 Abbot M.B. 1975. Method of characteristics. Water resources publications. Colorado, vol. 1, pp. 63-88. (In English).

9 Ivanenko Yu.G., Tkachev A.A. 2007. Teoreticheskie i prikladnye problemy gidravliki rek i kanalov [Theoretical and applied problems of hydraulics of rivers and canals]. Novocherkassk: NSMA, 250 p. (In Russian.).

10 Kosichenko Yu.M. 2004. Kanaly perebroski stoka Rossii [Channels of Diversion of Run-off in Russia]. Novocherkassk, NSMA, 470 p. (In Russian.).

11 Ivanenko Yu.G., Tkachev A.A., Ivanenko A. Yu. 2014. Raschet parametrov neustanovivshegosya techeniya vodnykh potokov v magistralnom kanale dlya sposoba aktivnogo upravleniya vodoraspredeleniem [Calculation of the unsteady water flow parameters in the main channel for the process of active water distribution management [Nauchnyy zhurnal Rossisskogo NII Problem melioratsii [electr. zh.] Novocherkassk, RosNIIPM, no. 2(14), 12 p. Mode of access: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec264-field6.pdf. (In Russian).

Размещено на Allbest.ru