Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности процессов неустановившегося течения воды при существующих способах управления водораспределения в каналах оросительных систем 9
1.1. Влияние непроизводительных сбросов воды на ухудшение экологической обстановки в орошаемых регионах 9
1.2. Основные направления и этапы развития систем водораспределения 11
1.3. Неустановившееся движение воды в каналах оросительных систем. Методы расчета 16
1.4. Имитационные математические модели для расчета нестационарных режимов 27
2. Применение метода характеристик для расчета одномерного неустановившегося течения воды в открытых призматических неразмыбаемых руслах 31
2.1. Дифференциальные уравнения одномерного неустановившегося течения воды в открытых руслах 31
2.2. Установившееся неравномерное течение воды в открытых руслах 34
2.3. Аналитический метод решения дифференциального уравнения неравномерного установившегося течения воды в открытых призматических руслах с прямым уклоном дна 36
2.4. Точное аналитическое решение дифференциального уравнения неравномерного установившегося течения воды в призматических руслах с прямоугольной формой поперечного сечения 38
2.5. Обеспеченность данными и приведение расчетных участков естественных непризматических русел к призматическим. 40
2.6. Дифференциальные уравнения характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах 41
2.7. Численный метод решения дифференциальных уравнений характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах 46
2.8. Аналитический метод решения дифференциальных уравнений начальных характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах 47
2.9. Аналитический метод решения дифференциальных уравнений характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах 51
2.10. Аналитические решения для расчета времени добегания расходов в бьефах без учета влияния отражения волн
3. Математическое моделирование активных средств управления водораспределением в открытых каналах 56
3.1. Имитационные исследования переходных гидравлических процессов в открытых неразмываемых каналах 56
3.2. Имитационные исследования переходных гидравлических процессов в подводящем канале головной насосной станции Азовского магистрального канала Весаповской оросительной системы 59
3.2.1. Краевые условия для подводящего канала головной насосной станции 59
3.2:1.1. Створы возмущения 59
12.1.2. Створ отражения 61
3.2.2. Гидравлический расчет установившегося движения зоды в подводящем канале АзМК. Начальная характеристика 61
3.2.3. Гидравлический расчет неустановившегося движения воды Б подводящем канале 62
3.3. Имитационные исследования АзМК 70
3.3.1. Краевые УСЛОВИЯ для Азовского магистрального канала 70
3.3.1.1. Створы возмущения 70
3.3.1.2. Створы отражения 72
3.3.1.3. Створы сопряжения 73
3.3.2. Гидравлический расчет установившегося движения воды в Азовском магистральном канале. Расчет начальных характеристик 75
3.3.3. Гидравлический расчет неустановившегося движения воды в Азовском магистральном канале 80
3.3.4. Исследование «петли Гистерезиса»
4. Способ активного управления водораспределением в открытых магистральных каналах ОС с головной насосной станцией 95
4.1. Системный водоучет на оросительной сети 95
4.2. Пути снижения непроизводительных сбросов на оросительных системах 101
4.3. Способ активного управления водораспределением на Азовском магистральном канале 105
4.3. Программный комплекс по выбору оптимального уровня технологического обеспечения управления в одораспределением 117
Выводы 121
Литература 123
Приложения 135
- Основные направления и этапы развития систем водораспределения
- Имитационные исследования переходных гидравлических процессов в открытых неразмываемых каналах
- Системный водоучет на оросительной сети
- Программный комплекс по выбору оптимального уровня технологического обеспечения управления в одораспределением
Основные направления и этапы развития систем водораспределения
Проанализируем основные этапы развития систем водораспределения, а также направления и научные подходы к решению проблемы непроизводительных сбросов и потерь оросительной воды на оросительных системах, которые связаны, прежде всего, с разработкой рациональных схем водопотребления и водораспределения, средств их реализации. Попытаемся указать главные причины неудач в решении данной проблемы.
Магистральные и межхозяйственные водоподводящие и водораспределительные каналы с первыми признаками регулирования появились в 30-х годах нашего века. Строились они за счет государственных средств, эксплуатировались штатными кадрами и находились в подчинении РУОС и др. В это же время появились первые средства управления водораспределением (перегородки, водосливы). Тем не менее, эффективность работы систем оставалась на очень невысоком уровне.
В 1935 году был подписан указ СОВНАРКОМа, согласно которому следовало «... обеспечить жесткую экономию воды..., значительно улучшить технику полива и строго карать за хищения и разбазаривание воды...», таким образом, появилась система централизованного управления водораспределением. Через три года появились первые «Правила технической эксплуатации ирригационных систем СССР». В них был заложен принцип подачи воды непрерывным током, ввиду отсутствия технических и технологических решений безсбросного регулирования, а таюке введены нормативы сбросов и потерь оросительной воды из хозяйственной сети в зависимости от орошаемых площадей. Таким образом проблема «лишней воды» не была решена на правительственном уровне и возлагалась на плечи местных управлений ОС. Те, в свою очередь, рапортовали о выполнении «Правил...»; в действительности больший объем поданной воды шел на сброс (более 50%). Можно сказать, что именно в то время была заложена основа тех проблем (экологических, экономических и социальных) в зонах орошения, которые проявились спустя десятилетия и остро стоят в настоящее время.
В 40-50-х годах предпринимались многочисленные попытки усовершенствовать метод централизованного управления «по плану», но принцип подачи воды в хозяйство непрерьгоным током оставался неизменным. В материалах 50-х годов появилось указание о том, что «...водопользователь обязан принимать во внутрихозяйственную сеть направляемую ему воду в размерах и в сроки, установленные планом водопользования и прокорректированные дежурным диспетчером» (79,80).
В 60-е годы начали появляться средства регулирования и автоматизации локальных систем водопотребления. Они включают способы и методы гидравлических и электрических взаимодействий в связи со всевозможными схемами регулирования: по верхнему бьефу, по нижнему бьефу, смешанное регулирование, схемы регулирования перетекающими объемами, каскадное регулирование с постоянными перепадами и пр. (14,15,45,47).
В конце 60-х и начале 70-х годов начали разрабатываться новые способы водораепределения, например, с регулированием «по требованию». На принципе регулирования «по требованию» работают многие из схем регулирования: по нижнему бьефу, смешанное, регулирование перетекающими объемами.(15,45)
Принцип подачи воды непрерывным током сохранился и в существующих нормативных документах (34,63). Однако, допустимые потери воды на непроизводительные сбросы во внутрихозяйственной сети постепенно исчезли из всех нормативных документов. Не учитывается даже рекомендовавшийся в 30-х годах 5%-й запас воды в распределительной сети. Тем самым, без внедрения соответствующих технических и технологических средств управления, решением на законодательном уровне оросительная сеть трансформировалась в «полностью управляемую со 100%-й надежностью». На деле сбросы из государственной сети, за которую несут ответственность управления, перемещены далее во внутрихозяйственную сеть.
Анализируя развитие систем водопользования и водораспределения в нашей стране, их научное, техническое, технологическое обеспечения можно сделать следующие выводы:
Направление исследований по автоматизации ОС, получившие интенсивное развитие и финансовую поддержку правительства с конца 40-х до 80-х годов, позволило решить значителыгую часть задач технического обеспечения и автоматизации локальных систем орошения. В этот период велись интенсивные разработки электронных расходомеров для открытых потоков. Были созданы точечные электромагнитные измерители скорости, ультразвуковые расходомерные установки, в том числе устройства с реализацией радиоактивного метода смешения и т.д. Я Общим направлением в развитии систем водораспределения остается в основном местная автоматизация. При этом необходимо помнить, что в настоящее время должна преобладать тенденция оснащения водохозяйственных систем средствами водоучета с использованием более дешевых и доступных средств и методов измерения.
Основные вопросы технологического согласования водоподачи и водопотребления для открытых систем разработаны недостаточно полно.
Существующие статические методы регулирования и управления технологическими процессами водораспределения и водообеспечения не решают проблем минимизации непроизводительных сбросов воды. По своей сути они не могут учитывать сложные динамические процессы, которые имеют место в каналах от магистральных до внутрихозяйственных распределителей. Достоинства и недостатки, применяемых в настоящее время статических методов регулирования приведене на рисунке 1.
Из принципиально новых идей для осуществления безсбросного водораспределения можно отметить: способ форсировки - АС 681151 и АС 1021105, способ регулирования боковой подачей - АС 977565, способ оперативного управления с помощью ЭВМ - АС 1050431 и т.д. Целью повышения быстродействия и точности регулирования уровня воды в распределительных каналах предложены специальные устройства - АС 109514 и 1095144.
Анализ иностранной научно-технической литературы и патентной источников показал, что в мировой практике, также, большинство систем подачи воды представляют собой взаимосвязь главных, боковых (вторичных), подбоковых, терциарных и кватернарных каналов. Признается, что при рассмотрении как единой сети каналов, выбор схемы управления и технологических конструкций может быть более полно исследован, чем при рассмотрении каждого фрагмента как независимой единицы. Исследования проводятся с целью улучшения качества водоучета и водораспределения в надежде привлечь потребителя.
Имитационные исследования переходных гидравлических процессов в открытых неразмываемых каналах
Строительство, эксплуатация и реконструкция действующих оросительных систем невозможны без проведения специальных исследований гидравлических переходных процессов, возникающих в системах при регулировании процессов водоподачи и водораспределения. При этом следует учитывать особенности возможных гидравлических условий течения воды, связанных с многократной сменой режимов работы насосных станций, дождевальных агрегатов, элементов гидротехнических сооружений и пр.
Строительная глубина каналов должна назначаться с учетом динамических процессов течения воды, сопровождающихся сложными колебательными перемещениями уровней свободной поверхности. Недоучет последствий, связанных с волновыми процессами может привести к переливу через бровки каналов, созданию непредвиденных аварийных ситуаций.
Следует также в период эксплуатации каналов учитывать их дополнительные возможности в связи с использованием имеющихся емкостей каналов в качестве резервных. Очевиден положительный эффект такого использования: можно избежать дополнительных затрат на сооружение бассейнов регулирования; более оперативно подавать воду потребителям в результате аккумуляции необходимого объема в нужном бьефе. При этом также экономится значительная часть как электроэнергии (периодическое отключение НС) так и водных ресурсов (за счет значительного снижения сбросов).
Имитировать стационарные и нестационарные процессы течения воды, происходящие в открытых каналах оросительных систем, можно на физической и математической моделях.
Физическое моделирование предполагает построение модели объекта в уменьшенном масштабе и проведение на ней физических экспериментов по определению параметров исследуемых процессов при поставленных начальных и граничных условиях.
Сложность и несовершенство масштабирования параметров, характеризующих нестационарные процессы течения воды, особенно для протяженных оросительных систем, состоящих из множества бьефов, делает неприемлемым физическое моделирование для этой цели.
В настоящее время, с развитием вычислительной техники и численных методов решения задач гидравлики открытых водотоков. большие возможности приобретает математическое моделирование. В связи с этим технологически целесообразно и экономически оправдано при исследовании сложных гидравлических переходных процессов проводить имитационные исследования на математической модели объекта, при этом руководствуясь схемой «алгоритм - программа - модель». В этом случае натурному объекту ставится в соответствие математическая модель, и исследования проводятся на ПК. Использование математической модели позволяет получать более глубокие не только качественные, но и количественные данные.
Для решения задач гидравлики открытых водотоков использован программный комплекс, разработанный на основе математических имитационных моделей установившегося и неустановившегося режимов течения воды. В программный комплекс входят несколько версий программы «СТАТИКА» и несколько версий программы «ДИНАМИКА».
Кроме тою, метод характеристик, в отличие от других, применяемых для решения аналогичных задач, позволяет определять время и местоположение (створ) возникновения прерывных волн: он более точный, максимально приближен к физическим процессам, протекающим в натурных условиях.
Версии программ отличаются друг от друга специфическими особенностями заложенных в них граничных и начальных условий; каждая из них предназначена для решения отдельно взятой задачи ил группы задач.
Имитационные исследования гидравлических режимов предполагают решение следующих специальных задач:
- Проверка пропускной способности каналов с учетом неустановившихся процессов в них;
- Определение времени добегания начальных возмущений связанных с режимом работы головной насосной станции, до заданных створов:
- Определение времени добегания расходов и зависимость его от различных факторов: интенсивности и величины попусков условий эксплуатации перегораживающих сооружений на магистральных и межхозяйственных каналах и пр.
- Оценка возможности регулирования водоподачи и водораспределе Ш5І в систему переключением агрегатов головной насосной станции
Системный водоучет на оросительной сети
Под системным водоучетом необходимо понимать сбор, анализ и переработку информации в границах рассматриваемой оросительной системы с целью водоизмерения и оптимального управления водораспределением (81).
Цели комплексного применения системного водоучета сводятся к разработке водоучета с многоуровневым составом технического оснащения существующих и проектируемых ОС, при котором средства водоучета и управления водораспределением взаимосвязаны и работают согласованно, как единый комплекс, а также к обоснованию структурного обеспечения системного водоучета: функционального, технического, технологического. организационного, математического и программного. метрологического и др.
Функциональное обеспечение системного водоучета предполагает разделение водоучета и всех водомерных устройств на два типа: технологический и коммерческий.
Технологический водоучет предназначен для оптимального управления процессами водоподачи и водоотведения при максимальном удовлетворении потребностей в воде водопотребителей и при минимальном нанесении ущерба окружающей среде.
В технологическом водоучете допустимая погрешность измерения расходов воды должна устанавливагься проектом. Она может не соответствовать требованиям Госстандарта, допуская отклонения ±- І.О... 15o. В этом случае выбор метода измерения расхода воды будет определяться техническими характеристиками водоводов, максимальными значениями измеряемых расходов и жономическими взаимоотношениями ме/кду водопользователями.
Коммерческий водоучет предусматривает измерение расходов воды при вьшолнении учетных и контрольных операций, преследующих балансовые, отчетные, а в условиях рыночной экономики и коммерческие цели.
В коммерческом водоучете необходимо, чтобы общая относительная погрешность метода и технического средства измерения не превосходила требуемых Госстандартом значений" ± 4..:5% по расходу. Такая погрешность должна гарантироваться средствами измерений, выпускаемыми промышленностью и прошедшими приемочные испытания, с использованием методов и приборов, метрологически аттестованных ведомственной и государственной метрологической службой.
В новых экономических условиях створы для организации водомерных постов будут предназначены для выполнения расчетов за воду:
- забираемую из водоисточника.
- подаваемую водопотребителям.
- сбрасываемую с объекта.
Следовательно, обязательными створами организации коммерческих водомерных постов являются:
- головной водозабор в систему;
- водовыдел в хозяйство;
- концевой сброс с территории хозяйства в естественные водоприемники.
В сложившейся у нас в стране и за рубежом практике применяются две системы управления технологическими процессами водораспределения:
- по уровням (напорам) воды;
- по расходам воды.
В схемах управления по расходу (схема Кларка, схема по норме расхода, схема непосредственного отбора расхода) весь технологический процесс построен на непрерывном измерении расходов в регулируемых створах, поэтому все сооружения оборудуются средствами измерения и регулирования расходов. Следовательно, водомерные устройства в этих схемах являются главной и неотъемлемой частью технологической системы управления водораспрсделением. Но эти схемы по достаточно веским и объективным причинам широкого распространения не получили.
Широкое распространение получили главным образом системы управления по уровням воды со схемами регулирования по верхнему и нижнему бьефам сооружений, смешанными, с перетекающими объемами и др.
В системах по уровню реализуются два принципа управления, указывающие на направление управляющих воздействий и используемых в системах водораспределения «по плану» и «по требованию».
Принцип водораспределения «по плану» реализован па абсолютном большинстве действующих систем, управления которыми осуществляется как вручную, так и с помощью средств автоматики.
На линейной части оросительной сети с водораспределением «по верхнему бьефу сооружений», весь цикл технологического управления строится на информации об уровнях воды и потребности в измерении расходов для управления не возникает. И только для разветвленной формы в самотечных узлах вододеления регуляторы уровня верхнего бьефа не в состоянии обеспечить функции планового водораспределения. Поэтом) . одно из сооружений в узле приходится оборудовать автоматическим регулятором расхода. Таким образом, специальные сооружения для измерения расхода с целью управления технологическими процессами в системах водораспределения «по плану» требуются только в узлах водо деления. На оросительных системах с водораспределением «по требованию» с помощью схемы регулирования «по нижнему бьефу сооружения» как на линейных, так и на разветвленных участках оросительной сети весь технологический цикл строится на информации об уровнях и потребности информации о расходах не возникает вообще.
Техническое и технологическое обеспечение системного водоучета. Системный водоучет предполагаег многоуровневый состав технического оснащения существующих ОС, с поэтапным подходом к их реконструкции, начиная от некоторого его минимального уровня до максимального, когда средства водоучета и управления водораспределениём взаимосвязаны и работают согласованно как единый комплекс (111).
При минимальном уровне технического оснащения средствами водоучета процесс управления водораспределениём с целью экономии водных ресурсов не рассматривается, а ручное управление, используют только для поддержания необходимых уровней воды в створах водоотбора и для предупреждения аварийных ситуаций. На таких ОС применяются главным образом простейшие средства водоизмерения - реечные, от которых нереально требовать допустимую погрешность измерений расходов воды, не превышающую ± 4...5%.
Максимальный уровень технического оснащения средствами водоучета и управления характеризуется наличием на ОС резервных емкостей и оснащением регулирующих сооружений автоматическими устройствами. Последние способны обеспечить водораспределение «по плану» или «по требованию» в пределах графика водопользования без участия диспетчера, используя принцип саморегулирования. С помощью средств телемеханики осуществляется централизованный контроль и автоматическое управление водораспределениём при любых режимах эксплуатации без сброса оросительной воды. В качестве средств водоучета применяются дорогостоящие стандартизированные устройства. обеспечивающие точность измерения расхода воды ± 4...5%, независимо от характера течения в каналах системы - установившегося или неустановившегося.
Технологическое обеспечение системного водоучета предполагает оптимальное управление процессами. водораспределения с использованием резервных емкостей водоводов при переводе эксплуатации каналов в подпорно-перемегшый режим, а также разработку технологических показателей, определяющих соответствие проекта принятым представлениям о многоуровневом составе технического оснащения ОС, с реализацией на конечном этапе принципов саморегулирования.
Организационное обеспечение системного водоучета. Все водомерные посты на оросительной сети, как указывалось выше, делятся на коммерческие и технологические. Коммерческие предназначены для выполнения балансовых и отчетных операций, а технологические - для получения информации о расходах и уровнях воды в бьефах регулирования в процессе управления водораспределением.
Обязательными створами при организации коммерческих водомерных постов являются головной водозабор в систему, водовыдел в хозяйство, концевой сброс с территории хозяйства в естественные водоприемники, а таюке концевой сброс из системы водораспределения. Коммерческие посты должны быть организованы также в пунктах отбора воды на территорию республики, края, области, района и др.
Программный комплекс по выбору оптимального уровня технологического обеспечения управления в одораспределением
Для исследования динамических процессов в открытых каналах разработан программный комплекс компьютерной диалоговой системы, позволяющий управлять процессом математического имитационного моделирования гидродинамических ситуаций на ОС при различных краевых условиях, учитывающих также особенности течений. возникающих при образовании прерывных волн.
Программный комплекс состоит из нескольких версий (модификаций) программ, отличающихся друг от друга особенностями граничных и начальных условий. Входные данные вводятся с клавиатуры в режиме диалога с пользователем, что уменьшает вероятность ошибок при вводе исходной информации, и допускает повторяемость процесса расчета при одной загрузке ЭВМ. Расчетная информация может выводиться по желанию пользователя или на монитор (для визуального наблюдения за имитируемым физическим процессору! и. если нужно, соответствующего параметра), или на печать (для анализа, обработки и использования расчетных данных). Система позволяет следить за ходом импта лисиного моделирования. управлять им. изменять в процессе расчетов распределение параметров в зависимости от результатов моделирования.
Представленные в предыдущих разделах алгоритмы расчета процессов неустановившегося течения воды, а также специфические особенности применяемых инструментальных программных средств, па базе которых реализуется пакет программ, определили его содержание.
Пакет программ включает следующие программные блоки: головцхю программу, блок программ расчета установившегося течения воды (СТАТИКА); блок программ расчета неустановившегося течения воды і ДИНАМИКА) (Рис. 4.3.). Головная программа обеспечивает тналог оператора с ЭВМ и выбор им из пользовательского меню соответствующего режима работы.
Блок программ СТАТИКА обеспечивает: конфигурирование расчетной схемы; ввод исходных данных о параметрах расчетных участков водотока; расчет установившегося режима течения воды; просмотр результатов расчета; вывод результатов расчета на печать.
В начале работы пользователь конфигурирует расчетную схему (блок "Конфигурирование"), содержащую систему последовательно соединенных между собой расчетных участков водотока, путем их включения или исключения из расчета. Это обеспечивает возможность гибкого маневра расчетными ресурсами пакета, повышает оперативность расчета и анализа информации. Данные о текущей конфигурации системы записываются в файл данных STISHB. В этот же файл записываются данные о параметрах расчетных участков (блок "Исходные данные". подблок "по бьефам"). Данные файла ST ISHB служат исходной информацией для расчета режима установившегося движения воды в системе бьефов ( блок "Расчет" ). Рассчитанные этим блоком данные записываются в файл, содержащий выходную информацию по бьефам -S VIHB, которую можно просмотреть (блок "Просмотр " , подблок "по бьефам") и, при необходимости, распечатать (блок "Печать", подблок "по бьефам").
Рассчитанные блоком программ СТАТИКА данные служат исходной информацией для расчета неустановившегося режима. Блок программ ДИНАМИКА обеспечивает: ввод исходных данных для расчета; расчет неустановившегося режима: просмотр результатов расчета: печать результатов расчета.
Ввод исходных данных (блок "Исходные данные" ) состоит в задании начала и окончания действия возмущающего воздействия, его величины. места и закономерности, по которой оно изменяется. Эти данные записываются в файл D_VIH и используются при расчете.
Расчет динамического режима (блок "Расчет") проводится по ранее описанным алгоритмам с использованием метода характеристик в пошаговом режиме ( шаг - характеристика). По желанию пользователя на любом шаге расчет может быть либо прерван, либо продолжен. Рассчитанная информация записывается в файл D_VIH и, также как для расчета СТАТИКА , может быть просмотрена ( блок "Просмотр" ) или распечатана ( блок "Печать" ). При этом как просмотр, так и печать могут проводиться для различных режимов: по одному бьефу, по бьефам, по характеристикам.