Введение к работе
Актуальность проблемы. Нарастающий дефицит водных ресурсов в ряде Оассейнов и водохозяйственных систем различных мировых регионов обусловливает высокие требования к обоснованию и реализации водораспределения. Требуются надежные качественные изменения не только в методах проектирования и строительства, но и в процессе общего совершенствования технологий водоиспользования, в методах эксплуатации водохозяйственных систем. Управление такими системами должно обеспечивать высокие технико-экономические показатели, экономию вода, получение высоких и устойчивых урожаев на орошаемых землях, обеспечение производства необходимого количества кормов, бесперебойное водоснабжение коммунальных, промышленных и сельских хозяйств. При втом первостепенная роль отводится широкому использованию контрольно-измерительной аппаратуры, средств электроники и микропроцессорной техники, автоматизации процессов управления.
При проектировании, строительстве и эксплуатации водопропускных сооружений и водохранилищ речных гидроузлов, магистральных каналов и других гидротехнических сооружений крупных гидросистем одновременно приходится решать несколько проблем. Комплексное использование стока для целей орошения и обводнения, энергетики, судоходства, рыбоводства, обеспечения промышленного и коммунального хозяйства и др. требует, во-первых, разработки общего плана водопользования с максимальным удовлетворением требований отдельных потребителей. Во-вторых, для составления такого плана необходим систематический и надежный учет воды как в целом по гидросистеме, так и забираемой на нужды отдельных отраслей. И, наконец, в-третьих, необходимо решение ряда вопросов, связанных с обеспечением реализации такого плана и его текущей коррекцией по ходу изменения условий водопотребления. Эта комплексная проблема решается путем рационального управления водными ресурсами гидросистемы и имеет (особенно для вододефицитных регионов с разветвленной системой водоснабжения, например, для горно-пустынных условий Туркменистана) огромное народохозяйственное значение. Следует отметить, что хотя из общей территории Туркменистана - около 50 млн. га пригодны к орошению примерно 17 млн. га, но фактически в 1991 году орошалось только 1,4 млн.га. Очевидно, что дефицит водных ресурсов сдерживает здесь развитие сельского хозяй-
-k-
ства, базирующегося исключительно на орошаемых землях. Водные ресурсы внутренних рек Туркменистана ( Мургаб, Тежден-Герируд, Атрек и др.) практически исчерпаны, и их сток в перспективе можно прогнозировать только в сторону уменьшения, так как он поступает из сопредельных стран, в которых также прогнозируется увеличение водообеспечения их собственного сельскохозяйственного производства. Водные ресурсы реки Амударьи также практически полностью использованы, еэ сток используется в основном Туркменистаном и Узбекистаном, а водозабор залимитирован между этими суверенными государствами. Одновременно необходимо учитывать интересы других сопредельных стран, расположенных в верховьях Амударьи ( Таджикистана, Туркменистана, Кыргыстана и Афганистана), а также потребности населения Аральского региона.
В итоге водные ресурсы Туркменистана (по данным Туркменгип-роводхоза) составляли в 1992 г. - 24422 млн.куб.м., в том числе из реки Амударьи 22150 млн.куб.м и за счет внутренних источников - 2272 млн.куб.м. На орошение уходит 20721 млн.куб.м (в том числе из Амударьи - 18668 млн.куб.м).
Вследствие ограниченных водных ресурсов дальнейшее развитие мелиорации земель в Туркменистане может осуществляться исключительно за счет внедрения прогрессивных технологий поливов, проведения соответствующих агротехнических мероприятий и соблюдения строгой дисциплины водопользования. Другими словами, с одной стороны, предполагается значительное ужесточение и рационирование по хозяйствам и агрокультурам поливных норм, развитие системы коллекторно-дрвнажных сетей, а, с другой стороны, повышение общего КПД мелиоративных систем за счет рационирования водорасп-ределения в масштабах региона, ужесточения контроля и более строгого учета использования водных ресурсов. Последняя задача целиком относится к проблематике настоящего диссертационного исследования.
К сожалению, решение сформулированных выше вопросов рационального управления водными ресурсами, уступающих по своим единовременным капиталовложениям затратам на строительство и аварийные ремонты, на практике отодвигалось на второй план, сводилось к однократному ориентировочному (без использования данных надежного контроля и учета ) расчету общего плана водопользования. Этому положению способствовали также те обстоятельства, что до настоящего времени отсутствовали надежные, не требующие высокой
квалификации персонала средства электронной и микропроцессорной техники, а также не уделялось достаточного внимания вопросам разработки методологии рационального управления крупномасштабными гидросистемами.
Учитывая возросшие возможности современной техники, а также непрерывно растущие потребности регионов в воде при практически полном истощении возможностей водоисточников, становится очевидной необходимость исследования и решения проблем рационального использования имеющихся водных ресурсов, т.е.создания и практической апробации методологии эффективного управления уже существующими гидросистемами. С приведенными обстоятельствами и связана напрямую цель настоящей диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления гидротехническими сооружениями водохозяйственных систем путем создания математических моделей, методологии, алгоритмов и современных средств контроля, учета, регулирования и прогнозирования параметров водораспределения.
Достижение указанной цели связано с решением целого ряда новых задач, включающих:
постановку проблемы управления водопропускными сооружениями крупной водохозяйственной системы дефицитного водоснабжения;
создание модели вышеупомянутой системы как сложнооргани-зованной системы;
разработку измерительных систем контроля и учета параметров водных потоков в водопропускных сооружениях водохозяйствен-' ных систем;
создание имитационных моделей для прогнозирования водораспределения и водопотребления как системы в целом, так и отдельных ее частей при различных условиях функционирования;
составление алгоритмов устойчивого поддержания заданных параметров течения в водопропускных сооружениях систем при изменениях условий окружающей среда;
внедрение разработки систем контроля и приборов в производственную практику и натурные испытания последних.
Методы исследований. В работе осуществлялось последовательное применение системного подхода для функционально-алгоритмического синтеза исследуемых иерархических систем управления. Методология сводится к поэтапному раскрытию функций "черного ящика" (моделей "вход-выход"), начиная от самых общих до нижних уровней
локального контроля и управления, реализуемых известными методами.
Применение многоальтернативных диалоговых алгоритмов выбора рациональных решений потребовало использования математических моделей имитационного моделирования для водохозяйственных систем, принадлежащих к разным уровням организационной иерархиим. Для построения таких моделей применялся аппарат технической механики кидкости как для равномерных, так и для неравномерных течений последней. В ряде случаев возникла необходимость привлечения аппарата нестационарных течений кидкости, в частности, для установления соотношений динамического запаздывания в каналах. Для обоснования принятого диалогового подхода проведен анализ ряда альтернативных методов теории операций: транспортные задачи, сетевые задачи, задачи управления запасами и т.п.
При решении задач управления и контроля нижними . уровнями широко применялась теория управления, теория погрешностей, теория настроек регуляторов. Для обоснования применяемых решений исследовались результаты физического моделирования систем и опыт разработки аналогичных систем на действующих гидротехнических сооружениях. Применение методов косвенного контроля потребовало детального изучения гидравлических моделей и их свойств для условий истечения жидкости из-под затворов при различных наполнениях и условиях работы нижних бьефов.
Ряд технических решений, полученных в диссертации, потребовал проведения тщательных экспериментальных исследований как в лабораторных условиях, так и в натуре на реальных объектах. Были созданы и испытаны новые высокоточные средства регистрации положения (открытия) затворов, разработаны методы их тарировки, проверенные как в лабораторных, так и в натурных условиях.
В рамках диссертации было уделено значительное внимание методам математического моделирования с реализацией их на персональных электронных вычислительных машинах (ПЭВМ).
Научная новизна работы. Проведенный в диссертации комплекс исследований позволил на основе системного подхода сформулировать задачу эффективного управления гидротехническими сооружениями крупномасштабной водохозяйственной системы, функционирующей в условиях дефицитного водораспределения и оценить значения точностных характеристик систем контроля и учета.
На основании детального анализа существующих методов изме-
рения расходов, уровней, скоростей и других параметров потоков в многочисленных водопропускных сооружениях зарегулированных водохозяйственных систем, осуществлен выбор рациональных схем и алгоритмов косвенного контроля этих параметров непосредственно в створах гидроузлов. Разработана новая система контроля и учета, рекомендуемая в настоящем исследовании для последукацего широкого внедрения в производственную практику.
Разработки имитационных моделей водохозяйственных систем и их важнейших частей послужили основой для многоальтернативных оценок прогнозируемых режимов водшодачи при изменениях условий внешней среды. Исследования динамики подверженных структурным изменениям систем автоматического регулирования и, в том числе, разработка соответствующих методик их настройки, позволили рекомендовать новую систему автоматического поддержания режимов во-дораспределения.
Большинство упомянутых выше задач впервые было рассмотрено и решено применительно к условиям управления крупной водохозяйственной системы, имевдей широкий набор водопропускных гидротехнических сооружений различного целевого назначения.
Практическая значимость. Достоверность результатов исследований и предложенная методология являются основой для построения систем эффективного управления режимами работы водопропускных гидротехнических сооружений различного назначения в условиях дефицитного водообеспечения. Особое значение настоящая работа имеет для разработки различных систем применительно к задачам водного хозяйства Туркменистана, на примере которого формулировалась проблема и решались отдельные ее частные задачи. Однако, как общая постановка, так и такие задачи, как создание систем надежного контроля, учета и регулирования расходов воды в гидросистеме, а также предлагаемые разработки имитационных моделей как отдельных участков, так и гидросистемы в целом безусловно полезны для более широкого применения.
Основные научные положения настоящего исследования были изложены в научных и учебно-методических публикациях автора, а также использованы в учебном процессе.
Выполненные в рамках настоящей докторской диссертации теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новые методы управления и контроля режимов работы водопропускных гидротехнических сооружений водохозяйственных систем,
~ 6-
внедрение которых позволит ускорить научно-технический прогресс в отрасли.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации были реализованы при создании новых конкретных систем управления, контроля, учета и регулирования на водовыпуске Зеидского гидроузла, входящего в систему Каракумского канала, при разработке проектов строящихся гидроузлов на реках Тедхен и Атрек, а также при реконструкции и новом строительстве сооружений Юго-Западной ветки Каракумского канала. .
Личный вклад в решение проблемы. Диссертация является результатом многолетних исследований автора, которые проводились им на кафедре эксплуатации и автоматизации гидромелиоративных систем Туркменского сельскохозяйственного иснтитута, в институте Каракумгипроводхоз, на кафедре автоматики и вычислительной техники Туркменского политехнического института, на кафедре гидротехнических сооружений Московского Государственного университета природообустройства, а также в Центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации (ЦНИИКА).
Постановка проблемы, формулирование всех рассмотренных задач, поиск путей их решения теоретическими и експериментальними методами, а также приведенные в диссертации научные и практические результаты, их анализ, формулирование итоговых выводов осуществлены лично автором диссертации. В соавторстве выполнялась разработка комплекса технических средств автоматизации водопропускных гидротехнических сооружений вплоть до рабочей документации; лично автором осуществлялись авторский надзор за внедрением и эксплуатацией этих средств, выявление достоинств и недостатков вариантов технических решений, им же'предложены усовершенствованные конструкции измерительных и управляющих устройств.
При постановке ряда перечисленных выше задач автор диссер
тации получил ценные советы от своего незабвенного учителя и на
учного консультанта доктора технических наук, профессора, заслу
женного деятеля науки и техники РФ |Н.П. Розанова|, от доктора
технических наук, профессора И.С. Румянцева. Эффективную помощь
в преодолении ряда сложных математических, физических и техниче
ских проблем исследований, выполнявшихся в рамках настоящей ра
боты, автору диссертации оказали доктор технических наук, профе
ссор И.М. Борзенко и доктор технических наук, профессор Р.А. Ау-
зан. ... -- -'"
Апробация работы. Основнне результаты исследований выполненных автором в рамках настоящей диссертационной работы обсуждались я были одобрены на научно-технических конференциях ТСХИ в 1976 - 1984 г.г., на научно-технических конференциях ТЛИ в 1984-1994- г.г.; на научно-технических конференциях МГМИ в 1990 - 1993 г.г.; на XJQCXY научно-производственной конференции ТИИИМСХ (Ташкент, 1980); на конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (Москва, 1983); на совместном семинаре России и США "Способы повышения эффективности работы компрессоров и турбин" (Москва, 1992); на конференциях по гидравлике и гидротехническим сооружениям (ГГС - 92, Санкт-Петербург, 1992); на региональном совещании-семинаре научно-методической комиссии Госкомобразования СССР (Ташкент, 1991), и региональном межгосударственном совещании работников водного хозяйства стран СНГ Средней Азии (Ашхабад, 1993).
Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит 44 наименований.
Объем и структура диссертации. Общий объем 296 страницы машинописного текста, 37 рисунков. Структурно она состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающей 337 наименований.
