CC BY
69УДК 626.823.004:519.816.001.57
В. Н. Щедрин, А. А. Чураев, В. М. Школьная, Л. В. Юченко
Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА КАНАЛАХ ОТКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
Целью исследований являлось построение имитационной модели динамического управления водораспределением на каналах открытой оросительной сети. Для достижения поставленной цели был использован гидрометрический метод получения расходных характеристик сетевых гидротехнических сооружений «скорость - площадь» и метод математического имитационного моделирования технологических процессов. В процессе исследований был разработан алгоритм создания имитационной математической модели, включающий восемь основных этапов: 1) построение плановой схемы оросительной сети; 2) построение продольных профилей и поперечных сечений каналов оросительной сети; 3) разбивка продольных профилей канала на расчетные участки водорегулирования; 4) определение КПД каналов оросительной сети; 5) определение значений расходов, глубин и средних скоростей движения воды по расчетным участкам; 6) определение продолжительности перерегулировки глубин на границах расчетных участков каналов сети; 7) построение теоретических и экспериментальных зависимостей продолжительности перерегулировки по расчетным участкам; 8) проведение сценарных исследований применения модели динамического управления процессами водораспределения при реализации цели оптимизации использования оросительной воды. Получены теоретические и экспериментальные зависимости скорости течения от глубины наполнения расчетных участков канала, а также суммарной продолжительности перерегулировки глубин на расчетных участках. Максимальные значения коэффициентов асимметрии и вариации теоретических и опытных данных составляют соответственно CS = 1,86 (CS < 5), Cv = 0,15 (Cv < 3). В результате исследований была построена имитационная модель водораспределения, которая позволяет определить суммарный головной расход в голове канала, фактический объем водоподачи, время обеспечения расходами водовыделов и количество одновременно работающих насосных агрегатов для обеспечения необходимых расходов.
Ключевые слова: оросительные системы, водораспределение, динамическое управление, модель, автоматизированные системы управления.
V. N. Shchedrin, А. А. Churayev, V. М. Shkol'naya, L. V.Yuchenko
Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation
SIMULATION OF DYNAMIC MANAGEMENT OF WATER DISTRIBUTION AT CANALS OF OPEN IRRIGATION NET
The objective of the research is to develop a simulation model for dynamic management of water distribution at canals of open irrigation net. To achieve the objective, hydro-metric "velocity - area" method for discharge characteristics of net hydraulic facilities and method for math simulation of technological processes were used. During the investigation an algorithm for creating math model was developed. The algorithm includes 8 main steps:
1) construction of plan layout of irrigation net; 2) plotting of longitudinal and cross-sectional profiles of irrigation net canals; 3) splitting of canal longitudinal profiles into calculated sections of water control; 4) determination of coefficient of efficiency of irrigation net canals; 5) determination of the values of discharges, depths, and mean velocities of water movement on calculated sites; 6) determination of duration for readjustment of depths at the boundaries of calculated irrigation net sections; 7) construction of theoretical and experimental relationships of duration for readjustment on calculated sections; 8) conducting scenario studies for the model of dynamic management of water distribution processes to optimize the use of irrigation water. Theoretical and experimental relationships for velocity of flow on the depth of canal calculated sections, as well as total duration of readjustment of the depths of calculated sections were obtained. Maximal values of asymmetry parameter and variation coefficient and experiment data were CS = 1.86 (CS < 5), Cv = 0.15 (Cv < 3) respectively. As a result of the research, simulation model of water distribution was developed. The model enables to determine total discharge in the head of a canal, actual volume of water supply, time for providing discharges for water outlets and the quantity of simultaneously working pumping units for required discharges.
Keywords: irrigation system, water distribution, dynamic management, model, automated management systems.
Введение. Управлением водораспределением на оросительных системах занимается диспетчерская служба. Современные гидромелиоративные системы могут иметь от нескольких десятков до нескольких сотен хозяйственных водовыделов, требующих своевременной и с заданным объемом подачи оросительной воды. Оператор, находясь на диспетчерском пункте, через комплекс средств современной связи и средств дистанционного управления (при их наличии) осуществляет контроль за состоянием параметров управления (уровней, открытием и закрытием щитов, расходов), обеспечивает их оперативную оценку и с помощью исполнительных механизмов (электрифицированных задвижек, насосных станций) производит поддержание их в заданных пределах.
Как правило, в случае автоматизированной системы управления сетевыми регулирующими сооружениями диспетчер регулирует подачу воды водопользователям, а в случае отсутствия средств автоматики управление затворами регулирующих сооружений производится линейным персоналом (лицами, обслуживающими каждый конкретный участок). При определении точной потребности в расходе воды хозяйств-водопользователей диспетчер должен оценить текущую обстановку на системе и составить
оперативный план перерегулирования [1-6].
Очевидно, что при таком регулировании, которое связано с отсутствием надежных методов и средств, учитывающих влияние неустановившегося движения воды в канале, практически не принимаются во внимание динамические свойства оросительной системы, инерционность протекающих в ней процессов, время добегания расходов, перерегулировки командных уровней на водовыделах, регулирующих и перегораживающих сооружениях и т. п. По той же причине трудно обеспечить оперативность управления большим количеством территориально разобщенных субъектов. В конечном итоге это приводит к нерациональному использованию водных и технических ресурсов системы, повышенным заборам воды в систему, ее непроизводительным сбросам и даже возникновению аварийных ситуаций, связанных с возможными переливами или опорожнениями каналов [7-10].
Сведение потерь оросительной воды к минимуму, обеспечение соответствия между объемами водозабора и водопотребления возможны при условии существенного повышения качества управления процессами во-дораспределения путем автоматизации узловых сооружений, то есть путем внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на оросительных системах. Для этого необходима разработка алгоритма построения имитационной модели динамического управления процессами водораспределения на оросительных системах и обоснование требований к ее реализации с помощью АСУ ТП [11].
Материалы и методы. Для достижения поставленной цели был использован гидрометрический метод получения расходных характеристик сетевых ГТС «скорость - площадь», а также метод математического имитационного моделирования технологических процессов.
Исследования проводились на распределительном канале Р-1 Райго-родской оросительной системы в Волгоградской области.
Распределительный канал Р-1 проходит на всей протяженности
в земляном русле, подает воду хозяйствам Волгоградской области и Республики Калмыкии, пропускная способность форсированных расходов -
3 3
10,8 м/с в голове и 7,2 м/с в конце. Протяженность канала в пределах Волгоградской области - 60,3 км, к каналу привязаны земли регулярного орошения и лиманы площадью 2499,3 га. Оросительная система имеет гидрометрическую сеть специальных постов, градуированных сооружений, водомерных устройств и приборов, расположенных в соответствии с проектом или схемой.
Зависимость средних скоростей потока от глубины по расчетным участкам определялась экспериментально с помощью гидрометрической вертушки ГР-21М при установившемся движении потока в канале. Погрешность прибора, указанная в свидетельстве о поверке, составляла 1,5 %.
Исходными данными для моделирования в программном комплексе MIKE 11 являлись диапазоны максимальных и минимальных расходов в канале, топографические данные и геометрические размеры характерных поперечных сечений участков канала, водовыделов и других сетевых сооружений.
При построении поперечных и продольных сечений канала был использован язык программирования Microsoft Visual Basic программы Microsoft Excel в рамках формирования базы данных по расчетным участкам при моделировании в MIKE 11. Соответственно, теоретические результаты моделирования были получены с помощью программы MIKE 11 и проверены путем натурных наблюдений на действующем оросительном канале Р-1 (опыты № 1, 2, 3).
Результаты и обсуждение. В результате проведенных исследований авторами был предложен алгоритм построения имитационной модели для действующей оросительной системы, который включает следующие этапы:
- 1-й этап - построение плановой схемы оросительной сети;
- 2-й этап - построение продольных профилей и поперечных сечений каналов оросительной сети;
- 3-й этап - разбивка продольных профилей канала на расчетные участки водорегулирования;
- 4-й этап - определение КПД каналов оросительной сети;
- 5-й этап - определение значений расходов, глубин и средних скоростей движения воды по расчетным участкам;
- 6-й этап - определение продолжительности перерегулировки глубин на границах расчетных участков каналов сети;
- 7-й этап - построение теоретических и экспериментальных зависимостей продолжительности перерегулировки по расчетным участкам;
- 8-й этап - проведение сценарных исследований применения модели динамического управления процессами водораспределения при реализации цели оптимизации использования оросительной воды.
Плановая схема оросительной сети является исходным материалом для построения продольных профилей и поперечных сечений входящих в нее каналов различных порядков, количество которых определяется в зависимости от задач имитационного моделирования. Схема должна включать ситуационный план, который сформирован на картографической (инженерно-топографической) основе, взятой из проектной документации на конкретную оросительную систему, или по результатам аэрофотосъемки (спутниковых снимков).
Для проведения имитационных экспериментов построение продольных профилей следует вести согласно линейной схеме оросительной сети с увязкой их в вертикальной плоскости с одной вертикальной шкалой отметок поверхности земли и одним основанием, включающим показатели отметок поверхности земли, отметок глубины траншеи (выемки), отметок дна траншеи (канала), уклонов, расстояний, пикетов, планов.
При построении продольного профиля канала должны быть отобра-
жены линия фактической поверхности земли; продольный профиль трассы канала, на котором указаны обозначения осей водовыделов и всех линейных сооружений; геодезические знаки (реперы, пункты геодезических сетей местного значения), определяющие исходные высоты; положения минимальных уровней воды на водовыделах. На осях водовыделов и сетевых ГТС указаны отметки максимальных уровней воды и точки командования максимального уровня воды в канале.
Поперечные сечения канала строятся для всех характерных сечений при изменении геометрических параметров канала по длине с указанием пикета и основных параметров. Для одинаковых участков линейных сооружений отображается типовое поперечное сечение. На поперечном сечении отображается пикетное значение сооружения, к которому оно относится.
Для проведения экспериментов при осуществлении имитационного моделирования необходима разбивка продольного профиля канала на расчетные участки. Расчетным участком при этом является такой, для которого задается определенная закономерность изменения геометрических, гидравлических и гидрометрических характеристик по всей рассматриваемой длине канала. При разбивке следует руководствоваться следующими общими принципами:
- характерные сечения должны располагаться в местах существенного изменения ширины сечения, уклона, а также шероховатости дна и откосов канала для создания возможности интерполяции его линейных характеристик;
- в пределах участка не должно быть резкого (ступенчатого) изменения геометрических характеристик сечения, иначе рассматриваемый участок в таких местах разбивается на два участка;
- при резко выраженном неустановившемся движении в створе возмущения (например, после регулирующих или сопрягающих сооружений)
целесообразно назначать длину участков вблизи этого створа в несколько раз меньшей, чем в зонах меньшей нестационарности течения;
- на водовыделах, подпорно-регулирующих сооружениях, сбросах, в пунктах водоучета (где происходит изменение расхода канала) и местах поворотов канала обязательно назначаются границы участков;
- в характерные сечения следует включать створы, для которых имеются материалы наблюдений за уровнями и расходами воды или кривые расходов.
КПД каналов и оросительной системы являются основными показателями работы системы и ее звеньев. Значение КПД зависит от величины следующих потерь в системе:
- потерь из оросительных каналов на фильтрацию и испарение с водной поверхности;
- потерь с орошаемых полей на фильтрацию и испарение;
- эксплуатационных потерь (утечек, непроизводительных сбросов);
- технологических потерь (в зависимости от типов орошения).
Значение КПД оросительной сети КПДос определяется по зависимости:
Ж
КПДос = """
Ж -Ж
вз повт
3
где Жпол - полезно используемый объем воды, м ;
3
Жвз - объем воды, забираемый в голове системы, м ; Жповт - объем воды, используемый на системе повторно, м . При создании имитационной модели гидродинамических процессов действующей оросительной сети для определения КПД сети по расчетным участкам в качестве исходных данных должны использоваться материалы отчетности по планированию водопользования на системе. Для того чтобы данные представленных материалов были приемлемыми для использования, необходима их корректировка до и после перерегулировки с учетом
времени добегания до наблюдаемых створов и изменения горизонтов в бьефах в пределах интервалов наблюдений.
Значения расходов, глубин и средних скоростей движения воды по каждому расчетному участку канала должны определяться как на основе теоретических гидравлических расчетов, исходными данными для которых являются значения геодезических, геометрических характеристик и уклонов расчетных участков, так и на основе данных гидрометрических измерений (данных градуировок сооружений на сети и участков канала).
Это требуется для уточнения параметров математической модели, производимого решением обратной задачи с определением необходимых поправочных коэффициентов (коэффициентов расхода сооружений, шероховатости линейных участков), с целью ее применения для расчета конкретной оросительной сети, канала или его участка.
В условиях рассматриваемой задачи должны быть выполнены гидравлические расчеты всех бьефов канала при установившемся и неустановившемся режиме течения воды.
При неустановившемся (нестационарном) движении воды по каналу характеристики потока в любом створе изменяются с течением времени, а в каждый момент они не одинаковы по длине участка. Неустановившееся движение наблюдается при регулировании расходов в гидроузлах и является общим случаем движения воды в каналах, а установившееся (равномерное и неравномерное) - его частным случаем. Задачей расчета неустановившегося движения является определение двух характеристик, описывающих состояние одномерного потока (расхода и глубины) как функции длины и времени. По значениям расхода и глубины могут быть определены и другие характеристики, например скорости течения.
Математическое моделирование неустановившегося режима потока основано на разработке и решении математических зависимостей, реализующих известные законы гидравлики, заложенных в работах Сен-Венана
и Буссинеска, практическое применение которых реализовано в специализированном программном комплексе моделирования гидродинамических процессов MIKE 11 [12].
При моделировании в программном комплексе MIKE 11 используются данные о максимальных и минимальных расходах в исследуемом канале, а также топографические данные продольного профиля, геометрические размеры поперечных сечений участков канала и водовыделов. Это необходимо для определения граничных условий работы программного комплекса при калибровке модели - уточнении расходных характеристик и других гидравлических параметров, которые невозможно определить на основе лишь топографических данных.
Значения глубин на водовыделах определяются по топографическим данным [6, 13, 14]:
h = h - (7 - 7 )
вод кан V дна(вод) дна(кан)/'
где hEW - глубина воды на водовыделе, м;
Икан - глубина воды в канале в месте водовыдела, м;
7 дна(вод) - отметка дна водовыдела, м;
7 дна(кан) - отметка дна канала в месте водовыдела, м.
Значения расходов воды на водовыделах (Q) устанавливаются с использованием их градуировочных зависимостей Q=f (h ).
В результате обработки гидравлических параметров расчетных участков канала Р-1, полученных при использовании специализированного программного комплекса MIKE 11 и проведении натурных исследований, построены соответствующие графики зависимостей средней скорости потока воды от глубины наполнения расчетного участка канала v=f (h) (рисунок 1).
Скорость распространения (добегания) гребня волны определяется делением расстояния между створами на разность моментов, в которые
уровень воды в створах имеет наибольшее значение. Время добегания начального возмущения есть время, в продолжение которого фронт волны возмущения проходит заданный путь между фиксированными створами в прямом или обратном направлениях (в зависимости от того, где располагается створ возмущения).
.л
о
о.
§
и —
К 5
С.
0.5
» Рпсч-с г ньш участок 11
/А Рас Ж Расч< ^ткыг участки 8-10 четный \часток 6 1 МЫ-.- \ ЧМъПКП 1 - 1 ётшЙ уча сггок " -тш-дпл-часток 5
/ : _ / Расч Раек
0 0.5 I 1.5 2 2.5 3 3.5
Глубина, м
Рисунок 1 - Графики зависимостей скорости от глубины наполнения расчетных участков канала в условиях транзитного прохождения расходов
Продолжительность перерегулировки глубин (?пер) на границах расчетного участка при создании имитационной модели складывается из времени добегания начального возмущения между створами (^об) и времени
(t ), затрачиваемого на переход неустановившегося режима движения
в канале в установившийся.
Как показал анализ гидравлических переходных процессов для различных режимов и условий эксплуатации открытых каналов, время добега-ния расхода от створа возмущения до фиксированного створа (места водо-отбора, перегораживающего сооружения и т. п.) зависит не только от величины начального наполнения канала, но и от качества режима течения и ве-
личины подпора, если имеет место подпорный режим течения на рассматриваемом участке. В связи с этим определение продолжительности перерегулировки по данным натурных наблюдений является обязательным.
Результаты определения суммарной продолжительности перерегулировки глубин между расчетными участками канала Р-1 программным комплексом MIKE 11, а также по данным натурных наблюдений приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Суммарная продолжительность перерегулировки глубин
на расчетных участках канала Р-1 ¿пер _В секундах
№ расчетного участка Рас-стояние между створами, м Глубина на расчетном участке, м
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
По результатам расчетов с использованием программного комплекса MIKE 11
1 5087,5 12220 8147 7188 4073 2444 2037 1567 1405
2 5902,5 22360 14907 13153 7453 4472 3727 2867 2570
3 859,5 46770 31180 27512 15590 9354 7795 5996 5376
4 150,5 55220 36813 32482 18407 11044 9203 7079 6347
5 11200 69340 47403 40327 24131 15550 12733 10105 8899
6 8200 80067 55541 46882 28669 19484 16105 12727 11084
7 9600 89158 62438 52438 32516 22817 18962 14950 12936
8 7200 121158 85295 68764 44823 32229 26581 21249 18305
9 2800 130158 91724 73356 48285 34876 28724 23021 19815
10 2000 133158 93866 74887 49439 35758 29438 23611 20319
11 7300 144118 101695 80479 53654 38982 32048 25769 22157
По данным натурных наблюдений (опыт 1)
1 5087,5 12297 8224 7265 4150 2521 2114 1644 1481
2 5902,5 22452 14999 13245 7546 4564 3819 2959 2663
3 859,5 46819 31229 27561 15639 9403 7844 6045 5425
4 150,5 55269 36863 32532 18456 11093 9253 7129 6396
5 11200 69380 47443 40367 24171 15590 12773 10145 8939
6 8200 80075 55549 46890 28677 19492 16113 12735 11092
7 9600 89121 62400 52401 32478 22780 18925 14912 12899
8 7200 121254 85391 68860 44919 32325 26677 21345 18401
9 2800 130263 91828 73461 48389 34980 28828 23125 19920
10 2000 133271 93979 75000 49552 35871 29551 23724 20432
11 7300 144262 101839 80623 53798 39126 32192 25912 22301
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
По данным натурных наблюдений (опыт 2)
1 5087,5 12125 8051 7093 3978 2349 1941 1471 1309
2 5902,5 22257 14804 13050 7350 4369 3624 2764 2467
3 859,5 46607 31017 27349 15427 9191 7632 5833 5213
4 150,5 55086 36679 32348 18273 10910 9069 6946 6213
5 11200 69163 47227 40150 23954 15374 12557 9929 8722
6 8200 79879 55353 46694 28481 19296 15917 12539 10896
7 9600 89031 62311 52311 32388 22690 18835 14822 12809
8 7200 121125 85262 68731 44790 32195 26548 21215 18272
9 2800 130098 91663 73296 48224 34815 28663 22960 19755
10 2000 133081 93789 74809 49361 35681 29361 23534 20241
11 7300 144068 101644 80428 53603 38931 31997 25718 22107
По данным натурных наблюдений (опыт 3)
1 5087,5 12363 8290 7331 4216 2587 2180 1710 1547
2 5902,5 22524 15071 13317 7617 4636 3891 3031 2734
3 859,5 46970 31380 27711 15790 9554 7995 6196 5576
4 150,5 55392 36985 32654 18579 11216 9375 7251 6519
5 11200 69514 47577 40500 24305 15724 12907 10279 9073
6 8200 80201 55675 47016 28803 19617 16238 12861 11217
7 9600 89335 62615 52615 32692 22994 19139 15126 13113
8 7200 121137 85274 68743 44802 32208 26560 21228 18284
9 2800 130168 91733 73366 48294 34885 28733 23030 19825
10 2000 133141 93849 74870 49421 35741 29421 23594 20301
11 7300 144044 101621 80405 53580 38908 31974 25694 22083
По данным таблицы 1 строится соответствующая диаграмма продолжительности перерегулировки глубин на расчетных участках канала Р-1 нарастающим итогом (рисунок 2).
Максимальное расхождение продолжительности перерегулировки глубин на расчетных участках при сравнении теоретических (полученных с использованием программного комплекса MIKE 11) и опытных данных составило 3049 с. Коэффициенты асимметрии и вариации статистической совокупности, теоретических и опытных данных составили соответственно С, = 1,86 (С, < 5) и С = 0,15 (С < 3).
Графики зависимости теоретических и экспериментальных результатов определения продолжительности перерегулировки глубин для каждого расчетного створа при выбранном головном расходе канала Р-1 (Q = 6,0 м /с) представлены на рисунке 3.
Рисунок 2 - Продолжительность перерегулировки глубин на расчетных участках канала Р-1 нарастающим итогом по результатам расчетов с использованием программного комплекса MIKE 11
в ш
Е—
Й 1 —■ Z! О Ü
гТ и
Г 1
1ÜSGÜ0 58000 ÖS000 48000 28 ООО 8000
у
10 11
3 4 5 6 7 S
Но:мер расчетного участка
- Теоретический (по MIKE 11) Опытный 1 Опытный 2 Опытный 3
Рисунок 3 - Графики зависимости теоретических и экспериментальных результатов определения продолжительности перерегулировки глубин на расчетных участках канала Р-1 при головном расходе Q = 6,0 м /с
Алгоритм программы реализации модели динамического управления процессами водораспределения на канале открытой оросительной сети с помощью ЭВМ приведен на рисунке 4.
Расчетные параметры, приведенные в алгоритме на рисунке 4, следующие:
- Qmin - минимальный расход воды в канале, м /с;
- Qmax - максимальный расход воды канале, м /с;
3
- Qyч - расход воды на участке, м /с;
- 2 - отметка дна канала, м;
дна
- - отметка максимального уровня воды в канале, м;
- 2 бр - отметка бровки канала, м;
- пвод - количество водовыделов;
вод
- Lмв - расстояние между водовыделами, м;
- Ь - ширина канала по дну, м;
- Н - строительная высота канала, м;
- hmin - минимальная глубина воды в канале, м;
- hmax - максимальная глубина воды в канале, м;
- - глубина воды на участке, м;
- ^пол - полезно используемый объем воды, м ;
3
- Жвз - объем воды, забираемый в голове системы, м ;
3
- ^повт - объем воды, используемый на системе повторно, м ;
2
- юуч - площадь живого сечения участка, м ;
- t - время перехода неустановившегося режима движения воды
между створами в установившийся, с;
- tпер - продолжительность перерегулировки глубин между створами, с;
с
Начало
3
Ввод параметров канала и водовыделов: ömin? ömax? ^дна? Z/miax? Zfro-
^•тах? ^пол? ^вз? ^повт? С^уч
? -^мв? ^стр? ^гг
Ul
Построение продольного профиля канала, назначение расчетных участков и створов, построение поперечных сечений канала и водовыделов
Вывод на экран и печать продольного профиля канала, расчетных участков и створов, поперечных сечений канала и
водовыделов *
Ввод данных расчетных участков (Греж, (доб) И расходов в голове канала (от дтт до дтхк)
по натурным наблюдениям *
Определение эмпирических расчетных значений:
/д об i
доб +
Определение теоретических расчетных значений с помощью программного комплекса Mike 11:
¿доб
~~ -^мв/^уч /доб /реж Х^гтер/
Т
Построение зависимостей =^куч), построение диаграмм /пер =ЛЬыь, куц)
/пер =ХМ (^уч) (теоретическая) ¿пер-ЛНуч) (Ууч) (по натурным наблюдениям)
т
КПДос=^поп/(^вз-^повт)
т
Вывод графических зависимостей на экран и
печать, визуальное сравнение полученных зависимостей
Ввод данных: р,, \¥,, /под» <2ые (с использованием пакета программ по расчету режима орошения или согласно заявкам на водоподачу по водовыделам)
Определение значений:
<2ы = qrFi по градуировочной зависимости:
А»=Ж)
/доб -^мв/^уч? Уу
/ ггпб t
пер; 'доб /пер
•реж
•пер;
йк = Щ-(КПДоС)
= /Под,-(КПДос)
Вывод на экран и печать
Z/пер,-; Qtk, Wik; Nhc
Конец
Рисунок 4 - Алгоритм программы реализации модели динамического управления процессами
водораспределения на канале открытой оросительной сети
ю о
- t л - продолжительность перерегулировки глубин на участке, с;
- - время добегания фронта волны начального возмущения между створами, с;
- I - уклон участка;
- 2дна2 - отметка дна канала в створе 2, м;
- 2дна1 - отметка дна канала в створе 1, м;
- гуч - скорость потока воды на участке, м/с;
- КПДос - КПД оросительной сети;
- R - величина достоверности аппроксимации;
- Fl - площадь, обслуживаемая водовыделом, га;
- Ж^ - объем воды на водовыделе, м ;
- ql - значение гидромодуля на водовыделе, л/(ста);
- ^од 1 - продолжительность подачи расхода на водовыделе, с;
- Q1HC - производительность (расход воды) одного насосного агрегата, м3/с;
- Q1 - суммарный расход воды водовыделов, м /с;
- Qвl - расход воды на водовыделе, м /с;
- ^од - глубина воды на водовыделе, м;
- - глубина воды в канале перед водовыделом, м;
- 2дна(вод) - отметка дна водовыдела, м;
- 2дна(кан) - отметка дна канала, м;
- Qгк - расход воды в голове канала, м/с;
- ЖТК - объем воды в голове канала, м ;
- Nнс - количество насосных агрегатов, ед.
В реальных условиях эксплуатации оросительных систем план водопользования подлежит регулярной корректировке в зависимости от влия-
ния различных факторов, в частности от постоянно меняющихся погодных условий.
Формирование сценарных расчетов производится на основе заявок водопотребителей (графиков водоподачи по участкам). Исходными данными для расчета являются площадь орошения и заявленный объем водоподачи по каждому водовыделу или гидромодуль водовыдела. Эти данные могут также представляться из пакета программ по расчету режимов орошения.
Пример представления результатов вычислений имитационной моделью динамического управления водораспределением на канале Р-1 Рай-городской оросительной системы представлен в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты расчета параметров водораспределения
Номер водовыдела Исходные данные Расчетный параметр водораспределения
Площадь, обслуживаемая водовыделом, га Гидромодуль водовыдела, л/(с-га) Заявленный объем водоподачи, м3 Расход водовыдела, м3/с Продолжительность подачи расхода, с Глубина на водовыделе, м Глубина в канале перед водовыделом, м Время добегания расхода, м Продолжительность перерегулировки, с
1 367 0,6 190252,8 0,22 864000 0,27 1,17 7244 7377
2 620 0,5 267840,0 0,31 864000 0,30 1,15 8156 15400
3 208 0,4 71884,8 0,08 864000 0,20 0,97 1316 16717
4 110 0,5 47520,0 0,06 864000 0,18 0,81 236 16953
5 105 0,6 54432,0 0,06 864000 0,18 0,98 19567 36520
6 260 0,7 157248,0 0,18 864000 0,25 0,90 9736 46256
7 65 0,8 44928,0 0,05 864000 0,17 1,12 16351 62607
8 145 0,6 75168,0 0,09 864000 0,20 1,12 8097 70705
9 47 0,8 32486,4 0,04 864000 0,16 1,03 3299 74003
10 64 0,8 44236,8 0,05 864000 0,17 0,96 2319 76323
11 1200 0,2 207360,0 0,24 864000 0,27 0,82 6511 82834
Выходные параметры: КПД канала Р-1, КпД = 0,77. Фактический расход в голове канала (брутто), Qg.ъr = 1,79 м3/с. Фактический объем водоподачи (брутто), Wg.Ъr = 1547209,3 м3. Суммарная продолжительность перерегулировки глубин по всем водовыделам для удовлетворения всех заявок на водоподачу, ¿пер = 82834 с. Количество одновременно работающих насосных агрегатов производительностью 0,9 м3/с, Ынс = 2 ед.
Вывод. Таким образом, разработанная имитационная модель водо-распределения на канале Р-1 Райгородской оросительной системы в зависимости от заявленных объемов водоподачи по водовыделам позволяет определить суммарный головной расход в голове канала, фактический объем водоподачи, время обеспечения расходами всех водовыделов, а также количество одновременно работающих насосных агрегатов для обеспечения необходимых расходов.
Сравнение полученных результатов определения продолжительности перерегулировки глубин на расчетных участках канала Р-1 выявило максимальное расхождение теоретических и опытных данных, составляющее 3049 с. Оно связано с влиянием различных эксплуатационных факторов, которые невозможно учесть при построении имитационной модели. Максимальные значения коэффициентов асимметрии и вариации статистической совокупности теоретических и опытных данных составляют соответственно С3 = 1,86 (С3 < 5), С = 0,15 (С < 3).
Список литературы
1 Натальчук, М. Ф. Эксплуатация гидромелиоративных систем / М. Ф. Наталь-чук, В. И. Ольгаренко, В. А. Сурин. - М.: Колос, 1995. - 320 с.
2 Щедрин, В. Н. Совершенствование конструкций открытых оросительных систем и управления водораспределением / В. Н. Щедрин. - М.: Мелиорация и водное хозяйство, 1998. - 160 с.
3 Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем. В 2 ч. Ч. I / В. Н. Щедрин [и др.]. - Новочеркасск: Югмелио-рация, 1989. - 160 с.
4 Временные рекомендации по составлению и реализации планов водопользования на оросительных системах Ростовской области: утв. науч.-техн. советом Управления «Ростовмелиоводхоз» 30.06.09, протокол № 1. - Коломна, 2009. - 105 с.
5 Красовский, М. Ю. Совершенствование способов и технических средств автоматизации водораспределения в открытых оросительных системах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Красовский Михаил Юрьевич. - Новочеркасск, 1987. - 22 с.
6 Чураев, А. А. Управление процессами водораспределения на оросительных системах: науч. обзор / А. А. Чураев, Л. В. Юченко, М. В. Вайнберг; ФГБНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2014. - 52 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.06.14, № 156-В2014.
7 Бочкарев, Я. В. Эксплуатационная гидрометрия и автоматизация оросительных систем / Я. В. Бочкарев. - М.: Агропромиздат, 1987. - 175 с.
8 Маковский, Э. Э. Автоматизированные автономные системы трансформации неравномерного стока / Э. Э. Маковский, В. В. Волчкова. - Фрунзе: Илим, 1981. -380 с.
9 Ткачев, А. А. Активное управление водораспределением в магистральных каналах с предельно обеспеченным (100 %) водопотреблением уровней воды на перегораживающих сооружениях / А. А. Ткачев // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2006. - № 2. - С. 100-109.
10 Ткачев, А. А. Управление водораспределением в каналах с локальным регулированием уровней воды по верхнему бьефу перегораживающих сооружений /
A. А. Ткачев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2008. - № 5. - С. 35-40.
11 Оросительные системы России: от поколения к поколению: моногр. /
B. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. - В 2 ч. - Ч. 2 - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 307 с.
12 Компьютерное моделирование речных потоков. Теоретические основы / науч. консалтинговая фирма «Волга». - М., 2013. - 79 с.
13 Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справ. / И. П. Айдаров [и др.]; под ред. Б. Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.
14 Коваленко, П. И. Управление магистральным каналом как объектом с распределенными параметрами / П. И. Коваленко, В. А. Овчинников, Б. А. Акишин // Гидротехника и мелиорация. - 1978. - № 3. - С. 50-55.
Щедрин Вячеслав Николаевич
Ученая степень: доктор технических наук
Ученое звание: академик Российской академии наук, профессор
Должность: директор
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: [email protected]
Shchedrin Vyacheslav Nikolayevich
Degree: Doctor of Technical Sciences
Title: Academician of the Russian Academy of Sciences, Professor Position: Director
Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems
Affiliation address: Baklanovskiy ave., 190, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation,
346421
E-mail: [email protected]
Чураев Александр Анатольевич
Ученая степень: кандидат технических наук Должность: заместитель директора по науке
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: [email protected]
Churaev Aleksander Anatolievich
Degree: Candidate of Technical Sciences Position: Deputy Director of Science
Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems
Affiliation address: Baklanovskiy ave., 190, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation,
346421
E-mail: [email protected]
Школьная Валерия Михайловна
Должность: младший научный сотрудник
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: [email protected]
Shkol'naya Valeriya Mikhaylovna
Position: Junior Researcher
Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems
Affiliation address: Baklanovskiy ave., 190, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation,
346421
E-mail: [email protected]
Юченко Любовь Васильевна
Должность: научный сотрудник
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: [email protected]
Yuchenko Lyubov' Vasil'evna
Position: Researcher
Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems
Affiliation address: Baklanovskiy ave., 190, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation,
346421
E-mail: [email protected]
