CC BY
22УДК 627.133:532.501.118
В. Н. Щедрин, М. В. Вайнберг, А. А. Чураев
Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ОТКРЫТЫХ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛАХ
Целью исследований являлся анализ точности определения коэффициента шероховатости. Для этого были использованы два способа определения расхода воды по методу «уклон - площадь»: с учетом перепада свободной поверхности воды, без учета перепада. За эталонный расход воды при этом был принят расход, рассчитанный объемным методом. В процессе исследований были проведены опыты по определению влияния глубины потока и расхода воды на коэффициент шероховатости при изменении уклона дна лотка от 0,0002 до 0,0006. Для подтверждения достоверности полученных данных произведена статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости, вычисленных без учета и с учетом перепада свободной поверхности воды. В первом опыте коэффициент вариации составил 0,82 % против 1,27 %, во втором - 0,81 % против 1,23 % и в третьем - 0,59 % против 1,64 %. Полученные данные были проанализированы с целью определения влияния перепада свободной поверхности на точность определения расхода воды. В результате проведенных расчетов относительная погрешность расхода воды без учета перепада свободной поверхности составила в первом опыте 5Qmax = 2,51 %, во втором 5Qmax = 2,83 % и в третьем 5Qmax = 3,24 %. С учетом перепада свободной поверхности относительная погрешность по расходу составила в первом опыте 5Qmax = 1,67 %, во втором опыте 5Qmax = 1,84 %, в третьем 5Qmax = 1,25 %. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что определение коэффициента шероховатости и расхода воды по предложенному способу необходимо осуществлять с учетом перепада свободной поверхности воды, при этом предложенный способ позволяет устанавливать и отслеживать величину расхода воды в непрерывном режиме (онлайн).
Ключевые слова: коэффициент шероховатости, метод «уклон - площадь», расход воды, перепад свободной поверхности воды, коэффициент Шези.
V. N. Shchedrin, M. V. Vaynberg, A. A. Churaev
Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation
IMPROVING THE METHODS FOR DETERMINATION OF WATER DISCHARGE IN OPEN IRRIGATION CANALS
The objective of the research was to analyze the accuracy of defining roughness coefficient. For this purpose two methods were used to determine water discharge by "slope-area" method: considering drop of free surface of water and excluding the drop. As a reference water discharge the discharge calculating by volume method was assumed. During the investigation experiments on defining the impact of flow depth and water discharge on roughness coefficient at the range of tray bottom slope 0.0002 to 0.0006 were carried out. To confirm reliability of data obtained, statistical treatment of values of roughness coefficient, calculated considering drop of free surface of water and excluding the drop, was done. In the first experiment variation coefficient was 0.82 % against 1.27 %, in the second one - 0.81% against 1.23 %, and in the third - 0.59 % against 1.64 %. Data obtained were analyzed in order to de-
fine the impact of free surface drop on the accuracy of determining water discharge. As a result of conducted calculations relative error in the first experiment was 5Qmax = 2.51 %, in the second - 5Qmax = 2.83 %, and in the third - 5Qmax = 3.24 %. Considering the drop of free surface relative error on discharge in the first experiment was 5Qmax = 1.67 %, in the second -5Qmax = 1.84 %, and in the third - 5Qmax = 1.25 %. Based on the results obtained, the conclusion can be formulated that defining of roughness coefficient and water discharge according to proposed method should be done considering drop of free surface of water. While the method proposed allows determining and monitoring the value of water discharge in a continuous mode (on-line).
Keywords: roughness coefficient, slope-area method, water discharge, drop of free surface of water, Chezy coefficient.
Введение. Выбор значения коэффициента шероховатости равносилен определению сопротивления течению, природа которого на современном этапе знаний, в сущности, непостижима [1-6]. Опытные инженеры принимают этот коэффициент, основываясь на своей многолетней практике, а начинающие - наугад, причем результаты значительно различаются.
В каналах оросительных систем значение коэффициента шероховатости п весьма изменчиво и зависит от большого количества факторов [7], таких как наличие растительности, неоднородность грунта ложа канала, заиление и размыв, размеры и форма канала и т. д. Оно не может приниматься постоянным и единственным для всех случаев.
От точности определения коэффициента шероховатости п зависит точность вычисления расхода воды, так как п является элементом, входящим в состав расчетных выражений для определения расхода.
Известен способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон -площадь», разработанный А. Е. Ивахненко (RU 2327114 C 2, G 01 F 1/00, от 20.06.2008) [8]. Сущность способа сводится к использованию одного уровнемера, расположенного в уровнемерном колодце нижнего гидрометрического створа, для измерения уровней в верхнем и нижнем гидрометрических створах, определению перепада уровней между верхним и нижним створами и вычислению расхода. Достоинствами способа
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [1-20] являются:
- повышение точности и достоверности определения расхода воды за счет более точного измерения перепада уровней воды в верхнем и нижнем измерительных створах, так как измерения производятся одним измерительным прибором (уровнемером);
- возможность автоматизации процесса измерений;
- возможность уменьшения величины обратного уклона или полный отказ от его устройства;
- снижение затрат на эксплуатацию измерительного участка ввиду близости гидрометрических створов и отсутствия необходимости в строительстве второго уровнемерного колодца.
Недостатками приведенного способа являются:
- отсутствие возможности вычисления расхода воды в режиме непрерывного времени, так как уровни воды в створах и перепад определяются с интервалом 20-30 мин [8];
- низкая надежность измерительного комплекса ввиду наличия движущихся механических элементов (поплавка, задвижки);
- необходимость устройства подводящей трубы с запорным клапаном к успокоительному колодцу с измерительным оборудованием.
С целью устранения недостатков способа измерения, предложенного А. Е. Ивахненко для реализации метода измерения «уклон - площадь», нами предлагается новый способ определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем [9]. Сущность его сводится к использованию двух датчиков уровня воды, оснащенных средствами дистанционной передачи показаний уровня и расположенных в уровнемерных колодцах верхнего и нижнего гидрометрических створов, определению уровней воды в створах, перепада уровней между верхним и нижним створами и вычислению расхода воды.
Использование предложенного нами способа измерения расхода во-
ды по методу «уклон - площадь» позволит эксплуатационным организациям, обслуживающим современные оросительные системы, организовать автоматизированный водоучет, который будет характеризоваться следующими достоинствами:
- отслеживание в непрерывном режиме значений уровней воды в створах, перепада уровней между створами;
- полная автоматизация процесса измерений;
- повышение надежности за счет отсутствия движущихся механических частей измерительного оборудования;
- отсутствие необходимости в устройстве подводящей трубы с запорным клапаном.
При использовании предлагаемого способа, измеряя необходимые параметры водотока с помощью соответствующего приборного и программного обеспечения, на выходе получаем значения расхода в режиме онлайн. Однако погрешность использования предложенного нами способа и оборудования для реализации метода «уклон - площадь» необходимо было подтвердить результатами лабораторных исследований.
Материалы и методы. Метод «уклон - площадь» основан на измерении уклона свободной поверхности воды и площади живого сечения с учетом гидравлического сопротивления русла. Предложенный нами способ реализуется следующим образом. Из измерительного канала по соединительным трубам вода поступает в успокоительные колодцы в верхнем и нижнем гидрометрических створах. Когда течение воды установится, в успокоительных колодцах датчиками уровня воды будут непрерывно регистрироваться измеряемые параметры с заданным интервалом, и с помощью средств дистанционной передачи информация будет передаваться на пункт диспетчера, оснащенный средствами ее обработки и вычисления расхода. По полученным данным и при известных параметрах измерительного участка канала (расстояние между сечениями верхнего и нижнего гидромет-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [1-20] рического створа /ств, уклон дна канала /0, коэффициент шероховатости
канала п, ширина канала по дну Ь, коэффициент заложения откосов т и т. д.) вычисляется искомый расход.
Исследования по определению расхода воды методом «уклон - площадь» проводились в лабораторных условиях. В качестве средства измерения расхода воды применялся прямолинейный участок трубы с полукруглым поперечным сечением, являющийся моделью лотка, оснащенный средством измерения уровней воды в двух створах и удовлетворяющий требованиям точности измерения уклона поверхности воды. С помощью насосного агрегата вода поступала в емкость для подачи воды в лоток лабораторной установки. Проводились измерения глубины потока в верхнем \ и нижнем ^ гидрометрических створах одновременно (рисунок 1). По измеренным данным вычислялись ю1, ю2 и R1, R2.
11
10
ПК
Контроллер| 6
8
1 - емкость для используемой воды; 2 - задвижка; 3 - насос; 4 - емкость для подачи воды; 5 - затвор; 6 - датчики уровня воды для определения к1 и к2 в верхнем и нижнем створах; 7 - труба; 8 - жалюзи; 9 - емкость для сбросной воды; 10 - контроллер для приема и обработки дистанционного сигнала с датчиков уровня воды;
11 - компьютер с программой вычисления расхода воды
Рисунок 1 - Лабораторная установка
Расход воды определялся по формуле, являющейся решением дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося движения жидкости в открытом канале оросительной сети [10, 11]. Для прямого (10 > 0) уклона формула имеет вид:
4
-, (1)
Q = 2(®1 + ®2>
к - к - ¡Л
12 0 ств
а(к - к2)( В, + В2) - 81ств
ё (®1 +®2) (С + с*2 )2 (^ + Л2)
3
где Q - расход, м/с;
ю1, ю2 - площадь живого сечения в створах 1 и 2, м2;
к1, к2 - глубина воды в створах 1 и 2, м;
¡0 - уклон дна канала;
1ств - расстояние между створами, м;
а - коэффициент скорости, равный 1,1;
В1, В2 - ширина канала по свободной поверхности воды в створах 1 и
2, м;
ё - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с ;
С1, С2 - коэффициент Шези в створах 1 и 2, м0,5/с;
R1, R2 - гидравлические радиусы в створах 1 и 2, м.
Для определения фактического коэффициента шероховатости п использовалось основное уравнение расхода воды при равномерном движении жидкости [12]:
Q=юСТя/. (2)
Используя выражение (2), определяли коэффициент Шези С:
С=-£-.
В практических расчетах открытых русел преимущественно призматической формы наиболее подходящей для определения коэффициента шероховатости п является формула Агроскина, которая при проведении лабораторных исследований позволила получить значения п, наиболее близкие к определенным экспериментально:
С=1+17,72^R, п
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [1-20] отсюда
1
n=-.
C-17,721g R
Расчеты производились с использованием программы Microsoft
Excel.
Результаты и обсуждение. Был проведен анализ точности определения коэффициента шероховатости путем решения обратной задачи двумя выражениями: предлагаемым выражением (1), в состав которого входит перепад свободной поверхности воды, и формулой Шези (2), в состав которой не входит перепад свободной поверхности воды.
Эталонный расход воды определялся объемным методом. Изменение расхода воды осуществлялось с помощью затвора 5 (рисунок 1).
Таблица 1 - Значения измерения расхода воды, подаваемого насосами
Объем воды в мерной емкости W, л Продолжительность заполнения мерной емкости t, с Расход воды Q, л/с
1 2 3
При заданном расходе Q = 0,3 л/с
18,6 60,5 0,307438
18,5 60,4 0,306291
18,3 60,1 0,304493
18,1 59,9 0,302170
18,2 60,0 0,303333
При заданном расходе Q = 0,5 л/с
30,4 60,2 0,504983
30,5 60,4 0,504967
30,3 60,2 0,503322
29,9 60,0 0,498333
30,1 60,1 0,500832
При заданном расходе Q = 0,7 л/с
42,0 60,2 0,697674
42,7 60,6 0,704620
42,5 60,5 0,702479
41,8 60,1 0,695507
42,3 60,3 0,701493
При заданном расходе Q = 0,9 л/с
54,0 60,4 0,894040
53,8 60,3 0,892206
54,1 60,4 0,895695
54,5 60,5 0,900826
54,6 60,5 0,902479
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [1-20] Продолжение таблицы 1
1 2 3
При заданном расходе Q = 1,1 л/с
66,5 60,3 1,102819
66,2 60,1 1,101498
66,4 60,2 1,102990
66,3 60,1 1,103161
66,6 60,4 1,102649
Расход, подаваемый насосом, вычисляли по формуле:
7
в=7 •
где 7 - объем воды в мерной емкости, л;
? - продолжительность заполнения мерной емкости, с.
Значения рассчитанного объемным методом расхода воды приведены в таблице 1. Измерения расхода проводились не менее пяти раз.
При определении расхода воды в лабораторных условиях могут возникать случайные ошибки, которые необходимо учитывать с помощью методов теории вероятности [13], затем следует вносить соответствующие поправки.
В классической теории ошибок доказано, что случайные ошибки подчиняются нормальному закону распределения. Для оценки колеблемости значений признака относительно средней ошибки используются характеристики рассеяния. Они различаются выбранной формой и способами оценки отклонений от нее отдельных вариантов [14]. К таким показателям относятся среднее квадратическое отклонение, дисперсия и коэффициент вариации.
Оценка отклонений о определяется по формуле [13, 15]:
о=
(/1 -/)2 + (/ -/)2+...+(/ -/)
п-1
1
К. / - / )2
i=1
п -1
где / - средняя арифметическая простая, которая определяется по формуле:
2
/ = /1 + Л + -Л
п
где п - число измерений;
/ - значение признака в дискретном ряду;
Дисперсией измерений является квадрат величины о, определяемый по формуле [16]:
I (/ - /)
В=о2 = -.
п-1
Для оценки меры вариации и ее значимости используют коэффициент вариации V, который дает относительную оценку вариации [17]. Коэффициент определяется по следующей формуле и выражается в процентах:
V==100.
/
Коэффициенты вариации дают относительную характеристику однородности явлений и процессов. Они позволяют сравнивать степень вариации разных признаков. Статистическая обработка значений задаваемого эталонного расхода приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Статистическая обработка измерения задаваемого эталонного расхода
Значение расхода Qi, л/с Дисперсия В Коэффициент вариации V, %
1 2 3
0,307438 4,58256 • 10-6 0,702453
0,306291
0,304493
0,302170
0,303333
Сумма 1,523725
Среднее значение 0,304745
0,504983 8,2681 • 10-6 0,572239
0,504967
0,503322
0,498333
0,500832
Сумма 2,512437
Среднее значение 0,502487
Продолжение таблицы 2
1 2 3
0,697674 1,36719 • 10-5 0,527954
0,704620
0,702479
0,695507
0,701493
Сумма 3,501773
Среднее значение 0,700355
0,894040 1,95232 • 10-5 0,49256
0,892206
0,895695
0,900826
0,902479
Сумма 4,485246
Среднее значение 0,897049
1,102819 4,32212 • 10-7 0,059624
1,101498
1,102990
1,103161
1,102649
Сумма 5,513117
Среднее значение 1,102623
По результатам лабораторных опытов относительная погрешность эталонного расхода воды составила 0,5-0,7 %, т. е. точность постановки эксперимента высока [13].
Далее нами были произведены три опыта, в которых были рассчитаны гидравлические элементы лотка. Опыты сводились к изменению уклона дна лотка от 0,0002 до 0,0006 и определению влияния глубины потока на коэффициент шероховатости п, устанавливаемый по формуле (2), в которой использовалось основное уравнение расхода воды при равномерном движении жидкости без учета перепада (таблица 3), и по предложенной формуле (1), в которой учитывается перепад свободной поверхности воды (таблица 4).
По полученным результатам видно, что коэффициент шероховатости п изменяется с увеличением расхода воды и глубины потока. Чтобы определить характер изменения данного значения п в зависимости от глубины потока без учета перепада свободной поверхности воды и с его уче-
том, проведена статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости (таблицы 5 и 6).
Таблица 3 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов без учета перепада свободной поверхности воды
л/с И1, мм И2, мм 2 ю, м R, м п 0,5/ С , м ' /с п
Опыт № 1 (уклон дна i0 = 0,0002)
0,305 31,50 33,11 0,002252 0,019150 69,20 0,010036
0,502 38,28 39,83 0,003256 0,023076 71,77 0,009923
0,700 43,79 45,44 0,004207 0,026264 73,23 0,009878
0,897 47,82 49,52 0,004980 0,028595 75,32 0,009740
1,103 52,01 53,72 0,005852 0,031018 75,67 0,009745
Опыт № 2 (уклон дна i0 = 0,0004)
0,305 26,92 29,27 0,001678 0,016493 70,77 0,009769
0,502 32,96 35,34 0,002453 0,019995 72,39 0,009756
0,700 37,52 40,06 0,003134 0,022636 74,23 0,009673
0,897 41,06 43,66 0,003721 0,024685 76,72 0,009505
1,103 44,74 47,35 0,004384 0,026814 76,82 0,009554
Опыт № 3 (уклон дна i0 = 0,0006)
0,305 23,97 27,55 0,001353 0,014779 75,70 0,009248
0,502 29,41 33,09 0,001980 0,017937 77,28 0,009240
0,700 33,44 37,27 0,002521 0,020273 79,61 0,009123
0,897 36,58 40,49 0,002987 0,022091 82,48 0,008943
1,103 39,79 43,69 0,003505 0,023949 83,02 0,008949
Таблица 4 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов с учетом перепада свободной поверхности воды
Qэт, л/с И1, мм И2, мм 2 ю1, м 2 ю2, м R1, м ^ м С1, 0,5/ м /с С2, 0,5/ м /с п
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Опыт № 1 (уклон дна i0 = 0,0002)
0,305 31,50 33,11 0,002511 0,002572 0,02019 0,02024 66,13 65,42 0,010481
0,502 38,28 39,83 0,003492 0,003511 0,02425 0,02432 67,42 66,83 0,010468
0,700 43,79 45,44 0,004501 0,004516 0,02849 0,02856 68,61 68,17 0,010318
0,897 47,82 49,52 0,005311 0,005325 0,02971 0,02978 70,14 69,61 0,010338
1,103 52,01 53,72 0,006203 0,006228 0,03201 0,03201 70,26 70,44 0,010308
Опыт № 2 (уклон дна i0 = 0,0004)
0,305 26,92 29,27 0,002048 0,002062 0,02193 0,02195 66,58 65,89 0,010496
0,502 32,96 35,34 0,002873 0,002898 0,02404 0,02415 67,28 66,74 0,010447
0,700 37,52 40,06 0,003617 0,003641 0,02498 0,02504 67,91 67,46 0,010412
0,897 41,06 43,66 0,004264 0,004283 0,02649 0,02658 68,27 68,63 0,010303
1,103 44,74 47,35 0,004279 0,004301 0,02657 0,02667 68,59 68,74 0,010313
Опыт № 3 (уклон дна i0 = 0,0006)
0,305 23,97 27,55 0,001835 0,001852 0,02029 0,02037 66,76 66,17 0,010422
Продолжение таблицы 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,502 29,41 33,09 0,002537 0,002571 0,02118 0,02125 67,04 66,56 0,010367
0,700 33,44 37,27 0,003144 0,003195 0,02224 0,02236 67,89 67,51 0,010314
0,897 36,58 40,49 0,003691 0,003723 0,02385 0,02391 68,37 68,14 0,010277
1,103 39,79 43,69 0,003697 0,003729 0,02392 0,02395 68,41 68,20 0,010287
Таблица 5 - Результаты статистической обработки значений коэффициентов шероховатости, вычисленных без учета перепада свободной поверхности воды
Исходные данные п Дисперсия D Коэффициент вариации V, %
Опыт № 1
0,010036 1,56993 • 10-8 1,27
0,009923
0,009878
0,009740
0,009745
Сумма 0,049322
Среднее значение 0,009864
Опыт № 2
0,009769 1,40393 • 10-8 1,23
0,009756
0,009673
0,009505
0,009554
Сумма 0,048257
Среднее значение 0,009651
Опыт № 3
0,009248 2,23703 • 10-8 1,64
0,009240
0,009123
0,008943
0,008949
Сумма 0,045503
Среднее значение 0,009101
Таблица 6 - Статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости, вычисленных с учетом перепада свободной поверхности воды
Исходные данные п Дисперсия D Коэффициент вариации V, %
1 2 3
Опыт № 1
0,010481 7,1758 • 10-9 0,82
0,010468
0,010318
0,010338
0,010308
Сумма 0,051913
Среднее значение 0,010383
Продолжение таблицы 6
1 2 3
Опыт № 2
0,010496 7,0947 • 10-9 0,81
0,010447
0,010412
0,010303
0,010313
Сумма 0,051971
Среднее значение 0,010394
Опыт № 3
0,010422 3,6723 • 10-9 0,59
0,010367
0,010314
0,010277
0,010287
Сумма 0,051667
Среднее значение 0,010333
Из полученных данных видно, что в зависимости от изменения уклона дна лотка варьирует и коэффициент шероховатости и чем меньше глубина потока, тем выше значение коэффициента шероховатости п. Также из данных таблицы 3 можно сделать вывод о том, что перепад свободной поверхности меняется при различных расходах воды. Исходя из этого, можно предположить, что изменение уклона свободной поверхности воды является реакцией потока на изменение гидравлического сопротивления. Данное предположение подтверждается статистической обработкой значений коэффициентов шероховатости с учетом перепада свободной поверхности воды (таблица 6). Коэффициент вариации при определении коэффициента шероховатости способом, учитывающим перепад свободной поверхности воды, в первом опыте составил 0,82 %, при определении способом, не учитывающим перепад свободной поверхности воды, - 1,27 %, во втором опыте - 0,81 и 1,23 % соответственно, в третьем - 0,59 и 1,64 % соответственно. На основании полученных данных можно заключить, что при вычислении коэффициента шероховатости для получения достоверного результата следует учитывать перепад свободной поверхности воды.
Так как перепад свободной поверхности водного потока влияет
на точность определения коэффициента шероховатости, то, соответственно, он также влияет на точность определения расхода воды. Это подтверждается результатами лабораторных исследований (таблица 7, рисунки 2-5) по определению расхода воды объемным методом и сравнения его значений со значениями, вычисленными по выражению (1) и способу, предложенному А. Е. Ивахненко [18].
Таблица 7 - Относительные погрешности определения расхода воды в зависимости от способа определения коэффициента шероховатости п
бэт, Опыт №1 Опыт № 2 Опыт № 3
л/с Уклон дна i0 = 0,0002 Уклон дна i0 = 0,0004 Уклон дна i0 = 0,0006
Коэффициент шероховатости п вычислен без учета перепада свободной поверхности воды
пср = 0,00986 Пср = 0,00965 Пср = 0,00910
а, л/с за, % а, л/с за, % а, л/с за, % а, л/с за, % 01, л/с за, % 02, л/с з02, %
0,305 0,312 2,45 0,313 2,51 0,313 2,78 0,314 2,83 0,315 3,33 0,315 3,24
0,502 0,508 1,21 0,507 1,09 0,514 2,31 0,513 2,21 0,512 2,07 0,513 2,15
0,700 0,706 0,87 0,705 0,78 0,712 1,69 0,712 1,74 0,711 1,62 0,711 1,56
0,897 0,901 0,49 0,902 0,52 0,909 1,33 0,908 1,23 0,906 0,99 0,905 0,93
1,103 1,106 0,29 1,106 0,24 1,112 0,83 1,110 0,67 1,110 0,62 1,109 0,52
Коэффициент шероховатости п вычислен с учетом перепада свободной поверхности воды
пСр = 0,01038 Пср = 0,01039 п = 0,01033 ср
а, л/с Эй, % а, л/с за, % а, л/с 501, % а, л/с за, % 01, л/с за, % 02, л/с з02, %
0,305 0,310 1,55 0,310 1,67 0,310 1,72 0,311 1,84 0,309 1,25 0,309 1,16
0,502 0,508 1,16 0,507 0,95 0,508 1,24 0,508 1,11 0,507 0,94 0,506 0,85
0,700 0,706 0,83 0,705 0,67 0,704 0,58 0,705 0,65 0,703 0,47 0,704 0,53
0,897 0,899 0,27 0,900 0,34 0,901 0,46 0,900 0,39 0,900 0,35 0,899 0,24
1,103 1,105 0,21 1,105 0,15 1,105 0,19 1,106 0,24 1,106 0,23 1,105 0,17
Примечание - Пср " среднее по опыту значение коэффициента шероховатости;
01 и з01 - значения расхода воды и относительной погрешности определения расхода воды, вычисленные по способу, предложенному А. Е. Ивахненко; 02 и з02 - значения расхода воды и относительной погрешности определения расхода воды, вычисленные по выражению (1).
1,2 1 0,8 0,6
2 0,4
I £0,2
о о
/ у у
/у
у А ■ ♦ г
■ ♦
ж" ■
¡=0,0002,5Цтах=2,45 % ¡=0,0004,6С}тах=2,78 % а ¡=0,0006 5Сцпах=3,33%
20 25 30 35 40 45
Глубша потока 1к мм
50
55
Рисунок 2 - Зависимость значения расхода воды Q1 от h при значении п, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды
Рисунок 3 - Зависимость значения расхода воды Q1 от h при значении п, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды
1,2
1
Е!
0,8
о»
Л 1гГ 0,6
О
«
Ч" 0,4
о (X 0,2
0
/ У А
А У
/ А / ■ ♦ г
А ■ ♦
А ■
¡=0,0002, бЦгпах=2,51% ■ ¡=0,0004, ВДтах=2,83% ¡=0,0006,5Цтах=3,24%
20 25 30 35 40 45
Глубина потока Ь.. мм
50
55
Рисунок 4 - Зависимость значения расхода воды Q2 от h при значении п, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды
1,2
а
0,8
3 0,6
«
Щ0,4
о
£ 0,2
А А Я < ►
А Я ♦
♦ ¡=0,0002, Штах=1,67% ■ 1=0,0004,5С1тах=1,84% а ¡=0,0006 6С1тах=1Дб %
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Глубина потока А, мы
Рисунок 5 - Зависимость значения расхода воды Q2 от h при значении п, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды
Выводы. При определении коэффициента шероховатости п без учета перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А. Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте 52шах = 2,45 %, во втором опыте ^тах = 2,78 %, в третьем 5Qmax = 3,33 %. При вычислении по выражению (1) данный параметр был равен в первом опыте 5Qmax = 2,51 %, во втором опыте 5Qmax = 2,83 %, в третьем 5Qmax = 3,24 %.
При вычислении коэффициента шероховатости п с учетом перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А. Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте 5Qmax = 1,55 %, во втором опыте 5Qmax = 1,72 %, в третьем 5Qmax = 1,25 %. При вычислении по выражению (1) данная величина в первом опыте была равна 5Qmax = 1,67 %, во втором опыте ^ = 1,84 %, в третьем 5Qmax = 1,25 %.
Перепад свободной поверхности влияет на точность определения расхода воды. При установлении коэффициента шероховатости п с учетом перепада свободной поверхности погрешность значения расхода воды снижается почти в два раза. Значения погрешности определения расхода
воды при установлении коэффициента шероховатости предложенным нами и А. Е. Ивахненко способом в итоге отличаются незначительно, однако преимуществом нашего способа является определение расхода воды в режиме реального времени, тогда как по способу А. Е. Ивахненко временные затраты составляют 20-30 мин.
Список литературы
1 Павловский, Н. Н. Гидравлика открытых каналов / Н. Н. Павловский. - Л. - М.: Энергия, 1937. - 890 с.
2 Чугаев, Р. Р. Гидравлика / Р. Р. Чугаев. - Л.: Энергия, 1970. - 552 с.
3 Чоу, В. Т. Гидравлика открытых каналов / В. Т. Чоу. - М.: Лит. по стр-ву, 1969. - 464 с.
4 Барышников, Н. Б. Коэффициенты шероховатости речных русел / Н. Б. Барышников, Е. С. Субботина, Ю. А. Демидова // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета / ГОУ ВПО «РГГМУ». - 2010. -Вып. 12. - С. 14-19.
5 Численная модель динамики поверхностных вод в русле Волги: оценка коэффициента шероховатости / А. В. Писарев, С. С. Храпов, Е. О. Агофонникова, А. В. Хопер-сков // Вестник Удмуртского университета / ФГБОУ ВПО «УдГУ». - 2013. - Вып. 1. -С. 114-130.
6 Гусев, А. А. Гидравлика. Теория и практика: учеб. для вузов / А. А. Гусев. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Юрайт, 2015. - 285 с.
7 Карасев, И. Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети / И. Ф. Карасев // Труды ГГИ. - 1986. - Вып. 164. - С. 3-36.
8 Пат. 2327114 Российская Федерация, МПК G 01 F 1/00. Способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон-площадь» / Ивахненко А. Е., Клишин В. Т., Варичев М. А., Смирнов С. Н.; заявитель и патентообладатель Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. -№ 2006123303/28; заявл. 10.01.08; опубл. 20.06.08. - 4 с.
9 Чураев, А. А. Результаты исследования погрешности измерений при реализации способа определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем по методу «уклон - площадь» [Электронный ресурс] / А. А. Чураев, М. В. Вайнберг // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - № 3(19). - 19 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n= 351&id=352.
10 Богомолов, А. И. Гидравлика / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.
11 Чураев, А. А. Современное применение метода «уклон - площадь» на открытых каналах оросительных систем / А. А. Чураев, М. В. Вайнберг // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - Вып. № 2(58). - С. 136-142.
12 Агроскин, И. И. Гидравлика / И. И. Агроскин, Г. Т. Дмитриев, Ф. И. Пикалов. -Л.: Энергия, 1964. - 352 с.
13 Джонсон, И. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента / И. Джонсон, Ф. Лион: [пер. с англ.]. - М.: Мир,
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [1-20] 1981. - 520 с.
14 Гальчук, В. Я. Техника научного эксперимента / В. Я. Гальчук, А. П. Соловьев. - Л.: Судостроение, 1982. - 256 с.
15 Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта с основами статистической обработки результатов исследований / Б. А. Доспехов. - М.: Колос, 1979. - 416 с.
16 Скородумов, Д. Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды / Д. Е. Скородумов // Труды ГГИ. -1965. - Вып. 128. - С. 3-97.
17 Натальчук, М. Ф. Эксплуатация гидромелиоративных систем / М. Ф. Наталь-чук, В. И. Ольгаренко, В. А. Сурин. - М.: Колос, 1995. - 320 с.
18 Ивахненко, А. Е. Способ определения расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон - площадь» / А. Е. Ивахненко // Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации: сб. науч. докл. III Всерос. конф. молодых учен., г. Коломна, 25-27 мая 2006 г. - Коломна, 2006. - С. 84-92.
References
1 Pavlovskiy N.N., 1937. Gidravlika otkrytykh kanalov [Hydraulics of Open Canals]. Leningrad - Moscow, Energiya Publ., 890 p. (In Russian).
2 Chugayev R.R., 1970. Gidravlika [Hydraulics]. Leningrad, Energiya Publ., 552 p. (In Russian).
3 Chou B.T.,1969. Gidravlika otkrytykh kanalov [Hydraulics of Open Canals]. Moscow, 464 p. (In Russian).
4 Baryshnikov N.B., Subbotina Ye.S., Demidova Yu.A., 2010. Koeffitsiyenty sherokhovatosti rechnykh rusel [Roughness coefficients of river channels]. Uchenyye zapiski Rossiyskogo gosudarstvennogo gidrometeorologicheskogo universiteta [Scientific Notes of Russian State Hydrometeorological University], no. 12. pp. 14-19. (In Russian).
5 Pisarev A.V., Khrapov S.S., Agofonnikova Ye.O., Khoperskov A.V., 2013. [Numerical model of shallow water dynamics in the channel of the Volga: estimation of roughness]. Vestnik Udmurtskogo universiteta, no. 1, pp. 114-130. (In Russian).
6 Gusev A.A., 2015. Gidravlika. Teoriya i praktika: ucheb. dlya vuzov [Hydraulics. Theory and Practice: tutorial]. Moscow, Yurayt Publ., 2nd ed, 285 p. (In Russian).
7 Karasev I.F., 1986. O printsipakh razmeshcheniya i perspektivakh razvitiya gidrologicheskoy seti [On the Principles of Placement and Prospects of Development of Hy-drological Network] Trudy GGI [Proc. of State Hydrological Institute], no. 164, pp. 3-36. (In Russian).
8 Ivakhnenko A.Ye., Klishin V.T., Varichev M.A., Smirnov S.N., 2008. Sposob opredeleniya perepada urovney i raskhoda vody na otkrytom vodotoke s prizmaticheskim ruslom po metodu «uklon-ploshchad» [Method of determination of levels difference and flow rate of water on open current with prismatic riverbed by method of incline-area], Patent RF, no. 2327114. (In Russian).
9 Churayev A.A., Vaynberg M.V., 2015. [Measurement errors for water discharge in open canals of irrigation system by "slope-area" method]. Nauchnyy zhurnalRossiyskogo NII problem melioratsii, no. 3(19), pp. 19. (In Russian).
10 Bogomolov A.I., Mikhaylov K.A., 1972. Gidravlika [Hydraulics]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2nd ed, 648 p. (In Russian).
11 Churayev A.A., Vaynberg M.V., 2015. Sovremennoye primeneniye metoda «uklon - ploshchad» na otkrytykh kanalakh orositelnykh sistem [Modern use of "slop-area" method on open canals of irrigation systems] Puti povysheniya effektivnosti oroshayemogo zemledeliya [Ways to Increase the Efficiency of Irrigated Agriculture], no. 2(58), pp. 136-142. (In Russian).
12 Agroskin I.I., Dmitriyev G.T., Pikalov F.I., 1964. Gidravlika [Hydraulics]. Leningrad, Energiya Publ., 352 p. (In Russian).
13 Johnson N. L., Leone F. С., 1965. Statistics and experimental design: in engineering and the physical sciences. New York - London - Sydney, John Wiley and Sons Inc., Vol. I, XIV, 523 pp.; Vol. II, IX, 399 pp.
14 Galchuk V.Ya., Solovyev A.P., 1982. Tekhnika nauchnogo eksperimenta [Technics of Science Experiment]. Leningrad, Sudostroyeniye Publ., 256 p. (In Russian).
15 Dospekhov B.A., 1979. Metodika polevogo opyta s osnovami statisticheskoy obrabotki rezultatov issledovaniy [Methods of Field Experience with Basics of Statistical Processing of Research Results]. Moscow, Kolos Publ., 416 p. (In Russian).
16 Skorodumov D.Ye., 1965. Voprosy gidravliki poymennykh rusel v svyazi s zadachami postroyeniya i ekstrapolyatsii krivykh raskhodov vody [Issues of floodplain channel hydraulics in connection with the objectives of constructing and extrapolating flow rate curves] Trudy GGI [Proc. of State Hydrological Institute], no. 128, pp. 3-97. (In Russian).
17 Natalchuk M.F., Olgarenko V.I., Surin V.A., 1995. Ekspluatatsiya gidromeliorativnykh sistem [Operation of Irrigation Systems]. Moscow, Kolos Publ., 320 p. (In Russian).
18 Ivakhnenko A.Ye., 2006. Sposob opredeleniya raskhoda vody na otkrytom vodotoke s prizmaticheskim ruslom po metodu «uklon - ploshchad» [Technique for determining flow rate on open watercourse with prismatic channel by "slope-area" method] Sbornik nauchnykh dokladov III Vseros. konf. molodykh uchenykh: "Novyye tekhnologii i ekologicheskaya bezopasnost v melioratsii",g. Kolomna, 25-27 maya 2006 g. [Collection of Scientific Reports of the 3rd Conference of Young Researchers "New Technologies and Ecological Safety in Amelioration"]. Kolomna, pp. 84-92. (In Russian).
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: rosniipm@yandex.ru
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 region, Russian Federation, 346421
E-mail: rosniipm@yandex.ru
Вайнберг Мария Владимировна
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: rosniipm@yandex.ru
Vaynberg Mariya Vladimirovna
Position: Junior Researcher
Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovskiy ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421
E-mail: rosniipm@yandex.ru
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: churaev75@mail.ru
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 region, Russian Federation, 346421
E-mail: churaev75@mail.ru
