Введение к работе
Актуальность темы. Комплексный, системный подход к управлению технологическими процессами водоучета и водораспределения на открытых оросительных каналах позволяет качественно улучшить работу всех звеньев проводящей системы. Главными задачами при проектировании, строительстве, эксплуатации и реконструкции оросительных каналов в этой связи становятся оптимизация водоотборов, разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий водораспределения. С особой актуальностью это проявляется в условиях оросительных магистральных каналов, нетехнологические сбросы воды из которых достигают 30 - 40% и более.
Эффективный процесс управления водорасиределением невозможен без использования средств локального регулирования уровней воды по бьефам сооружений, улучшения оперативного контроля и проведения специальных исследований динамических процессов течения воды, сопровождающихся сложными колебательными перемещениями расходов и уровней свободной поверхности каналов.
Возникающие гидравлические переходные процессы непосредственно связаны с многократной и частой сменой режимов работы насосных станций, гидротехнических сооружений. Последствия, вызванные волновыми процессами, связаны не только с потерями воды, но и с угрозой перелива воды через дамбы каналов, созданием непредвиденных аварийных ситуаций.
Существенным резервом экономии водных ресурсов являются объёмы бьефов в самих оросительных магистральных каналах, рациональное использование которых позволяет необходимое количество воды аккумулировать в нужном бьефе, оперативно подавать потребителям, избегать дополнительных затрат на сооружение бассейнов регулирования, экономить значительную часть электроэнергии.
При разработке способа активного управления водораспределением при неустановившемся режиме течения в оросительных каналах в основу положен принцип обеспечения полного соответствия между количеством воды, поступающей в водозабор, и её требуемым количеством, потребляемым в хозяйствах. Реализация этого принципа на современных оросительных систе-
4 мах (ОС) возможна на основе автоматизации технологических процессов во-
доподачи и водоотведения.
Разработка и внедрение способа активного автоматизированного управления технологическими процессами водораспределения на оросительных магистральных каналах с применением средств локального регулирования уровней воды по бьефам сооружений, с использованием резервных объёмов воды в бьефах осуществлялась в соответствии с планом важнейших НИР НГМА по теме: 03.02.02 - «Разработать научно обоснованные мероприятия по устойчивому и безопасному функционированию водных объектов в условиях активного техногенного воздействия» согласно «Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса на 2006-2010гг.» Министерства сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области.
Цель исследований — разработать методы расчета параметров неустановившегося течения водных потоков в каналах ОС для совершенствования технологии водоизмерения и активного водораспределения.
В связи с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
разработать единый алгоритм автоматизированного регулирования водоподачи на объекты орошения;
получить решения дифференциальных уравнений характеристик в конечно-разностном виде для расчёта неустановившегося течения воды в бьефах оросительных магистральных каналов;
найти решение краевой задачи для целей активного управления водо-распределениём и водоизмерения с учётом граничных условий в створах возмущений, сопряжений бьефов на перегораживающих сооружениях, в створах изменения гидравлических параметров каналов и в средних точках;
разработать алгоритмы расчёта управляющих воздействий величин открытий затворов сооружений с дискретно-импульсным законом регулиро-
5 вания уровней и расходов воды по бьефам перегораживающих сооружений с
учётом различных возмущающих воздействий на систему;
предложить и обосновать метод расчёта изменения объёма сработай (наполнения) многогранника регулирования резервных объёмов на расчётном участке бьефов оросительного магистрального канала по длине в процессе активного управления водорасиределением;
разработать математические модели и алгоритмы расчёта гидравлических переходных процессов на основе полученных решений, соответствующих различным режимам эксплуатации оросительных магистральных каналов;
исследовать характеристики динамических процессов в открытых каналах ОС в зависимости от структуры возмущающих воздействий и параметров восприимчивости системы бьефов к этим воздействиям;
разработать новый способ определения расходов воды в протяжённых магистральных каналах на основе аналитических решений дифференциальных уравнений Сен-Венана с использованием метода малых возмущений;
выполнить натурные исследования по уточнению гидравлических характеристик Азовского магистрального канала (АзМК), а также параметров гидротехнических сооружений и величин забираемых расходов воды в створах водоотбора.
Научная новизна работы:
аналитические решения дифференциальных уравнений характеристик в конечно-разностном виде для расчёта неустановившегося течения воды в бьефах оросительных магистральных каналов;
решение краевой задачи по определению параметров водных потоков с неустановившимся режимом течений для целей активного управления во-дораспределением и водоизмерения с учётом іраничньїх условий в створах возмущений, сопряжений бьефов на перегораживающих сооружениях, в створах изменения гидравлических параметров каналов и в средних точках;
алгоритмы расчёта управляющих воздействий величин открытий затворов перегораживающих сооружений, обеспечивающих дискретно-
6 импульсное регулирование уровней и расходов воды по верхнему и нижнему
бьефам;
математические модели гидравлических авторегуляторов с дискретно-импульсным законом регулирования уровней и расхода воды по верхнему и нижнему бьефам перегораживающих сооружений с учётом различных возмущающих воздействий на систему;
алгоритмы расчётов стационарных и нестационарных режимов движения воды для целей активного управления водораспределением и водоиз-мерения.
Объект исследования — это гидравлические параметры неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах ОС.
Предмет исследований - методы исследования и способы расчетов неустановившегося течения воды для целей оптимизации водопользования и водораспредёления на ОС.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработанные алгоритмы расчёта неустановившегося движения воды в Оросительных магистральных каналах, полученные на основе аналитических решений дифференциальных уравнений в конечно-разностном виде, обеспечивающие повышение точности расчёта гидравлических параметров;
полученные алгоритмы решения краевой задачи с учётом граничных условий в створах возмущений, сопряжений бьефов на перегораживающих сооружениях, в створах изменения гидравлических параметров и в средних точках, обеспечивающие реализацию способа активного управления водораспредёления;
впервые предложенные методы расчёта переходных гидравлических процессов и компьютерные программы для решения задач согласования режимов работы агрегатов головной насосной станции с режимами работы перегораживающих и водораспределительных сооружений в условиях опорожнения и заполнения бьефов магистрального канала водой;
разработанные алгоритмы расчёта гидравлических параметров и компьютерные программы для решения задач исследования взаимосвязи качества переходного процесса в зависимости от длины расчётного бьефа, сопро-
7 тивления русла, характера начальных и граничных условий, с обоснованием
расходной характеристики перегораживающих и водораспределительных сооружений с затопленным истечением из-под затвора;
- впервые полученные математические модели для условий установившегося и неустановившегося течения воды, обеспечивающие рациональное управление водораспределением по АзМК и повышение водообеспеченности сельскохозяйственных культур на полях орошения. Практическая значимость работы.
Информация, полученная в результате проведения натурных исследований, а также в процессе исследования переходных гидравлических процессов на имитационной математической модели, может быть использована: при выборе и обосновании схем регулирования для способа активного управления водораспределением и водоизмерения в оросительных магистральных каналах; для согласования режимов работы агрегатов головной насосной станции с режимами работы перегораживающих и водораспределительных сооружений в условиях опорожнения и заполнения бьефов магистрального канала водой; для обоснования настроечных параметров регуляторов; для обоснования точности контролируемых параметров, обеспечивающих устойчивое состояние процесса водораспределения в бьефах магистрального канала.
Результаты исследований использовались в Весе'ловском филиале ФГУ «Управление Ростовмелиоводхоз», внедрены на мелиоративных системах Ростовской области, применяются в учебном процессе при чтении лекций студентам по дисциплине «Математическое моделирование в гидротехнике».
Предложенный способ активного управления водораспределением использован службой эксплуатации АзМК в Весёловском районе Ростовской области, Магистрального канала Пригородной ОС г. Краснодара.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научных секций «Эксплуатация гидромелиоративных систем» отделения Земледелия, мелиорации водного и лесного хозяйства Россельхозакадемии (Новочеркасск, 2000 г.), Междуна-
8 родной научно-производственной конференции (Новочеркасск, 2003г.), Региональной научно-практической конференции, посвященной 95-летаю мелиоративного образования на Юге России (Новочеркасск, 2003 г.), Международной научно-теоретической конференции по гидравлике, посвященной 100-летию со дня рождения Р. Р. Чугаева (Санкт-Петербург, 2004 г.), Международных научно-практических конференциях (Новочеркасск, 2006 г., Краснодар, 2008 г., Москва, 2009, 2011 гг.), на Межвузовских кеординационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2003 г., Ульяновск, 2005 г., Калуга, 2008 г.), Всероссийских научно-практических конференциях (Новочеркасск, 2008 г., 2011г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов (Новочеркасск 1998-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, включая 11 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ, 2 монографии, 1 учебное пособие.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объём составляет 297 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков, 25 таблиц, списка литературы из 253 наименований (в том числе 24 иностранных автора) и 4 приложений.
