Особенности расчета тупиковых каналов для случая автоматизированных оросительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Важным структурным элементом автоматизированных оросительных систем являются саморегулирующиеся каналы. В расчете тупиковых каналах существуют свои особенности, поскольку регулирование водоподачи с использованием автоматических регуляторов по уровню воды по верхнему бьефу сооружений можно реализовать с учетом отражения волновых процессов. При этом необходимо использовать подход, при котором объем потребляемой оросительной воды соответствует объему, поступающему в тупиковый оросительный канал. На автоматизированных оросительных системах данный подход реализуется с использованием математических моделей и методов имитационного моделирования технологических процессов водоподачи и водоотведения в условиях неустановившегося движения воды. Лучший результат будет достигнут в случае автоматизации всего технологического процесса водоподачи - от водозабора до полива путем внедрения соответствующих технических средств на объектах регулирования водоподачи.

Водовыпуски открытых оросителей являются объектами регулирования на внутрихозяйственной оросительной сети, где происходят наибольшие потери воды (до 20% от объема водоподачи). Эти гидротехнические сооружения являются наиболее массовыми, они рассредоточены на большой территории, поэтому использование здесь регуляторов автоматического действия будет эффективнее. Именно поэтому работы, направленные на совершенствование технических средств регулирования водоподачи для открытой внутрихозяйственной сети оросительных систем, представляют собой научный и практический интерес.

Эффективное управление процессами водоподачи, водораспределения и использования воды в узлах водовыдела предусматривает автоматизацию оросительных систем. Автоматизация оросительных систем должна обеспечивать наибольший технико-экономический эффект в процессе эксплуатации мелиоративных систем, максимальное соответствие между водоподачей и водопотреблением. Весь процесс от водозабора до полива необходимо рассматривать как единый и непрерывный.

Выбор закона регулирования водоподачи на автоматизированных тупиковых каналах для соответствующих целей может решить следующие задачи: эффективно реализовать технологические процессы регулирования и управления водоподачей в заданных узлах; максимально эффективно использовать объёмы бьефов в каналах, предотвращая угрозу переполнения каналов; минимизировать потери оросительной воды на сброс.

Для указанного закона регулирования с использованием авторегуляторов процесс включения водопотребителей может быть как растянутым во времени, так и мгновенным. При этом пропускная способность бьефов тупикового канала соответствует общему расходу водопотребителей. При моделировании динамического режима работы участников забора оросительной воды в тупиковых каналах процесс водоподачи должен автоматически изменяться в диапазоне от максимальных значений при полном включении в до минимальных значений при полном отключении водопотребителей.

Математические модели для имитационных исследований процессов регулирования водоподачи и водоотведения рассчитываем согласно уравнений Сен-Венана, записанных в характеристической форме:

, (1)

,

, (2)

,

где U - средняя скорость течения воды в сечении, м/с; H - глубина потока, м; X - пространственная координата, м; t - время, с; щ - площадь поперечного сечения, м2; B - ширина водотока по урезу воды, м; g - ускорение силы тяжести, м/c2; C - коэффициент Шези, м0.5/c; R - гидравлический радиус м; I0 - уклон дна водотока; - расход притока (оттока) воды от бортов русла, м2/c.

Знак (+) отвечает расходу притока воды к бортам русла, знак (-) отвечает, соответственно, расходу оттока воды от бортов русла. Первые уравнения относятся к прямой характеристике, вторые уравнения к обратной характеристике.

С целью повышения качества управления подачи воды потребителям в узлах водовыдела на многих оросительных системах создаются дополнительные емкости в виде бассейнов регулирования, в которых происходит накопление расчетного объема воды и последующая сработка его в заданное время, что позволяет обеспечить забор воды насосной станцией в ночное время по низким тарифам и снижать непроизводительные сбросы воды в магистральном канале.

Однако, используемые в настоящее время гидравлические методы расчета, справедливые для установившегося течения воды, не в состоянии реализовать необходимый уровень управления водоподачей. Применяемый способ активного управления водораспределением предполагает задействовать перегораживающие сооружения с использованием авторегуляторов и перераспределять объемы воды в бьефах оросительного канала таким образом, чтобы обеспечить командование территорией в узлах водовыдела в любой момент времени, при отключении водопотребителей. Такой результат можно получить путем автоматического контроля за изменением уровня в отдельных бьефах канала с тем, чтобы перераспределять резервные объемы в отдельных бьефах.

В процессе управления водораспределением необходимо учитывать уставку по изменению глубины так, чтобы в каждой точке водозабора в любой момент времени было обеспечено командование уровнем, но при этом исключалась возможность переполнения бьефа канала. С этой целью предполагается использование локальных автоматических регуляторов по верхнему или нижнему бьефам сооружения, которые открытием щитов на перегораживающих сооружениях контролируют изменения уровня или расхода воды в верхнем или нижнем бьефах и имеют возможность перераспределять резервные объемы между отдельными смежными бьефами.

В процессе имитационных исследований под резервной емкостью понимается объем заполненной водой фигуры между последующим и предыдущим расчетными створами в бьефах магистрального канала, который представляет многогранник в виде обелиска или клина. В данном случае высотой обелиска является протяженность канала между соседними расчетными створами. Нижним и верхним основаниями обелиска являются трапеции, расположенные в параллельных плоскостях. Боковыми гранями обелиска являются также трапеции. Если одно из оснований обелиска сливается в прямую линию, такой обелиск называется клином.

Объем наполнения или опорожнения многогранника в виде обелиска регулирования резервных емкостей на расчетном участке бьефов магистрального канала определяется по формуле:

.

оросительный канал магистральный саморегулирующийся

Здесь: W(nb,ns) - объем наполнения (опорожнения) многогранника в виде обелиска регулирования резервных емкостей на расчетном участке бьефов магистрального канала; nb - номер расчетного бьефа; ns, ns1 - номера створов, соответственно последующего и предыдущего; b(nb,ns) - ширина водотока по урезу воды; m(nb,ns) - заложение откоса канала; xp(nb,ns), xt(nb,ns) - координаты расчетных створов на последующем и предыдущем временных расчетных шагах. (Примечание: координаты расчетных створов могут незначительно видоизменяться, так как в методе характеристик координатная сетка является нерегулярной); glp(nb,ns), glt(nb,ns) - глубины воды в расчетных створах канала на последующем и предыдущем временных расчетных шагах.

Для расчета неустановившихся динамических режимов течения воды в открытых призматических руслах рассматривается регулирование по уровню верхнего бьефа в первом створе канала для варианта регулирования, соответствующего случаю полного мгновенного отключения и затем полного мгновенного включения всех водопотребителей. В голове канала одновременно подается заданный расход в соответствии с указанным законом регулирования, а граничные условия определяются расходами потребителей в узлах водовыдела.

Для расчета неустановившегося течения воды в каналах разработана математическая имитационная модель, реализованная в виде программного комплекса, основанный на методе характеристик. При проведении имитационных исследований по поиску оптимального размещения регуляторов согласно принятой схемы управления водораспределением использовались натурные данные канала Пригородной оросительной системы г. Краснодар.

В качестве математических зависимостей для расчета управляющих воздействий затвором головного перегораживающего сооружения канала рассматриваются законы регулирования дискретного действия. В соответствии с принятыми математическими зависимостями, описывающими процесс контроля и управления осуществляется контроль за режимом работы и управлением затворами перегораживающих сооружений в дискретные моменты времени.

Стационарное состояние при моделировании процесса регулирования водоподачи и водопотребления характеризуется установившимся режимом водопотребления, при этом в качестве граничных условий приняты гидравлические параметры канала по бьефам, соответствующие установившемуся неравномерному течению с расходом воды в голове канала Q = 5,1 м3/с и глубиной воды h = 2,85 м. В конце 7 бьефа тупикового канала расход воды приближен к нулю, а глубина воды h = 1,9 м.

Процесс моделирования динамических процессов, характерных для неустановившегося течения воды начинается с момента мгновенного отключения всех водопотребителей (с изменением расхода с 5,1 до минимально возможного 0,1 м3/с) и характеризуется уменьшением расходов и повышением уровней воды в бьефах канала. При проведении имитационных исследований выявлено максимально возможный период работы бьефов каналов с учетом аккумулирующей возможности при мгновенном полном аварийном отключении водопотребителей, который составляет 10250с. Затем водоподача в голове канала прекращается объемы воды перераспределяются в бьефах канала. Условиями эксплуатации тупикового оросительного канала определяется временной период сработки накопленных объемов (для условий Пригородной оросительной системы принят ?T=2600c), после чего происходит мгновенное включение всех водопотребителей и величины начальных расходов воды в бьефах восстанавливаются. Данный цикл работы тупикового оросительного канала может повторяться заданное количество раз.

На математической модели с использованием полученных решений проведены имитационные исследования по поиску и выбору оптимальных гидравлических и технологических параметров тупиковых саморегулирующихся распределительных каналов оросительных систем с автоматическими регуляторами. Предлагаемый способ имитационных исследований тупиковых каналов позволяет максимально эффективно использовать имеющиеся резервные емкости воды в бьефах. Такой результат достигается усилением контроля за изменением расходов и уровней в бьефах, что позволяет существенно повысить качество работы водозаборного сооружения и точность системы водоучета и водораспределения в целом, а следовательно рационально использовать объёмы бьефов в каналах; обеспечивать бесперебойную подачу воды водопотребителям; минимизировать технологические потери воды; предотвращать угрозу перелива воды через дамбы каналов.

Размещено на Allbest.ru