Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и конструкции для определения потерь воды из каналов оросительных систем. Научный обзор
.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент мелиорации
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
«РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ПРОБЛЕМ МЕЛИОРАЦИИ»
(ФГБНУ «РосНИИПМ»)
УДК 626.826
Ю. М. Косиченко, А. М. Кореновский, Н. Ю. Черничкина, Я. В. Кокарев
МЕТОДЫ И КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ВОДЫ
ИЗ КАНАЛОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Научный обзор
Новочеркасск 2014
Содержание
Введение ................................................................................................. 4
1 Анализ нормативных документов ...................................................... 4
2 Методы определения расходов и объемов воды. Расчет
фильтрационных потерь и КПД магистральных каналов. ................ 9
2.1 Классификация методов определения расхода и объема
воды .............................................................................................. 9
2.2 Методы определения скорости течения воды ........................... 10
2.3 Принцип измерения расхода воды методом скорость –
площадь и классификация его вариантов ................................. 13
3 Современное состояние гидрометрического приборостроения
в мире и современные гидрометрические вертушки ...................... 15
3.1 Способ измерения расходов воды с использованием
ультразвуковых (акустических) измерителей скорости .......... 20
4 Градуировка и поверка измерительной системы ............................. 33
4.1 Погрешности измерений ............................................................ 34
4.2 Расчет фильтрационных потерь по данным гидрометрических
наблюдений ................................................................................. 35
5 Определение фильтрационных потерь методом фильтромеров ..... 39
6 Сравнительный анализ технических решений по определению
фильтрационных потерь ................................................................... 49
Заключение ........................................................................................... 55
Список использованной литературы ................................................... 58
2
Введение
В России около 70 % протяженности магистральных каналов и более
50 % гидротехнических сооружений, находящихся в федеральной собственности, нуждаются в реконструкции. Большинство магистральных каналов выполнено в земляном русле, что обусловливает низкие значения
КПД, вызванные существенными фильтрационными потерями, приводящими не только к снижению гидравлической эффективности канала, но и
к деградации прилегающей территории. В настоящее время до сих пор используются довольно устаревшие методы определения потерь воды
из оросительных каналов, которые были разработаны в ЮжНИИГиМ,
ВНИИГиМ и САНИИРИ в 1979 г.
В связи с этим разработка нового метода определения потерь воды
на фильтрацию является одной из наиболее важных задач.
3
B
b
k
1 Анализ нормативных документов
В настоящее время отсутствуют нормативные документы, четко регламентирующие методы и порядок проведения определения фильтрационных потерь из магистральных каналов. Так, в СП 100.13330.2012 «Мелиоративные системы и сооружения» фильтрационные потери определяются
из каналов непрерывного действия в земляном русле при установившейся
свободной фильтрации по следующим зависимостям [1, 2]:
- для каналов полигональной и параболической формы:
)2(0116,0
dBkQ
; (1)
cff
- для каналов трапецеидальной формы:
b
а) при 4
d
)2(μ0116,0
:
c
dBkQ
; (2)
cff
b
б) при 4
d
)(0116,0
где
Q – расход фильтрационных потерь, м
f
k – коэффициент фильтрации грунтов ложа канала, м/сут;
f
:
c
AdBkQ
, (3)
cff
3
/с, на 1 км длины канала;
– ширина канала по урезу воды, м;
d – глубина воды в канале, м;
c
– ширина канала по дну, м;
и A – коэффициенты, определяемые по таблице 1.
При многослойном основании коэффициент фильтрации следует определять по формуле:
k
f
где t – мощность слоя грунта, м;
– коэффициент фильтрации этого слоя грунта, м/сут.
ttt
...
...
n
, (4)
t
n
k
n
21
t
t
2
1
k
k
2
1
4
A
A
A
Таблица 1 – Значение коэффициентов и A в зависимости
от величины b/d
1
b
d
c
2 - 0,98 - 0,78 - 0,62
3 - 1,00 - 0,98 - 0,82
4 - 1,14 - 1,04 - 0,94
5 3,0 - 2,5 - 2,1 6 3,2 - 2,7 - 2,3 -
7 3,4 - 3,0 - 2,7 10 3,7 - 3,2 - 2,9 15 4,0 - 3,0 - 3,0 -
m
c
5,1
m 2
Недостатки метода, предложенного в СП 100.13330.2012:
- для выполнения расчета необходимы сведения о геологическом
строении основания и его фильтрационных характеристиках;
- расчет не учитывает случаи подпертой фильтрации.
В СП 100.13330.2012 также сказано, что коэффициент полезного
m
действия
E магистрального канала, распределителя, оросителя или их
b
участков следует определять как отношение максимального расходы воды
Q , забираемого из канала, к максимальному расходу воды brQ в начале
nt
канала с учетом потерь воды на фильтрацию и испарение по его трассе:
Q
E . (5)
nt
b
Q
br
Исходя из вышеизложенного, фильтрационные потери определяются
по разности объемов воды в створах с учетом потерь воды на испарение,
при этом объем воды в створе магистрального канала можно определить
оперируя:
- ГОСТ Р 51657.0-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохо-
зяйственных системах. Основные положения;
- ГОСТ Р 51657.1-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохо-
зяйственных системах. Термины и определения;
- ГОСТ Р 51657.2-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Методы измерения расхода и объема воды. Классификация;
5
- ГОСТ Р 51657.3-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Гидрометрические сооружения и устройства. Классификация;
- ГОСТ Р 51657.4-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Способ измерения расходов воды с использованием
ультразвуковых (акустических) измерителей скорости. Общие технические
требования.
При этом погрешность гидрометрических методов расхода составля-
ет [3]:
- при детальном способе – 6 %;
- при основном способе – 10 %;
- при ускоренно-сокращенном способе – 12 %.
При разработке нового метода будут учитываться нормативнотехнические, методические и технологические разработки прошлых лет
в области водоучета и водоизмерения, такие как:
- МВИ 05-90 «Методика выполнения измерений расхода воды методом «скорость-площадь», которая устанавливает порядок выполнения измерений расхода воды методом «скорость-площадь» на гидромелиоративных каналах. В качестве средств измерения расхода допускается применять прямолинейные участки каналов с фиксированным руслом, проводящие и сопрягающие гидротехнические сооружения, оснащенные средствами измерения уровней воды. Методика предназначена для применения при
контрольных измерениях, градуировке, поверке и метрологической аттестации средств измерений специалистами эксплуатационных организаций
и подразделений ведомственной метрологической службы. При соблюдении ее требований обеспечивается измерение расхода воды с целью градуировки и поверки детальным способом с относительной погрешностью
не более 5 %;
- ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения»,
6
который регламентирует методику выполнения прямых измерений с многократными независимыми наблюдениями и устанавливает основные положения методов обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей измерений;
- ВТР-М-2-80 «Руководство по обработке результатов измерений параметров учета воды на оросительных, осушительных и обводнительных
системах», которое устанавливает порядок обработки результатов измерений, связанных с учетом воды на гидромелиоративных системах, а также
требования к составу, срокам, технологии проведения измерений и оформлению полученной информации. Руководство распространяется на следующие виды контролируемых параметров: уровни воды в открытых потоках, водохранилищах, скважинах, смотровых колодцах и т. п.; перепады
уровней в бьефах гидротехнических сооружений и расходомеров; давление
и перепады давлений в напорных трубопроводах; скорость потока воды;
открытие задвижек и затворов гидротехнических сооружений; расходы воды в открытых и напорных водоводах;
- МИ 1759-87 «Расход воды на реках и каналах. Методика выполнения измерений методом «скорость-площадь», которая устанавливает основные положения методики измерений расхода воды на реках и каналах
с использованием гидрометрических вертушек для измерений скоростей
течения. Она обеспечивает выполнение измерений с относительной погрешностью от 6, 10 и 12 % при детальном, основном и ускоренносокращенном способе соответственно;
- ГОСТ 15126-80 «Средства измерения скорости течения воды. Вертушки гидрометрические речные. Общие технические требования», который распространяется на речные гидрометрические вертушки, применяемые для измерения средней за время выдержки скорости водного потока
в естественных и искусственных руслах и других гидротехнических сооружениях.
В научно-технической литературе [3] приводятся следующие методы:
7
- гидрометрический, заключающийся в сопоставлении величин пропускаемых расходов воды в разных створах по длине изучаемого канала.
Применяется на каналах всех категорий при установившемся движении
(путем сравнения единичных расходов) и неустановившемся (путем сравнения средних расходов за время наблюдений), пригоден, когда потери воды на фильтрацию из участка канала превышают величину, соответствующую ошибке измерения расхода;
- балансовый, сущность которого сводится к сопоставлению объема
воды, поступающей на участок баланса и за его пределы. Базируется
на материалах оперативного учета оросительной воды, выполняемого оросительной системой при водораспределении;
- объемный, учитывающий потери из заполненных водой отсеков канала, образованных перемычками. Применяется на каналах, допускающих
опорожнение на время замеров, если определение потерь средствами гидрометрии не представляется возможным;
- расчетный основан на теоретических и эмпирических зависимостях. Применяется для ориентировочной оценки потерь и КПД каналов
при их проектировании, а также планировании полевых исследований, выборе для них технических средств, установлении вероятного объема работ;
- фильтромеров, заключающийся в определении скорости фильтрации в отдельных точках ложа канала с помощью специальных приборов –
фильтромеров. Применяется на действующих каналах с расходами воды
более 1,0 м3/с, когда потери не могут быть определены гидрометрическими
измерениями или их необходимо детализировать по длине участков, суммарные потери в пределах которых известны.
При этом погрешность рассмотренных методов:
- гидрометрический метод – 5-12 %;
- объемный метод – 1-3 %;
- точечных фильтромеров – 3-5 %.
8
2 Методы определения расходов и объемов воды. Расчет
фильтрационных потерь и КПД магистральных каналов
2.1 Классификация методов определения расхода и объема воды
По способам получения результатов измерения подразделяют
на прямые и косвенные.
Прямые измерения осуществляют следующими методами:
- объемным, при котором используют градуированные резервуары
или образцовые жидкостные мерники, резервные емкости натурных участков каналов или небольших водохранилищ;
- массовым, при котором используют емкость, установленную на образцовых весах, в которой измеряется масса жидкости за заданный интервал времени.
Прямые измерения применяют, как правило, для получения высокоточных данных при исследованиях и опытно-конструкторских разработках
расходомеров, метрологических испытаниях и градуировках средств измерений, а также в эталонных расходомерных установках и при учете жидкостей в коммерческих целях.
Косвенные измерения расходов и объемов воды для открытых водотоков и каналов. В зависимости от стационарного оборудования, косвенные измерения осуществляют с использованием:
- закрепленных гидропостов в естественных устойчивых или искусственных необлицованных руслах и облицованных участках русел
по ГОСТ 8.439;
- гидрометрических сооружений и устройств [4], включающих водосливы, пороги, гидрометрические лотки и специальные гидрометрические
устройства (приставки, насадки);
- градуированных гидротехнических сооружений.
В зависимости от измеряемых параметров, косвенные измерения
с использованием закрепленных гидропостов в устойчивых необлицован-
9
ных или облицованных участках русел осуществляются следующими методами [5]:
- скорость – площадь;
- уклон – площадь;
- смешения.
При использовании гидрометрических сооружений и устройств при-
меняют следующие параметры:
- уровень (напор) – расход;
- перепад уровней (разность напоров) – расход;
- скорость – расход.
Измерения указанных параметров могут осуществляться как обычным способом, т. е. всего проходящего потока, так и парциальным способом, при котором измеряется только заданная часть потока.
При использовании градуированных гидротехнических сооружений
применяют следующие параметры:
- уровни (напоры) – открытие регулирующего устройства – расход;
- перепады уровней (разность напоров) – значение открытия регули-
рующего устройства – расход.
Косвенные методы измерений используют как основные для рабочих
средств определения расхода и объемов воды. Для выбора требуемого метода измерений воды следует использовать ГОСТ 8.439 [4].
2.2 Методы определения скорости течения воды
В гидрометрической практике на сегодняшний день известно множество принципиально различных методов определения скоростей течения
в реках и каналах. Все многообразие методов (И. А. Гириллович, В. Д. Быков, А. В. Васильев, В. В. Орлова, Г. В. Железняков, И. Ф. Карасев и др.)
[6-9] принято классифицировать следующим образом:
- метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного вин-
та (ротора). Наиболее распространенные приборы для измерения скорости
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]