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
ультразвуковых преобразователей и схемой их расположения на откосах
(берегах) русла.
Общий расход
Q , по формуле:
i
Q , м
3
/с, вычисляют как сумму послойных расходов
s
n
QQ
, (11)
is
i
1
где n – количество послойных отсеков.
При обработке данных допускается применять общеизвестные методы вычисления интеграла – метод прямоугольников и метод трапеций.
В первом случае (рисунок 8) средней скоростью в отсеке считают
скорость в плоскости луча, проходящего через этот отсек. Границами отсеков по горизонтали являются линии, расположенные на половине расстояния между соседними преобразователями (лучами) в их общей матрице.
Шириной отсека является ширина русла на глубине данного луча. Во втором случае среднюю скорость в отсеке определяют как среднее от двух
значений скорости потока в плоскостях лучей, ограничивающих этот отсек. Средней шириной отсека является среднее от двух значений ширины
русла на глубине этих лучей.
Рисунок 8 – Пример расчета расхода методом послойных сечений
Некоторыми особенностями отличается обработка данных в крайних
отсеках. В методе прямоугольников верхний отсек ограничен снизу линией
31
на расстоянии, равном 0,5 расстояния от самого верхнего активного луча
до соседнего снизу. Сверху отсек ограничен водной поверхностью. Средняя
скорость в отсеке – это скорость, измеренная верхним активным лучом.
Средняя ширина отсека – это средняя ширина русла, вычисленная
как среднее значение от ширины русла в верхнем луче и ширины русла
по урезам воды. Последнее значение может быть получено интерполяцией
между известными значениями ширины русла в плоскости самого верхнего луча и в плоскости ближайшего к поверхности, но не погруженного
в поток преобразователя.
Высотой отсека является разность отметок высот верхнего луча и
водной поверхности. Расход через самый нижний отсек, ближайший к дну,
вычисляют по такому же принципу.
Информация, полученная от луча, находящегося в потоке близко
к поверхности, часто бывает недостоверной из-за помех, вызванных поверхностным отражением сигнала. Поэтому в приведенных выше вычислениях ее используют только как информацию о положении самой высокой точки потока для определения ширины русла по урезам воды.
При обработке крайних отсеков методом трапеций необходимы определенные условные допущения, касающиеся скоростей потока на его поверхности и у дна, так как эти значения необходимы для расчета средней
скорости отсека.
При небольших размерах донного отсека можно принять следующие
допущения для оценки донной и поверхностной скоростей:
- найденную с помощью верхнего луча скорость приравнивают
к средней скорости верхнего отсека;
- придонную скорость определяют по значению, найденному в верхнем отсеке и корректируют с помощью коэффициента, найденного эмпирически (например гидрометрической вертушкой). Обычно этот коэффициент лежит в диапазоне от 0,4 до 0,8.
При случайном исчезновении отдельных лучей, из-за отказов в рабо-
32
те преобразователей или других элементов аппаратуры результат измерений расхода должен быть вычислен (точность вычисления в этом случае
может быть меньше). Степень уменьшения точности будет зависеть от отношения числа пропавших лучей к числу действующих, а также от их
взаиморасположения.
При сбое в работе некоторых преобразователей расчет проводят
по укрупненным отсекам, которые включают в себя отсеки дефектных
преобразователей и которые в этом случае измеряют ближайшими действующими лучами. Алгоритм вычислений должен обеспечить при этом минимальное снижение точности результата измерений.
4 Градуировка и поверка измерительной системы
Градуировку измерительной системы следует проводить регулярно и
в каждом случае изменения геометрических параметров русла на участке
измерения. Градуировка может осуществляться при помощи гидрометрических вертушек или ультразвуковых измерителей скорости.
При использовании необходима градуировка с вычислением средней
скорости в створе по измеренному полю скоростей и нахождением коэффициента скорости, который связывает среднюю скорость со скоростью,
измеряемой преобразователями. Найденный коэффициент скорости в таком случае компенсирует также погрешности, обусловленные неточным
определением угла , под которым направлен луч по отношению к на-
правлению потока, и длины самого луча.
В результате градуировки однолучевые системы с подвижными преобразователями определяют ту глубину, на которой следует установить
подвижные преобразователи, чтобы измеренный с их помощью расход был
равен среднему в живом сечении створа. С этой целью необходимо, как и
в предыдущем случае, определить поле скоростей с построением эпюры и
нахождением глубины, на которой скорость равна средней по сечению.
Для нахождения поля скоростей можно использовать гидрометрические
33
вертушки или портативные ультразвуковые, или иные аттестованные измерители скорости.
Методика поверки ультразвуковой измерительной системы – по МИ
1759-87 [10]. Погрешности поверок и их результаты – по ПР 50.2.006-94
[11].
4.1 Погрешности измерений
Определение погрешностей измерения и их обозначения производят
по РМГ 29-99 [11].
Предельную погрешность определения расхода δQ определяют
по формуле:
где
δ – предельная относительная погрешность измерения скорости;
V
δ – предельная относительная погрешность измерения глубины;
h
δ – предельная относительная погрешность измерения ширины;
b
δ – погрешность, связанная с ограниченным числом лучей.
n
2222
δδδδδ
, (12)
nbhVQ
Предельную относительную погрешность измерения скорости δV определяют по формуле:
2
22
4δ
SLV
где
и S – соответственно предельные относительные погрешности из-
L
tt
/
1
2/1
2
2
2
1
1
2
, (13)
tttt
2
мерения длины луча L и его проекции на ось потока S;
и 2 – соответственно предельные относительные погрешности из-
1
мерения интервалов времени
t и 2t .
1
Все предельные относительные погрешности должны быть оценены
при доверительной вероятности 95 %.
Относительные погрешности определения ширины и глубины при
тщательном обследовании и соответствующей аппаратуре не превышают
34
0,1 %. Поэтому при оценке общей погрешности ими можно пренебречь.
Погрешность определения угла между акустическим лучом и береговой линией также около 0,1 % при допущении, что поток параллелен берегу. Однако если поток не параллелен берегам, то эта погрешность существенно увеличивается.
В общем случае при использовании ультразвуковой системы с одним
акустическим лучом предельная погрешность разового определения расхода от ± 5 до ± 10 %. При использовании многолучевых систем предельная погрешность разового определения расхода меньше ± 5 %.
4.2 Расчет фильтрационных потерь по данным
гидрометрических наблюдений
Обработка результатов измерений расходов воды русловым методом
отличается от обычных приемов, применяемых при оперативном учете
оросительной воды, использованием графоаналитического способа при
вычислении площади эпюры расхода ( hVq
) по вертикали и всего рас-
cp
хода (Q, м3/с) по сечению потока. Значение этих величин определяется
планиметрированием площадей эпюр скоростей по вертикалям и эпюр q
по ширине потока. При построении эпюр скоростей для вычисления следует руководствоваться следующими правилами:
- масштаб для глубин вертикалей выбирается таким образом, чтобы
глубина живого сечения на чертеже выражалась отрезком длиной примерно 6-10 см, а масштаб средней скорости – отрезком 5-7 см; выбранные
масштабы распространяются на скоростные эпюры всех вертикалей;
- площадь эпюры расхода q (м2), равна числу квадратных сантимет-
ров эпюры, помноженному на произведение масштабов глубин и скорости,
т. е.:
MMAq
, (14)
21
где A – число квадратных сантиметров эпюры;
35
M – масштаб глубины;
1
M – масштаб скорости.
2
Планиметрирование следует производить трехкратно, принимая
за площадь среднюю из трех определений. Отклонение среднего числа делений планиметра от числа делений отдельных измерений не должно быть
более одного на 100 отсчитанных делений.
Расход воды по всему сечению потока (Q, м3/с) определяется
по площади эпюры q, для построения которой масштабы следует подби-
рать с расчетом получения на чертеже ширины живого сечения, близкой
15-20 см, а средней скорости на вертикали – 6-8 см. Трехкратное планиметрирование площади эпюры здесь также обязательно.
Остальные элементы живого сечения потока в створах измерения
расхода и поперечников определяются аналитически приемами, принятыми в эксплуатационной гидрометрии. Значения расходов и скоростей течения вычисляются до 3 значащих цифр (до мм).
Определение потерь воды (S, м2), на участке канала производится
по формуле:
где
Q и
верх
Q – соответственно расход воды в верхнем и нижнем створах;
ниж
Q – сумма расходов воды всех отводов на участке;
отв
Q – сумма сбросов воды в канал.
СБ
QQQQS , (15)
нижСБотвверх
Результаты вычислений расходов сводятся в таблицу 3.
Таблица 3 – Результаты измерения расходов воды
№№ оп-
ределения
потерь
Да-
та
канала водовыпусков сбросов
Q
верх
Потери на испарение с водной поверхности участка (
деляются по выражению:
Q
ниж
Расходы воды, м3/с Потери,
, м3/с
S
1 2 …
Q
отв
1 2 …
Q
СБ
S , м
исп
2
), опре-
36
86400
2
2
L
L
2
2
p
2
ср
ebВ
исп
S
, (16)
исп
ii
где
ср
В
i
В , 2В ,…,nB – ширина уреза воды по линии поперечников, м;
1
b – расстояние между поперечниками, м;
i
e – высота слоя испарения воды, м/сут.
исп
ВВ
...,,
Потери на фильтрацию (
(S) и потерь на испарение (
BВ
121
nn
;
S ) находятся по разности суммарных потерь
ф
S ).
исп
Кроме определения абсолютных значений потерь на участке в состав
обработки материалов должно входить также определение удельных и относительных потерь:
- на один километр длины участка:
S
l
1000
S
, (17)
где S – потери воды на фильтрацию, м3;
– ширина участка, м;
- на 1000 м2 площади смоченного ложа участка:
6
S
где
cp
x
i
x , nx , …, nx – смоченный периметр поперечников;
1
b – смоченная ширина участка, м;
i
xx
...,,
121
S
xx
nn
;
, (18)
p
cp
bx
ii
6
S
1010
p
– смоченная поверхность участка, м;
- на один километр в процентах от среднего расхода воды на участке:
QQ
)
(
Q
, (19)
cp
нижверх
S
Q
l
cp
100
37
. (20)
F
B
Данные, необходимые для определения общей смоченной поверхности дна и откосов участка канала и площади зеркала воды по поперечникам, объединяются в сводной таблице 4.
Таблица 4 – Сводная таблица данных
Номер
опреде-
ления
потерь
1 2 3 4 5 6 7 8
Номер поперечника
(начиная от
верхнего
створа)
Расстояние
между по-
перечника-
ми
Уровень
воды от
«0» по-
ста
Площадь
живого
сечения
, м2
Ширина
по урезу
воды
, м
Средняя
глубина
живого
сечения
h , м
cp
Смо-
ченный
пери-
метр
, м
Потери определяются с точностью абсолютных и удельных величин – до 3 значащих цифр: относительных – до 0,1 % при величине их
больше единицы и до 0,01 % при величине меньше единицы.
Коэффициент полезного действия участка канала определяется
с точностью до 0,01 по формуле:
SQ
КПД
верх
. (21)
Q
верх
Сводной таблицей, включающей итоговые данные по потерям воды
на всем участке канала за весь период работы, служит ведомость, которая
составляется или по всему участку в целом, или при наличии на участке
промежуточных створов – по каждому подучастку, ограниченному двумя
соседними створами.
При ее заполнении необходимо учитывать следующее:
- данные по режиму расходов и уровней канала на участке опреде-
ляются по материалам эксплуатационной гидрометрии системы;
- данные о расположении всех створов измерения расходов в русле
канала, на выделах из него, сбросах в канал, а также всех поперечников
с их нумерацией отмечаются на схеме участка;
- данные о грунтах, слагающих ложе каналов, и о наносах приводятся по результатам анализа соответствующих проб.
По результатам наблюдений строится зависимость потерь и коэффи-
циента полезного действия от расхода на участке (рисунок 9). На устойчи-
38
вых участках канала, где обеспечивается хорошая связь средней глубины,
площади живого сечения, ширины по урезу воды с расходом, эта зависимость является основной.
Рисунок 9 – График зависимости потерь и КПД от расхода
Распространение данных о потерях, определенных на наблюдаемом
участке канала, на другие участки каналов системы допустимо лишь в случаях, когда условия работы последних аналогичны таковым, характерным
для объекта наблюдения, как в отношении геологических и гидрогеологических условий, так и в отношении размеров поперечных сечений русла,
его форм, пропускаемых расходов воды и состава наносов. Подобные совпадения условий обычно имеют место в каналах мелкой сети.
5 Определение фильтрационных потерь методом фильтромеров
Метод точечных фильтромеров позволяет:
- замерять потери из каналов, проходящих в связных, полусвязных и
песчаных грунтах;
- определять потери на любых по длине отрезках каналов;
- измерять потери в действующих каналах, не нарушая режима их
работы;
- контролировать качество и эффективность противофильтрацион-
ных мероприятий.
39
Для определения потерь методом фильтромеров необходимы следующие исходные материалы [12-16]:
- данные геодезической съемки участка канала, продольный и попе-
речные профили участка;
- фактическое техническое состояние канала с описанием осуществ-
ленных мероприятий по борьбе с потерями на фильтрацию;
- гидравлические элементы и режим работы канала;
- состав почвогрунтов основания канала;
- режим грунтовых вод.
На основании собранных данных каналы или их участки, где предполагается проводить замеры, группируются по размерам, типам облицовки и ее состоянию, по проницаемости грунтов основания и условиям
фильтрации.
Подготовительные работы также включают:
- оборудование участка;
- установку фильтромеров.
Перед началом измерений потерь воды в створе участка выполняют
следующие работы:
- створ оборудуется средствами передвижения вдоль него для установки измерительных приборов в точках измерений. При нешироких каналах, шириной до 5 м, оборудование представляет собой поперечные балочные мостики, при ширине до 15 м – подвесные разборные мостики, при
ширине более 16 м – лодки, передвигающиеся по ходовому тросу и закрепляемые на месте растяжными тросами;
- натягивают вдоль створа разметочный трос с обозначенными вертикалями (местами установки приборов);
- устанавливают в русле на створе приспособления для закрепления
приборов в точках измерения потерь.
Для производства наблюдений и измерений отряд (группа), произво-
дящий полевые работы, должен быть снабжен:
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]