Переходные гидравлические процессы в магистральных каналах оросительных систем для условий динамического регулирования водораспределения

В условиях сложного неустановившегося течения воды, характерного для высокодинамичных оросительных систем с поливом дождеванием, при разработке и исследовании технологических процессов водораспределения на оросительных системах важное значение имеют расчеты параметров переходных гидравлических процессов.

В реальных условиях работы каналов оросительных систем практически всегда имеют место нестационарные процессы. Динамика этих процессов определяется различными возмущающими воздействиями, которые зависят от характера изменения водоподачи и водопотреблепия в процессе эксплуатации каналов. Эти возмущения возникают при запусках и остановках насосных станций, дождевальных машин и их агрегатов, при маневрировании затворами на перегораживающих и регулирующих сооружениях и др. При этом характеристики нестационарных процессов в каналах будут зависеть не только от возмущающих воздействий, но и от восприимчивости оросительных систем к внешним возмущающим воздействиям. Показателями восприимчивости к внешним воздействиям — являются резервы запаса емкостей каналов, емкостей регулирования и др. / Полевые исследования и измерения характеристик этих процессов в ^ у натурных условиях трудны и дороги. Поэтому актуальными становятся [ имитационные исследования переходных гидравлических режимов на: математических моделях оросительных систем, основой для которых являются алгоритмы функционирования активных средств управления ' переходными гидравлическими процессами в открытых каналах. Математическое моделирование позволяет давать количественную оценку характеристикам волновых процессов, знание которых необходимо для разработки систем технологического и математического обеспечения для целей оптимизации процессов водоучета и водораспределения в открытых каналах оросительных систем и для решения проблемы минимизации непроизводительных сбросов оросительной воды.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка теоретических зависимостей и математических моделей для определения характеристик переходных гидравлических процессов в каналах оросительных систем и проведение численных экспериментов и имитационных исследований на ЭВМ для условий динамического регулирования водораспределения.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

— разработать аналитические решения дифференциальных уравнений характеристик, позволяющие рассчитывать при заданных краевых условиях переходные гидравлические процессы в открытых руслах;

— разработать аналитические решения дифференциальных уравнений начальных характеристик, позволяющие рассчитывать кривые свободной поверхности в открытых призматических водотоках и время добегания возмущения до контролируемых створов;

— выполнить имитационные исследования на математических моделях открытых каналов оросительных систем переходных гидравлических процессов для условий динамического регулирования водораспределения;

— применить разработанные математические модели для реализации способа активного управления водораспределением в магистральных каналах с головными насосными станциями на примере Азовского магистрального канала в Ростовской области.

Методы исследований. Основные результаты, полученные в работе и сделанные научные выводы обоснованы и достоверны. Достоверность подтверждается аналитическим решением дифференциальных уравнений неустановившегося течения воды в открытых руслах, проверенных в натурных и лабораторных условиях с применением современной вычислительной техники.

Имитационные численные эксперименты выполнялись на математических моделях установившегося и неустановившегося течения воды в открытых неразмываемых руслах, основанных на методе характеристик, который обоснован экспериментально и дает достаточную степень точности.

Научную новизну составляют: теоретические зависимости по определению гидравлических параметров потока при установившемся режиме течения воды, необходимых для построения кривых свободных поверхностей и для определения времени добегания начальных возмущений до контролируемых створов, на основе которых рассчитывается начальная характеристика в методе характеристик.

— аналитические решения дифференциальных уравнений характеристик, позволяющие рассчитывать при заданных краевых условиях переходные гидравлические процессы в открытых руслах и методика расчета характеристик этих процессов для целей динамического регулирования водораспределения.

— математические модели, применимые для реализации нового эффективного способа активного управления водораспределением в открытых магистральных каналах с головными насосными станциями.

Практическая значимость работы заключается: в повышении точности гидравлических расчетов установившихся и неустановившихся течений в открытых неразмываемых руслах с применением метода характеристикв обосновании методики применения имитационных математических моделей для расчета характеристик переходных гидравлических процессов при динамическом регулировании водораспределенияв разработанных рекомендациях по применению способа активного управления водораспределением в магистральных 5 каналах с головными насосными станциямив программном комплексе для решения задачи минимизации непроизводительных сбросов воды.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 5 работах и доложены на научно-технических конференциях аспирантов и студентов на кафедрах гидравлики и гидротехнических сооружений НГМА (1997;1999 гг). Способ активного управления водораспределением внедрен на Азовском магистральном канале в Ростовской области.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы 108 наименований и приложений. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, в том числе 14 таблиц, 19 рисунков.

1. Абдураупов P.P., Иваненко Н. Г. Начальные характеристики переходных процессов в открытых руслах // Материалы X конференции молодых ученых Узбекистана по сельскому хозяйству (секция гидротехники орошения, мелиорации и ирригации). — Ташкент: 1980, С.3−7.

2. Айбушев P.M., Есин А. И. О частном решении уравнений Сен-Венана для трапецеидального русла // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений: Межвуз. Науч. Сб. Саратов, СПИ, 1992. — С.82−86.

3. Айдаров И. П., Голованов А. И. Мелиоративный режим орошаемых земель и пути его улучшения // Гидротехника и мелиорация. № 8, 1986.

4. Алтунин B.C., Рассолов Б. К., Соколов С. А. Охрана экологической среды при гидротехническом строительстве. / Гидротехническое строительство. № 5. М.: 1987.

5. Архангельский В. А. Расчеты неустановившегося движения в открытых руслахМ, — Л.: Из-во АН СССР, 1947. 134 с.

6. Атавин A.A., Гладышев М. Т., Шугрин С. М. О разрывных течениях в открытых руслах. // Динамика сплошной среды. 1975. Вып.22. С22−35.

7. Багров М. Н., Кружи лип И. П. Оросительные системы и их эксплуатация. Изд-во ВО Агропромиздат, 1980.

8. Билик O.A. автоматизация водораспределения в оросительных системах // Автоматизация технически совершенных мелиоративных систем: Материалы совещания ВНИИГиМ. -М.: 1981. -С.77−91.

9. Большаков В. А., Клещевникова Т. П. Численные расчеты регулирования расходов и уровней воды в оросительных каналах // Гидравлика и гидротехника: Респ. Межвед. Науч.-тех. Сб.—Киев, 1974 вып. 18. гл рс 1 О’Ч.

10. Бочкарев Я. В. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации. М.: Изд-во «Колос», 1981.

11. БочкаревЯ.В., Овчаров Е. Е. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации. М.: Колос, 1981. -336 с.

12. Воеводин А. Ф., Никифоровская В. С., Чернышева Р. Т. Об одном численном методе для расчета резко изменяющихся течений в руслах и водотоках // Динамика сплошной среды. 1975. — Вып.22. — С.89−98.

13. Вопросы автоматизации систем орошения в зарубежных странах. Союзводпроект. М.: 1985.

14. Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем. 2 части. /' Щедрин В. Н., Иваненко Ю. Г. и др. НовочеркасскИзд-во НПО «Югмелиорация», 1989.-160 и 157с.

15. Выбор направлений автоматизации на основе гидравлических исследований в системе открытых каналов для целей управленияводораспределением на МОС. Отчет о НИРНПО «Югмелиорация». Новочеркасск, 1988.

16. Выбор оптимальной структуры системы оперативного управления водораспределением на магистральных и межхозяйственных каналах / A.C. Юрасов, А. И. Михайленко, В. К. Видгоков и др. // Комплексная мелиорация мелиоративных систем. Фрунзе: 1985 -С.99−106.

17. Гаврилов A.A. Имитация управления процессом водораспределения на математической модели гидромелиоративной системы // Методы системного анализа в управлении водохозяйственными системами. -Новочеркасск: Изд-во НИМИ, 1979.-С.46−51.

18. Гисберт Глазер. Исследование влияние ирригации на экологические условия // Проблемы освоения пустынь. -№ 6. Ашхабад: Изд-во «Ылым», 1986.

19. Горбунов A.A. Совершенствование системы водораспределения на оросительной сети с групповой работой ДМ «Кубань»: Автореф. Дис. К.т.н. Киев, 1985,-18с.

20. ГОСТ 24. 601−86. Автоматизированные системы управления. Состав и содержание работ по стадиям создания. М.: Изд-во стандартов, 1986. -12 с.

21. Васильев О. Ф., Лятхер В. М. Гидравлика. В кн.: Механика в СССР за 50 лет. Т.2. М., Наука, 1970.

22. Грушевский М. С. Волны попусков и паводков в рзках. -Л.: Гидрометеоиздат, 1969. -338с.

23. Грушевский М. С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.—288 с.

24. Еременко Е. В., Синельщиков B.C. Гидравлический расчет автоматического регулирования водоподачи в системе оросительных каналов // Гидротехника и мелиорация, 1975. jY"2. — С.56−61.

25. Жарковский А. М., Марголин М. Ш. Проектирование саморегулирующихся каналов оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. Мелиоративные системы: Обзор, информ. / ЦБНТИ Минводхоза СССР. М., 1989. — вып. 2 — 60 с.

26. Иваненко Ю. Г. Устойчивые потоки в неразмываемых и размываемых руслах. Новочеркасск: НПО «Югмелиорация», 1990.

27. Иваненко Ю. Г., Щедрин В. Н., КоржовВ.И., Красовский М. Ю. Программирование водораспределения в оросительной системе открытых каналов // Гидротехнические сооружения и вопросы эксплуатации оросительных систем. Новочеркасск: Изд-во ЮжННИГиМ, 1987. -С.3−10.

28. Ивонин В. М. Противоэрозионные системы водосбросов. Новочеркасск: Изд-во НИМИ, 1989. -95с.

29. Инструкция по оперативному межхозяйственному водораспределению на оросительных системах. Ташкент: Изд-во САНИИРИ, 1985.

30. Историк В. Л. Численное исследование резко изменяющихся течений в открытых руслах // Гидравлика и фильтрация. -М.: 1979 -С. 16−27.

31. Исходные материалы под типовые технические решения для проектирования автоматизированных систем управления водораспределения в ОС в равнинных регионах. Отчет о НИР. Союзводпроект. -М.: 1989.

32. Калинин Г. П., Милюков П. И. Приближенный метод расчета неустановившегося движения воды водных масс / Тр. ЦИП. 1958. -С.66−72.

33. Каналы саморегулирующиеся с расходом воды до 2 м3/с для оросителей и тупиковых распределителей автоматизированных оросительныхсистем с широкозахватной дождевальной техникой. Технические решения. М., В/О Союзводпроект, 1984. — 100с.

34. Канторович В. К., Кучмент J1.C. Применение метода конечных элементов к расчетам неустановившнгося движения воды по уравнениям Сен-Венана // Водные ресурсы, 1981. — № 6.

35. Картвелишвили H.A. Неустановившиеся открытые потоки. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. — 126 с.

36. Картвелишвили H.A. Потоки в недеформированных руслах. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. — 279 с.

37. Киенчук А. Ф., Пардаев Х. В. Вопросы межхозяйствепного водораспределения при децентрализации управления // Вопросы мелиорации и использования водных ресурсов. -Ереван: Айастан, 1985. -Зс.

38. Кисаров О. П., Косолапов А. Е. Системное управление я эксплуатации оросительных систем. -Новочеркасск: Изд-во НИМИ, 1980. -90с.

39. Кис-аров О.П., Шереметов В. К. Организация проектирования АСУ на оросительных системах Ростовской области // Методы системного анализа в управлении водохозяйственными системами. Новочеркасск: Изд-во НИМИ, 1979. -С.3−9.

40. Коваленко П. И. Автоматизация мелиоративных систем. -М.: Колос. 1983.-304с.

41. Коваленко П. И. Выбор режима водораспределения автоматизированных оросительных систем // Гидротехника и мелиорация. 1983. — № 6. -С.31−33.

42. Коваленко П. И. Принципы автоматизации управления оросительными системами // Теоретические и прикладные вопросы автоматизации управления мелиоративными системами. Киев, 1984. С.3−7.

43. Коваленко П. И., Донченко П. А., Осинина Л. М. Критерии выбора способа водораспределения на оросительных системах /У Вопросыстроительства и эксплуатации мелиоративных систем. УкрННГиМ. Киев, 1980. -С.41−45.

44. Коваленко Э. П. Исследование движения воды в открытых руслахМинск: Изд-во АН СССР, 1963. -224с.

45. Коваленко Э. П. Неустановившееся движение воды в открытых руслах // Тр. Ин-та Энергетики АН БССР. -1960. -Вып.12. -С.3−219.

46. Корень В. И. Особенности некоторых разностных схем численного интегрирования уравнений Сен-Венана при расчетах неустановившегося движения воды для случая слияния рек (на примерах прямоугольных русел) // Труды ЦИП,—1965. вып.141.

47. Коржов В. И. Совершенствование технологических приемов и средств управления зодораспределением в открытых оросительных системах. Автореф. Дис. к.т.н.: Защищена30.12.94. Новочеркасск: НИМИ. 1994. -20с.

48. Косиченко Ю. М. Гидравлика мелиоративных каналов. Новочеркасск. НИМИ, 1992. — 175с.

49. Красовский М. Ю. Совершенствование способов и технических средств автоматизации водораспределения в открытых оросительных системах. Дис. к.т.н.: Защищена25.09.87. Новочеркасск: НИМИ, 1987. -257с.

50. Кюнж Ж. А., Холли Ф. М., Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики: практическое применение: Пер. с англ. М.: Энергоагомиздат, 1985. -256 с.

51. Маковский Э. Э Автоматизация гидротехнических сооружений в системах каскадного регулирования расходов воды. Фрунзе: Илим, 1972. -302 с.

52. Маковский Э. Э., Волчкова В. В. Автоматизация процессов трансформации неравномерного стока воды. Фрунзе: Илим, 1977. 216 с.

53. Маковский Э. Э., Волчкова В. В. Автоматизированные автономные системы трансформации неравномерного стока. Фрунзе: Илим, 1981. -380с.

54. Мелещенко Н. Т. Применение теории длинных волн малой амплитуды к вопросам суточного регулирования // Известия ВНИИГ.—1940,—-т.28.

55. Методические рекомендации по оперативному межхозяйственному распределению на оросительных системах зоны недостаточного естественного увлажнения. Киев, 1985.

56. Мишуев A.B., Сладкевич М. С., Селедкин A.A. Теоретический анализ отражения волн при взаимодействии прерывной волны с водосливом 7 Тр. МИСИ. 1983. — № 189. — С.18−25.

57. Поляков Ю. П. Пути улучшения оросительных систем на Северном Кавказе. -В кн.: Рациональное использование орошаемых земель на Северном Кавказе. Тез. докл. научно-производств. конф. (4−6 июня 1974 г.) Ставрополь, 1974.-С. 11−15.

58. Проектирование саморегулирующихся каналов ОС с водораспределением «по плану» и «по требованию». Пособие к ВСК 33−2.2 Союзводпроекг. ММ и ВХ СССР. М.: 1988.

59. Решеткина Н. М., Веригина JI.M. Орошение и проблема экологии в стенной зоне Европейской части СССР // Мелиорация и водное хозяйство. № 5. -М.: 1989. -С.57−61.

60. Рогунович В.II. Автоматизация математического моделирования движения воды и примесей в системе водотоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-263 с.

61. Рожнов В. А. Автоматизация процессов водораспределения на оросительных системах. Фрунзе: йлим, 1987. 152с.

62. Системные принципы водоучета и управления водораспределением на оросительной сети / Щедрин В. П., Иваненко Ю. Г., Ольгареико В.Pi., Жарковский A.M., Филиппов Е. Г. Новочеркасск: НГТУ, 1984. -235 с.

63. Стокер Дж.Дж. Волны на воде: Пер. с англ. М., И.Л., 1959. — 617 с.

64. Технические решения по снижению непроизводительных сбросов воды из каналов оросительных систем: Предварительные рекомендации по проектированию. М.: Изд-во Союзводпоект, .1985 — 203 с.

65. Требования к проектированию и строитеьству экологически чистых систем орошения. Отчет о НИР (Л-685). Союзводпоект. М.: 1990.

66. Турсунов A.A., Эшмурадов Ю. М. образование крутых воли перемещений в больших каналах /7 Гидротехника и водное хозяйство / Тр. ЛПИ, № 346. Л.: 1978.

67. Фокс Д. А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах: Пер. с англ. М.: Энергоиздаг, 1987. — 241 с.

68. Шаров И. А. Эксплуатация гидромелиоративных систем. М.: Колос, 1968.

69. Шаров И. А. Эксплуатация оросительных систем. М.: МГМИ, 1946.

70. Щедрин В. Н., Иваненко Ю. Г., Ольгаренко В. И., Жарковский A.M., Филиппов Е. Г. Системные принципы водоучета и управления водораспределением на оросительной сети. ЮжНИИГиМ, МСХиП. -Новочеркасск: Изд-во ЦНТИ Мелиоводинформ. 1994. -235с.

71. Schmitz., and Edenhover, J. Flood routing in the Danube River by Implicit Method of Characteristics (IMOC). Proc. Int. Conf. On Appi. Math. Modelling Mitteilungen des Inst. Fur Meereskunge der 3rd Univ. West Germany, 1983.

72. Unsteady Flow in Open Channels. Edited by Mahmod, K., and Yevdjevich. V. Water Resourses Publications, Fort Collins, Colorado, 1975, v.l.v.2.

73. Clemmens, A. J., and Rcplogie, J. A. (1987). «Mechanical-hydraulic, dual-acting controllers for canal discharge rates.» J. Irrig. and Drain. Engrg. 113(1), 69 -85.

74. Dedrick, A. R., and Zimbelman, D. D. (1981). «Automatic control of irrigation water delivery to and on-farm in open channels». Tr-an.s. Eleventh Svrnp. on Irrig. and Drain., ICID. R7, 113 128.

75. Dewey, H. G., Jr., and Madsen, W. R. (1976). «Flow control and transient on the California aqueduct.» J. Irrig. and Drain. Engrg., ASCE, I02(IR3), 335 348.

76. Hremond (1987). «Dynamic regulation on the canal de provence.» Planning, operating, rehabilitation and automation of irrigation water deliver systems, ASC'.E Symp. Proc., Vortland, Oreg., 180−200.

77. Walker, R.E. (1987). «Long crested weirs.» Planning, operation, rehabilitation and automation of irrigation water deliver}' system. ASCE Symp. Proc.

78. Pioss, L. (1987). «Canal automation using the electronic filter level offset (ElFLO) method.» Planning, operation, rehabilitation and automation of irrigation water deliver)' systems, ASCF Symp. Proc., Portland, Oreg,. 164 -175.

79. Христианович С. А. Неустановившееся движение воды в каналах и реках. В кн.: «Некоторые новые вопросы механики сплошной среды» Изд. АН СССР, 1938, с. 3−215.

80. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. ГТТИ, 1950, 471 с.

81. Дульнев В. Б. Установившееся неравномерное движение жидкости с переменным расходом в открытых руслах ладанной формы. // Изв. ВНИИГ., т.62&bdquo- 1959, с 78−91.

82. Маккавеев В. М. Коновалов И.М. Гидравлика. Л., М. Речиздат, 1940., с 570.

83. Иваненко Ю. Г., Аун A.A. Численный способ расчета неустановившегося течения воды в открытых призматических каналах с применением ЭЦВМ. Труды ТИТИМСХ, вып. 62, Ташкент, 1974.

84. Иваненко 10.Г., Лобанов Г. Л., Ткачев A.A. Повышение эффективности работы РЗС водозабора Азовского магистрального канала. Сб.ст.: Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны, Новочеркасск, НГМА, 1999. 130 с.

85. Иваненко Ю. Г., Лобанов ГЛ., Ткача: A.A. Математическое моделирование активных средств управления зодораепределением в открытых руслах // Изв. ВУЗов. Сев. Кавк. регионов. Техн. науки. 1999 № 4. 124 с.

86. Иваненко Ю. Г., Лобанов Г. Л., Ткачев А. А. Численный метод решения дифференциальных уравнений характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах// Изв. ВУЗов. Сев. Кавк. регионов. Техн. науки. 1999 № 4. 124 с.

87. Чугаев P.P. // Гидравлика., Л., Энергия, 1975, 600 с.

88. Лятхер В. М., Прудовский A.M. Исследование открытых потоков на напорных моделях. М. Энергия. 1971. 288 с.

89. Форхгеймер Ф. Гидравлика. М., Л., 1925, 615 с.

90. Мелещенко Н. Г., Якубов М. С. Методика расчета неустановившегося движения в открытых руслах по методу акад. С. А. Христиановича. Изв. ВНИИГ. 1948. Т.38, с. 213−221.

91. Алтунин B.C. Деформация русел каналов. М. Колос. 1972. 120 с.

92. Лятхер В. М., Яковлев Ю. С., Милитеев А. Н. Динамика сплошных сред в расчетах гидротехнических сооружений. М. Энергия, 1976, 392 с.

93. Емцев Б. Т. Двухмерные бурные потоки. М. Энергия, 1967, 212 с.

94. Васильев О. Ф., Темноева Т. А., Шугрин С. М. Численный метод расчета неустановившегося течения в открытых руслах. Изв. АН СССР, Механика, № 2, 1965.

95. Калинин Г. П., Кучмент Л. С. О численных методах решения уравнений Сен-Венана для расчета неустановившегося движения воды в реках. Метеорология и гидрология, .№ 6, 1963.

96. Железняков Г. В. Пропускная способность русел каналов и рек. Л. Гидрометеоиздат, 1981, 312 с.

97. Михалев М. А. Гидравлический расчет каналов с водоворотом. Л. Энергия, 1971, 184 с.

98. Кокорин Ю. В., Лаксберг А. И., Троицкий В. П. Гидравлический расчет недеформируемых (при отсутствии грунтообмеиа) каналов в несвязных грунтах. ТР. ЛГ1И, № 346, Л., 1976, с. 23−31.

99. Щедрин В. П., Иваненко Ю. Г., Концепция системного недоучета на оросительной сети, Журнал: МиВХ № 1, 1 996 134.