Исходя из многолетнего опыта эксплуатации оросительных систем, определение расхода воды в канале с небольшим расходом целесообразнее проводить с помощью гидрометрических сооружений. Это объясняется тем, что, несмотря на многообразие влияющих факторов, гидрометрические сооружения – достаточно надежные средства измерения, имеющие устойчивые высокие метрологические характеристики и погрешность измерения в 1,5–2,0 раза меньше, чем при определении расхода воды непреобразованным методом «скорость – площадь» [1, 2].
В настоящее время с появлением новых современных приборов для измерения расхода воды, датчиков и приборов, преобразующих измеренный параметр в количество измеренного расхода воды, актуальность этого способа повышается. К известным конструкциям гидрометрических устройств и сооружений можно отнести: водосливы, гидрометрические лотки, насадки, приставки, существующие ГТС в качестве расходомерных сооружений (перепады, быстротоки, градуированные регуляторы-водовыпуски, гидрометрические створы с фиксированным руслом по ГОСТ Р 51657.3-20001).
В последнее время все чаще рассматривается использование гидрометрических лотков с современными датчиками или приборами для измерения расходов воды на открытом канале [3, 4]. Использование лотков как водомерного устройства значительно упрощает процесс измерения, сводя его к определению всего одного гидравлического параметра в одном постоянном месте. В связи с этим легко автоматизировать в перспективе процесс измерения этого параметра, регистрацию и передачу полученной информации в центры обработки данных на расстояние для контроля и регулирования водораспределения. Конструкции гидрометрических лотков просты. Их может построить на месте использования служба эксплуатации, они могут быть собраны из унифицированных блоков или изготовлены на заводах железобетонных изделий. Эксплуатация этих сооружений не сложная и не требует больших постоянных трудозатрат. Водомерное устройство со стандартными водосливами и лотками допускается комплектовать буйковыми, емкостными, тензометрическими, акустическими уровнемерами, дифманометрами-уровнемерами, ультразвуковыми и погружными датчиками давления и другими современными приборами [5].
Материалы и методы.
где Aw – площадь живого сечения, м2;
Vк – средняя скорость в русле или канале, м/с;
f1,f2, f3 – функциональная зависимость
измеряемого параметра;
h – глубина канала или русла (напор с точкой
отсчета от средней от-
метки
дна), м;
Δh – разность измеряемых напоров или уровней, м;
ΔP – разность давлений, м.
В
нашем случае рассматривается лоток Паршалла при свободном истечении потока воды
с функциональной зависимостью расхода от одного измеряемого параметра во
входной части лотка (напора), т. е. Q= f (h).
Результаты и
обсуждение.
Для теоретического изучения применимости гидрометрического лотка, оснащенного современными датчиками или приборами для выполнения измерений расходов воды на открытом канале, был выбран лоток Паршалла. Рекомендуемая конструкция лотка Паршалла предназначена для измерения расхода жидкости в каналах и естественных водотоках, а также для измерения расхода воды, поступающей из небольших емкостей (водохранилищ, накопителей и др.). Для измерения расходов в широких каналах с небольшим наполнением необходимо, что бы выполнялось условие h/B ≤ 0,5 (где h – высота столба жидкости в канале, м; B – ширина сужающей входной секции).
На рисунке 1 представлен общий вид лотка. Лоток имеет прямоугольную форму поперечного сечения и состоит из трех основных частей: сужающей входной секции, секции горловины, расширяющейся выходной секции.
Гидрометрические сооружения на базе стандартных лотков представляют собой простое гидравлическое устройство, но требуют разработки точного проекта. Критерии определения размера гидрометрического лотка – величина наибольшего пропускного расхода воды, а также гидравлические характеристики подводящего и отводящего участка канала или водоема [7].
Гидравлический расчет лотка Паршалла сводится к нахождению ширины горловины лотка по заданному расходу и принятому верхнему пределу измерения напора при условии обеспечения свободного незатопленного истечения и спокойного режима в подводящем канале.
Выбор размеров лотка желательно сделать в расчете на свободное истечение (т. е. при отсутствии затопления со стороны нижнего бьефа).Критерием затопления является соотношение высот уровня воды над дном в верхнем (hв) и нижнем (h ) бьефах лотка. Отношение этих высот называется коэффициентом подтопления (η ), который равен:
η=h/
hв (1)
Рассмотрим пример. При определении геометрических параметров лотка Паршалла выбираем наибольший расход воды в подводящем канале – 1,5 м3/с. Ширину горловины лотка принимаем равной 1,0 м. Верхний предел измерения напора в лотке – 1,2 м, нижний – 0,7 м. Вычисляем коэффициент подтопления по формуле (1), который составляет 0,6, что по нормативному документу МИ 2406-97 соответствует допустимому значению [8].
С
помощью рабочих расчетных формул [6] находим размеры основных элементов лоткаПаршалла с расходом до 1,5 м3/с при свободном незатопленном истечении и
спокойном режиме в нижнем бьефе:
Высота порога лотка (K) составляет 0,25 м, превышение гребня порога над дном канала нижнего бьефа (Z) – 0,075 м, длина секции горловины (F) – 0,6 м, длина расширяющейся секции (V) – 0,9 м.
Используя нормативный документ МИ 2406-97 [8], по данным таблиц находим геометрические размеры стандартного лотка. Отклонения от размеров и их соотношений при расчете параметров лотка Паршалла с расходом до 1,5 м3/с не превышают 1,5 % от нормированных значений размеров (соотношений), указанных в нормативе.В таблице 1 приведены нормализованные типоразмеры лотков Паршалла с шириной горловины до 1 м [8].
Измерение расхода воды с использованием лотка Паршалла основано на знании зависимости его расхода от его же уровня в определенной точке лотка с известными геометрическими размерами. В данном случае для определения расхода воды, проходящего через лоток, и для наиболее точного соответствия результатов расчета используется эмпирическая формула, полученная из опытных данных института «Южгипроводхоз» [6].
Эмпирическая формула для определения расхода воды (Q ) для лотка Паршалла следующая, м3/с:
Таким образом, подставляя значение ширины горловины (b), равное 1 м, можно подсчитать расход воды, проходящий через лоток:
Расход воды с заданными параметрами лотка
составляет 1,5 м3/с, что отвечает наибольшему расходу воды в подводящем
канале.
Для измерения уровня воды в лотке предлагается оснастить его современным прибором-уровнемером. В настоящее время известно много современных датчиков, приборов-уровнемеров для измерения уровня воды, имеющих унифицированный выходной сигнал для работы с системой автоматического и дистанционного управления и контроля [9, 10]. Для надежности их работы в сложных эксплуатационных условиях и сохранности от вандализма предлагается их разместить в специальном успокоительном колодце, который соединен с лотком трубой [8]. Диаметр трубы (d ), соединяющей поток воды в лотке с успокоительным колодцем, должен соответствовать условию, м:
Для измерения уровня воды в лотке Паршалла можно использовать погружныегидростатические датчики давления, размещенные в успокоительном колодце. Критерием выбора датчиков может быть диапазон изменения уровней воды в канале или соответственно давления столба жидкости. Датчик монтируется непосредственно в воде на тросе или иной конструкции на дне колодца, принятого за начало отсчета уровня (измеренное значение уровня обусловлено давлением столба жидкости над датчиком).
Блок дистанционного контроля и мониторинга служит для приема,преобразования, передачи и хранения выходных сигналов. Он состоит из контроллера-модема, обеспечивающего выполнение заданного расчетного алгоритма, с функцией GSM-передатчика и передающей антенны.
Для
обеспечения невозможности какого-либо вмешательства извне прибор помещается в
опломбированный недоступный кожух или корпус и не имеет каких-либо
выводов или гнезд
подключения, воздействие на
которые может исказить показания прибора. Энергонезависимость прибора
достигается системой автономного питания. Современный технический уровень
средств измерения допускает длительное использование прибора с питанием от
батарей или аккумуляторов [11, 12].
Выводы. В последнее время все большее внимание уделяется точности измерения использованной воды на открытых оросительных каналах с небольшим диапазоном расходов. С появлением новых современных приборов, преобразующих измеренный параметр в количество измеренного расхода воды, возрастает актуальность их использования совместно с гидрометрическими устройствами. Для измерения расхода воды на открытом канале предлагается использование лотка Паршалла с современными приборами измерения, состоящими из погружного датчикадавления и блока дистанционного контроля и мониторинга, установленными в успокоительном колодце.
Л.
В. Юченко, А. П. Васильченко
Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
Список
использованных источников
1
Филиппов, Е. Г. Гидравлика гидрометрических сооружений для открытых каналов /
Е. Г. Филиппов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 288 с.
2
Кушер, А. М. Гидрометрические лотки для оросительных каналов / А. М. Кушер //
Природообустройство. – 2016. – № 5. – С. 78–84.
3
Конев, А. В. Измерение расхода жидкости в безнапорных потоках. Анализ современных методов / А. В. Конев // Журнал «ИСУП». – 2019. – № 3(81). – С. 49–54.
4 Su, B. Water level sensor based
on a new design structure for irrigation water measurement /
B. Su, X.
Ma // IFAC
Proceedings Volumes. –
2010. – Vol. 43. –
Р. 39–44. – DOI: 10.3182/20101206-3-JP-3009.00006.
5
Соболин, Г. В. Учет воды на оросительных системах / Г. В. Соболин, И. В. Сатункин,
Ю. А. Гулянов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.
– 2004. – № 4. – С. 46–48.
6 Оснащение гидротехнических сооружений мелиоративных систем нормированными сужающими устройствами с коммерческими приборами водоучета типа РОС-1. Альбом 5. Технические решения по измерению расхода стандартными водосливами и лотками. Типовой проект 91399 / Южгипроводхоз, Росводстрой, Ростовводмелиорация. – Ростов н/Д., 1991. – 28 с.
7 Шенбергер, И. В. Способы измерения расхода воды в безнапорных потоках для открытых каналов с помощью стандартных гидрометрических лотков и водосливов / И. В. Шенбергер, А. В. Ефименко // Водные ресурсы и водопользование. – 2019. –№ 1(180). – С. 37–41.
8 Расход жидкости в безнапорных каналах систем водоснабжения и канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков:МИ 2406-97: утв. Всерос. науч.-исслед. ин-том расходометрии: введ. в действие с 15.05.97. – М.: ВНИИР, 1997. – 33 с.
9
Матюгин, М. А.
Современные приборы и
методы измерения расхода
воды в открытых водотоках / М. А. Матюгин, Д. А. Мильцын // Вестник
Волжской государственной академии водного транспорта. – 2015. – № 44. – С.
66–76.
10 James, C.
S. Flow-measuring structures
/ C. S.
James // Hydraulic
Structures. – 2020. – Р. 243–282. – DOI: 10.1007/978-3-030-34086-5_7.
11 Блок дистанционного контроля и мониторинга БДКМ-GSM-1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:intor.ru/ru/list_item/apparatura-i-uspd-uspd/blok-distantsionnogokontrolia-i-monitoringa-bdkm-gsm-1, 2020.
