Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование методики расчета регулирующих емкостей на оросительных системах с машинным водоподъемом

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обоснование методики расчета регулирующих емкостей на оросительных системах с машинным водоподъемом"

На правах рукописи Казаков Николай Тихонович

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РЕГУЛИРУЮЩИХ ЕМКОСТЕЙ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С МАШИННЫМ ВОДОПОДЪЕМОМ

Специальность 06.01.02 - Сельскохозяйственная мелиорация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Московском государственном университете природообу-сгройства.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор Е.П. Галямин

- - - кандидат технических наук, профессор

£. Е. Овчаров

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Г.Х. Исмайылов

- кандидат технических наук, доцент

- Ю.И. Сухарев

Ведущая организация - ИЦ "Союзводпроекг"

Защита состоится « 7» 1997 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета К.120.06.02 в Московском государственном университете природообустройства в аудитории 1/201 по адресу. 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУТТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «6» 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета.

Т.И. Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Работа посвящена вопросам совершенствования методов расчетов внутрисистемных регулирующих емкостей на основе разработанной имитационной математической модели технологического процесса "водозабор-водопотребление" оросительных систем с машинным водоподъемом.

Актуальность исследуемой проблемы. Дефицит водных ресурсов на территории речных бассейнов степной зоны Ставропольского края и введение хозрасчетных отношений между участниками сельскохозяйственного производства предъявляют высокие требования к рациональному использованию водных и других ресурсов на сущесп.»ющих оросительных системах (ОС).

Проблеме рационального использования водных, земельных и других природных и материальных ресурсов посвящено большое число работ, в которых рассматриваются вопросы оптимизации мелиоративных режимов орошаемых земель, обоснования проектной мощности оросительных систем, автоматизации водораспределения, расчетов регулирующих емкостей и др.

Вместе с тем, вопросам согласования процессов "водозабор-водопотребление" на ОС степной зоны в этих работах уделено недостаточное внимание. Дело в том, что в условиях значительной вариации естественного увлажнения земель степной зоны одной из основных проблем рационального и эффективного использования водных и других ресурсов при проектировании и эксплуатации оросительных систем является согласование режима источника орошения, требований почв и с.-х. растений к водному и другим режимам, работы насосных станций, техники полива и оросительной системы в целом. Иными словами, на оросительных системах необходимо согласование условий природной среды, имеющих стохастический характер, с антропогенной деятельностью, имеющей иной характер. Одним из наиболее актуальных вопросов при этом является обоснование необходимых объемов регулирующих внутрисистемных емкостей, позволяющих на основе согласования расходов технологического процесса "водозабор-водопотребление'" повысить эффективность использования водных и других ресурсов и обеспечить охрану природной среды.

Как показывает анализ существующих расчетных методик по управлению технологическими процессами на водных объектах (А.Ш. Резниковский, Д.Я. Раткович, Г.Х. Исмайылов, П.И. Коваленко, С.Н. Ковалев, А.А Искендеров, Е.П. Галямин, Г.Г. Сванидзе и др.) наилучшим способом для решения поставленной задачи является применение имитационного математического моделирования технологических процессов на объектах управления.

Цель работы и задачи исследований. Основной целью работы является разработка методики расчета регулирующих емкостей существующих и проек-

тируемых ОС, обеспечивающих сокращение технологических потерь воды при оперативном управлении водораспределснием.

Для реализации поставленной цели рассмотрен следующий комплекс задач:

- изучение причин технологических потерь воды при транспортировании воды от головного водозабора до орошаемого поля;

- экспериментальные исследования по определению параметров технологического процесса;

- разработка имитационной математической модели управления водозабором и водораспределекием в пределах магистрального канала на межхозяйственной части ОС;

- обоснование объемов регулирующих емкостей на основе имитационного моделирования процессов на ОС при использовании критериальных оценок принятия решений.

Объекты исследований Исследования выполнены на Лево-Егорлыхской и Труновской ОС, включающих отдельные и взаимосвязанные бьефы магистрального канала ОС с гидротехническими сооружениями и насосными станциями, выносные регулирующие емкости, дождевальную технику.

Методы и состав исследований. Решение поставленных задач проводилось на основе положений системного анализа, аппарата математической статистики и моделирования процессов водозабора и водораспределения на ЭВМ.

Задачей экспериментальных исследований являлось получение достоверных параметров модели, соответствующих реальному объекту.

Научная новизна работы. Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

разработана имитационная математическая модель технологического процесса "водозабор-водопотребление" ОС, на основе которой предложена методика расчетов регулирующих емкостей. Структура имитационного моделирования основана на согласовании во времени и пространстве графиков текущего водопотребления с дискретным графиком головного водозабора.

Расчет емкостей проводится на основе многофакторного эксперимента с учетом:

- динамики текущего водопотребления;

- организационно-технических условий проведения поливов;

- динамики переходных процессов неустановившегося движения воды в магистральном канале;

- эксплуатационных требований на изменение уровенно-расходных режимов в бьефов и на сооружениях магистрального канала.

Практическая ценность работы. Методика расчета емкостей формализована на основе более совершенной балансовой схемы управления расходами на

ОС - локальной саморегулирующейся подсистемы (бьеф магистрального канала - водовьщел - регулирующая емкость - орошаемое поле), что позволяет использовать емкость в качестве гидравлического "демпфера" и обеспечивает:

- более гибкую схему организации водопользования "по требованию" и поддержание условий благоприятного мелиоративного режима орошаемых земель;

- повышение водообеспеченностн орошаемых земель при снижении головной водоподачи;

- сокращение потерь воды на сброс на концевых участках внутрихозяйственной сети;

- улучшение условий эксплуатации магистрального канала и сооружений за счет стабилизации уровенно-расходных режимов.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы "Методика расчета графика водоподачи головных водозаборов при проектировании автоматизированных оросительных систем" вошли в методические рекомендации "Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем": Новочеркасск, НПО "ЮгМелиорация", 1989 год.

Результаты многолетних исследований на оросительных системах использованы управлением Право-Егорлыкского канала и Манычского водного тракта, что позволило сократить и использовать на орошение сбросы воды, составляющие 30...40% от существующих объемов.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на научно-технических конференциях МГУП с 1976 по 1982 и с 1986 по 1996 годы; на научно-технической конференции в НИМИ, Новочеркасск, 1988 год; на научно-технических совещаниях в рамках хоздоговорной работы по созданию АСУ ТП ЛЕОС, Новочеркасск, НПО "ЮгМелиорация", 1987-1988 годы; на технических совещаниях управления Право-Егорлыкского канала, с. Донское, 1990-1991 годы; участие в выставке - ярмарке "Наука на службе мелиорации" (ВДНХ СССР), Москва, 1989 год.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы, из 137 наименований и приложений.

Общий объем диссертации 243 с, в том числе машинописного текста 141с, таблиц 16, рисунков 30, приложение 39 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава "Современное состояние водопользования и водораспределе-ния на оросительных системах" посвящена анализу условий работы водопо-требителей и всей оросительной системы в целом. Оценено состояние планового водопользования на ОС, которое является одним из важнейших факторов получения высоких и устойчивых урожаев с.-х. культур и рационального использования земельных, водных, трудовых, и др. ресурсов.

Приоритет в разработке теоретической и практической основы водопользования принадлежит отечественным ученым - А-Н. Костякову, И.А. Шарову, Н.Я. Янишевскому, С.Р. Оффенгендену и др. Вопросами совершенствования внутрихозяйственного и системного водопользования в засушливой зоне занимались М.Ф. Натальчук, В.И. Ольгаренко, М.С. Григоров, И.П. Кружилин и Др.

Объектами настоящих исследований являются Лево-Егорлыкская оросительная (ЛЕОС) и Труновская оросительно-обводнительная (ТрООС) системы Ставропольского края. В работе указано, что существующие методы и руководства по проектированию оросительных систем учитывают только стационарные процессы н не учитывают фактор времени.

Анализ эксплуатационных режимов работы оросительных систем свидетельствует о том, что на системах наблюдается рассогласование между расходами головного водозабора и расходами неравномерного во времени внутрихозяйственного водопотребления. В работе доказано, что основными причинами изменчивости текущего водопотребления являются неустойчивое во времени и пространстве естественное увлажнение территории (до 70% случаев отклонений от планового водопользования) и неравномерная работа дождевальных машин в течении суток, смен (до 30% случаев отклонений).

Неравномерная работа дождевальных машин оценена коэффициентом суточной неравномерности:

О)

Чср.сут.

где qCpA и Чср.сут. ~ средние значения расходов подкачивающих насосных станций за дневную смену н за сутки, л/с-га.

Коэффициенты увеличиваются в более влажные годы и с уменьшением площади орошаемого участка и находятся в пределах значений 77 = 1.10...1.51. Связь между величинами /д н Чср.сут., характеризуема коэффициентами корреляции г = -0.42±0.07...0.71±0.04 и относится к слабой и средней степени тесноты связи.

По данным Л.Ш. Каганович и А.С. Давыдова (1990), ежегодно по Ставропольскому краю в процессе управления водораспределением теряется на сброс порядка 472 млн. м3,20% объемов воды от головного водозабора. Потери воды на сброс относят к технологическим потерям. Они обусловлены недостаточными'объемами внутрисистемных регулирующих емкостей, а также несовершенством технических средств контроля и учета воды и отсутствием автоматизированных средств управления водораспределением.

По нашим оценкам, величина технологических потерь воды на ЛЕОС и ТрООС составляет в локальные периоды времени до 40...50% и выше от расходов плановой водоподачи. Зависимость между расходами плановой ((Зпл. ) и фактической (Оф )водоподачи на межхозяйственной части ОС имеет вид:

<гф.=К-<5ш..±я. (2)

где Я - коэффициент регрессии.

Параметр а имеет положительное н отрицательное значение, что обусловлено невозможностью достоверного прогнозирования на предстоящий период планирования (неделя) количества выпадающих осадков и отказов по организационно-техническим причинам. Степень сопряженности плановых и фактических расходов, оцененная коэффициентом детерминации находится в пределах значений 0.50...0.74, что характеризует эффективность оперативного управления водораспределением как неудовлетворительное.

Совершенствование технического уровня оросительных систем, с целью сокращения технологических потерь за счет регулирования внутрисистемного стока, рассмотрены в ряде научно-технических разработок (В.И. Деревягин, Ю.А. Михайлов, И.А. Мавлютдинова и др.). На оросительных систем края также уделяется внимание проблеме регулирования внутрисистемного стока. Построены и вводятся в эксплуатацию регулирующие емкости. Однако на системах все еще имеют место значительные потери воды на сброс. Причиной этому является то обстоятельство, что существующие методики расчетов объемов емкостей учитывают ограниченное число показателей и совсем не учитывают возможности сокращения сбросов за счет управления головным водозабором. На это указано в работах П.И. Коваленко, Е.П. Галямина, А.А. Искен-дерова, В.И. Ольгаренко и др.

В настоящей работе сделана попытка анализа технологического процесса "водозабор-водопотребление" с точки зрения выявления факторов внешней среды, технических и технологических ограничений на управление расходами, способствующих образованию технологических потерь воды. И на основе учета этих и других факторов поставлена задача разработать имитационную математическую модель технологического процесса, с целью использования ее для расчетов необходимых объемов регулирующих емкостей ОС.

Совершенствование внутрисистемного регулирования стока будет способствовать устранению и других негативных процессов на ОС: подъема уровней грунтовых вод, вторичного засоления^ снижения урожайности с.-х. культур. Развитие процессов обусловлено как дефицитам воды в засушливые периоды и годы, так и переполивом во влажные.

Вторая глава "Методы исследований". В соответствии с целью и задачами исследований приводится обоснование используемых методик и достоверность теоретических и экспериментальных исследований.

При проведении научно-технических исследований на оросительных системах, использован системный подход (И.П. Айдаров, А.И. Голованов, В.В. Шабанов, Л.М. Рекс, Б.Г. Штепа и др.).

Оценка репрезентативности полученных результатов исследований проведена на основе решения задачи о типизации рассматриваемых ЛЕОС и ТрООС как опытно-производственных участков в пределах Ставропольского края. Типичность оценивают с помощью произведения множеств вероятностей совпадения одноименных признаков (И.П. Айдаров, В.В. Шабанов, 1985). В настоящей работе рассматриваются вопросы технического совершенствования ОС только за счет развития емкостей регулирования при прочих равных конструктивных условиях (принцип единственного различия), поэтому задача типизации решается на основе простого сравнения количественной меры укрупненных признаков (климатические условия, почвы, мелиоративное и техническое состояние, технологические потери воды).

Для определения статистических параметров изменчивости расходов водо-подачи на внутрихозяйственной части ОС (ц, Су, С5, га(1)) использован аппарат математической статистики (А.К. Митропольский, ГА Алексеев, АВ. Рождественский и др.). Параметры определены по выборкам расходов подкачивающих насосных станций (ПНС). Относительная ошибка определения расходов по данным их диспетчерского учета оценивается в пределах до 5...10%. Непрерывные гидрографы расходов преобразованы в дискретные величины с шагом дискретизации во времени одни сутки.

Экспериментальными исследованиями определялись характеристики инерционности переходных процессов неустановившегося движения воды: скорость и время перемещения фронта волнового расхода Д(3 (начального возмущения) Сф и 1ф, скорость и время перемещения границы установившегося движения воды Ср и время запаздывания волнового расхода 1и. Использован метод соответственных уровней воды . Для получения уровенно-расходных характеристик в контрольных створах канала 0=Я[Н) использованы метод "скорость-площадь", аналитический способ вычисления расходов воды

и детальный способ вычисления скорости течения воды. Относительные сред-неквадратические ошибки определения расходов вычислены по зависимости:

(3)

где SM- ошибка метода; 5ошибка увязки уровенно-расходных зависимостей; Srр - ошибка определения расходов по зависимости Q(H); 5 - ошибка определения уровней воды (Н) по лимниграммам приборов "Ваддай" и ГР-38. Указанные ошибки измеренных расходов от 6 до 40 мэ/с находились в пределах допустимых значений - 2.5...3.5 %.

Расчетные характеристики инерционности переходных процессов определялись с использованием аналитических зависимостей Лагранжа, Седдона, Калинина - Милюкова, Маковского. Зависимости основаны на представлении процессов передвижения волнового расхода в виде однозначных кинематических волн.

Для выяснения допустимой интенсивности снижения уровней воды в бьефах канала проводилось техническое обследование земляного русла магистрального канала. Проведены замеры свободной поверхности УГВ и поперечников русла по трассе канала. Определены прочностные свойства грунтов откосов канала в условиях различного их водонасьпцения. Использован термостатно-весовой способ определения влажности грунтов и сдвиговой прибор И.М. Литвинова для определения прочностных свойств грунтов. Применены расчетные методы решения элементарной задачи по определению устойчивости свободных откосов в условиях снижения прочностных свойств грунтов из-за их высокого водонасьпцения и действия гидродинамического давления (H.H. Маслов, Э.И. Михневич, А.Ф. Печкуров, H.A. Цытович и др.).

В эксплуатационных условиях проводились исследования по определению потерь воды на фильтрацию и испарение из регулирующей емкости. Использован метод фильтрационных колонн (В.И. Ольгаренко) и испарометр ГТИ-3000.

Разработка имитационной математической модели объекта проводилась в соответствии с требованиями системного подхода, заключающегося в учете и использовании:

1) структуры взаимосвязи между элементами ОС и процессов, имеющих отношение к поставленной цели;

2) декомпозиции системы на подсистемы;

3) параметризации технологического процесса;

4) критериальных оценок принятия решений.

Третья глава. "Результаты экспериментальных исследований по оценке параметров технологических процессов на ОС". Приводятся результаты оценок параметров технологического процесса "водозабор-водопотребление" на ОС: статистические параметры и аналитический закон распределения расходов во-доподачи на внутрихозяйственной части ОС, параметры технических и технологических ограничений на управление расходами на межхозяйственной части ОС.

Краткая характеристика ОС. Площадь орошаемых земель ТрООС составляет 33.8 тыс. га. J1EOC освоения 1-ой очереди имеет площадь 17.8 тыс. га. Протяженность магистральных каналов ОС составляет порядка 50 км. Межхозяйственные и хозяйственные каналы JIEOC и ТрООС имеют облицовку соответственно на 100 и 65% их протяженности. Поливы с.-х. культур осуществляются дождеванием ("Фрегат", "Днепр", "Кубань", ДДА-100МА). Грунтовые воды на староорошаемых участках ТрООС (с залеганием до 3 м) распространены на 30...40% площадей. Грунтовые воды характеризуются ирригационным типом питания с сезонной амплитудой колебания 1.0...1.5 м. Почво-грунтовая толща со средней степенью засоления распространена на 7...17% площади участков.

Приведены результаты оценки статистических параметров распределения среднесуточных расходов подкачивающих насосных станций (q). Числовые последовательности переменной (q) не обладают стационарностью и не имеют чисто случайную структуру, характеризуются автокорреляционностъю и асимметричностью. При увеличении объемов выборки происходит нормализация распределения переменной. Выборки отвечают требованиям однородности, представительности и достаточности, что позволяет применить к их изучению аппарат математической статистики и вероятностные подходы по моделированию переменной. Длина ряда для моделирования колеблется в пределах N=100...200 значений (при ошибке ^ = 3..5%). Сглаженные эмпирические

кривые обеспеченности переменной удовлетворительно аппроксимируются интегральной кривой распределения Пирсона Ш типа. Анализ выполнен по данным диспетчерского учета расходов 8-ми ПНС за период работы от 1 года до 9 лет.

Проведены экспериментальные исследования основной характеристики инерционности переходных процессов в каналах - добегания волнового расхода. В большинстве научно-технических разработок (П.И. Коваленко, А. Ф. Ки-енчук, АА. Искендеров, М.Ш. Марголин, AM. Жарковский и др.) для определения времени добегания (tao6) используют расчетную схему Э.Э. Маковского (см. рис. 1):

=t3i.i +tUj, (4)

= 29.4м3/с) ЯТ3-ЗЗ.Зм>/ег ^ *1ЧЧ00с

7-Ю'

1С, 1 Уровни и уклоны водной поверхности в контрольных створах ПЕК

9.

где j - номер створа канала, t3 - время отработки положения затворов j - того перегораживающего сооружения, е.; 1ф- время добегалия фронта волны до створа, с; tu- запаздывание волнового расхода в створе, с.

Время инерционного запаздывания волнового расхода (tu) вычисляют по методу Э.Э. Маковского. Метод использует модель неустановившегося движения воды в условиях волн малой амплитуды. Расчетная схема имеет недостаток в той части, что приходится рассчитывать составляющую (tu ) для каждого створа канала, что затрудняет расчеты, учитывая их сложность.

Нами, на основании экспериментальных исследований для условий "длинных" бьефов, расчетная схема (4) представлена в виде:

W^+t^+tQ., (5)

где tu - инерционность запаздывания волнового расхода на первом расчетном участке головного бьефа канала, с; tg. - время перемещения границы установившегося движения воды до j-того створа (по Калинину - Милюкову

mj

tg = J) (AW; I AQi), с; где AW - изменение объема воды на расчетном участке 1 i=i

канала, м3). :

Применение расчетной схемы (5) упрощает и увеличивает быстродействие расчетов по определению (tJo6 X при сохранении допустимой точности расчетных значений. Экспериментальные исследования проведены на Лево-Егорлыкском и Право-Егорлыкском магистральных каналах протяженностью 50 и 110 км, в течении трех сезонов.

На необходимость учета ограничения интенсивности снижения уровней воды в бьефах оросительных каналов с бетонной облицовкой указано в работах B.C. Алгунина, Ю.М. Косиченко, Ю.У. Байчорова и др, а в осушительных каналах в земляном русле - в работах Э.И. Михневича, А.Ф. Печкурова и др. Проблема состоит в том, что в условиях близкого залегания грунтовых вод по трассе канала, в периоды с работки уровней воды в бьефах снижается устойчивость свободных и облицованных откосов канала за счет воздействия гидродинамического давления. Экспериментальные исследования технического состояния русла Право-Егорлыкского канала (ПЕК) показывают, что данная ' проблема является актуальной для участков канала, проходящих по косогор- ' ным участкам рельефа и с расположением здесь, на повышенных участках рельефа, площадей орошения (см. рис. 2). Однако рекомендаций для конкретных условий работы каналов не имеется.

Нами сделана попытка применения существующих расчетных методов для решения элементарной задачи по устойчивости свободных откосов из связных

Рис.2 Коэффициент сечения канала ) по створам ПЕК I - начало эксплуатации • 2 - после 25 лет эксплуатации,

грунтов в условиях их высокого водонасыщеиия. Расчетами установлены величина допустимого снижения уровней воды в канале, равная h^1' =0.4 м при допустимой скорости снижения U^"" =0.005 см/с.

В работе отмечена необходимость учета при управлении водораспределе-нием дискретности графика головного машинного водозабора. Проблема не является новой, однако до сих пор головные насосные станции современных оросительных систем средней и большой производительности оборудуются насосными агрегатами только большой производительности. В результате, графики водозаборов ГНС обладают большой дискретностью и не могут гибко отслеживать изменчивые графики водопотребления на внутрихозяйственной часта ОС. Этот недостаток можно отнести и к ГНС J1EOC-1. В этом случае технологические потери на ОС увеличиваются.

Обследован типовой водоем суточного регулирования. Водоем обустроен глиняным экраном. Срок эксплуатации 5 лет. Определены потери на фильтрацию и испарение, коэффициент полезного действия водоема Псут^0.97.

Результаты исследований в виде определенных параметров и ограничений цспользованы в имитационной математической модели технологического процесса по управлению головным водозабором и водораспределением на межхозяйственной части ЛЕОС-1. '

Оросительные системы по природно-климатическим, почвенным условиям и мелиоративному состоянию орошаемых земель являются типичными для 60% территории края и по остальным условиям типичны для всех оросительных систем края.

Четвертая глава. "Математическое и алгоритмическое описание имитационной модели процесса водораспределения ОС". Приводятся математическая постановка и алгоритмы решения задач на основе Имитационного моделирования оперативных управлений головным водозабором и межхозяйственным водораспределением в условиях изменчивого текущего водопотребления на внутрихозяйственной части ОС. Используется схема централизованного диспетчерского управления водораспределением и принцип водопотребления "по требованию" при лимитных ограничениях на максимальные расходы.

Различные варианты описания задач и схем управления водораспределением приведены в работах П.И. Коваленко, Э.Э. Маковского, В.И. Куротченко, A.A. Искендерова, Е.П. Галямина, А.Л. Соколова, B.C. Прокопьева и др.

В данной работе вопросы водозабора и водопотребления рассматриваются в более усовершенствованном варианте за счет использования в модели уточненных параметров динамики объекта.

ЛЕОС как объект управления представляет собой оросительную систему с жестким ограничением на режим управления головными расходами, характе-

ризуется незначительными возможностями накопления резервов воды в бьефах канала, отсутствием обратной гидравлической связи.

Непосредственным объектом управления является магистральный канал, »стоящий из ш последовательно расположенных бьефов и перегораживающих сооружений (ПС), п - точек выделов (ПНС и самотечные) с емкостями регулирования, площадью орошения и дождевальной техникой; головного водозабора (ГНС).

Математическая постановка задачи расчета регулирующих емкостей представлена следующим образом:

- определить в существующих условиях изменчивого водопотребления и наличия ограничений на управление водораспределением такие объемы внутрисистемных регулирующих емкостей, при которых минимизируется значение принятой функции цели (критерия принятия решений).

Математическое описание задачи состоит в следующем: гребуется минимизировать критерий

1 т п(лтх дтг ^ „

при условиях:

н

(6)

ад ,тк)йР/,м,(т0,тк),;=1.....к

О^СЬ(г)^ дР1", 1=1.....Ш

0^(1)^^=1,...^ (7)

0<яТр(г)5яШп

Н]1(1) + ДН(ф,]=1.....ш

ДН,(1) ^ ДН®"-, ¿=1,..., ш О^У^У^.г!.....п

0^(1) = Ут. (I,) + |(С)?(/) - (5П01.(1) - <3?(1) - (чВ)(9 - ч /р«) • Л=|у£(г2 )|, (8)

^со=Ут. ао + дао - (зпэт.а) - о? (о - (Чв](о - ч>(0) • л=) - у^)

^ г ^ дт

^ ^ ^ < Хг й ДТ

где То, Т, - начало и окончание поливного сезона, суг.; ДТ - продолжительность расчетного интервала управления водораспределением (одни сутки); 1о - начало К-того интервала управления; и - соответственно недопо-

дача и сбросы воды .¡-того водопотребителя в К-том интервале управления, тыс. м3; - суммарный объем водопотребления на ОС за сезон, тыс. м3; и Чшз текущий и полезный объемы емкостей, тыс. м5; - коэффициент, характеризующий эффективность использования на оросительной системе регулирующих емкостей, а^ = --, вычисляется по

результатам моделирования; Огне, (& и соответственно расход головного водозабора, текущий н максимальный расходы на ¿-том расчетном участке канала, м3/с; Р^*1- допустимая частота включений ¡-того насосного агрегата ГНС; Н" и Н"- глубины верхнего и нижнего бьефов ПС, исходя из условий сопряжения бьефов, м; Ь™" и Ь™**- глубины воды верхнего бьефа ПС, исходя из условий командования и аварийного переполнения бьефов, м; с^ и qTp-

расходы подачи воды в емкость и отбора воды из емкости, м3/с.

Величины капитальных затрат и эксплуатационных издержек по вариантам насосно-силового оборудования ГНС с учетом коэффициента нормативной окупаемости изменяются незначительно, в пределах 5%. Для упрощения расчетов указанные величины не вошли в перечень составляющих критерия оценок принятия решений.

Работа дождевальной техники представлена в имитационной модели расходами водопотребления qTp• (входной переменной). Представление переменной в модели организовано посредством статистического моделирования с использованием линейной регрессионной модели по простой цепи Маркова. Неравномерность работы дождевальной техники в течение суток (при двухсменной работе) учтена коэффициентом суточной неравномерности (7). Эмпирические параметры для моделирования переменной С^, С^,га(1^ и коэффициенты щ приняты для условий среднего года и дифференцированы в зависимости от площади орошаемого участка.

Условиями управления водораспределением на межхозяйственной части ОС (7) являются технические и технологические ограничения. Они определяют

область допустимых значений переменных состояния и переменных управления системы (8).

Решение задачи (6) находится в рамках решения динамической нелинейной задачи, так как для ее решения не имеется явных зависимостей между составляющими критерия оценки управления (объемами сбросов и недоподачи) и переменными технологического управления (расходом и уровнем воды).

В работе предлагается упрощенное решение данной задачи. Использованы предпосылки:

1) каждый бьеф канала рассматривается как локальная балансовая подсистема с собственным объемом воды в бьефе и в выносной регулирующей емкости, с собственным притоком и оттоком;' ..

2) расчет управлений водоподачей и водоотбором для каждого бьефа осуществляется на основе балансовых решений в пределах расчетного интервала времени АТ;

3) расчетный интервал управления Д'Г разбивается на такие отрезки времени, на границах которых движение воды в бьефе является неравномерно установившемся, что позволяет определять положение свободных поверхностей течения воды и объемы, используя упрощенные гидравлические зависимости'.

Подобное упрощение задачи балансовых расчетов используется во многих научно-технических разработках. Применение строгих методов (с использованием дифференциальных уравнений Сен-Венана) проводится с целью прогнозов динамики течения и принятия качественных решений по автоматизированному управлению затворами ПС.

В соответствии с указанными подходами, решете задачи (б) на каждом интервале производится в три этапа. На первом этапе расчетов, при известных на начало очередного (К+1) интервала управления (на момент Ъэ) расходов во-довыделов к, расходов водопотребителей расходов по участкам канала и глубин воды установившегося движения и , положений затворов ПС д,.к и новых расходов водопотребителей вычисляются параметры

(К+1) интервала управления: , Ь^, (Згнс^, и положений за-

творов (учитываются ограничения (6)).

На втором этапе расчетов, при известной динамике параметров движения воды, вычисляются характеристики инерционных переходных процессов в бьефах. 1ф.1ч„ I

На третьем этапе для каждого .¡-того водовыдела решается балансовая задача по вычислению составляющих критерия оценки принятия решений:

и Задача решается на трех временных отрезках: АТ^ ^ и

Балансовые уравнения имеют вид:

1) на начало переходного процесса

\ Оо +«Фв,) = (10) + 00) - (10)) • , (9)

2) на момент окончания переходного процесса

Уг,С<0 + 1до8) = УТ;(10 + + (Чч> ({о) + ({о) - Оо))• АТ<ц| , (10) 3 ) на момент окончания интервала управления

ут.(10 + ДТ) = ут.о0 + 1доб.ч )+(аЧк41 ). дт-;.,, (П)

при условии: Ут. < 0 -> О^ (недоподача); Ут.> .(сброс).

Таким образом, задача (6) разбивается на ряд подзадач, решаемых на таких интервалах управления ДТЬ для которых заранее известен вектор водопотреб-ления яТр и закон его распределения. Процесс формирования всктбра водопо-требления детерминирован яТр ={(к-ДТ). Балансовые расчеты в пределах интервалов управлений производятся на временных отрезках, на границах которых движение воды в бьефах канала является неравномерно установившемся, что позволяет определить составляющие критерия оценки Щ!) и Б^) с помощью линейных зависимостей. Задача нелинейного программирования сводится к линейному. Имитационная математическая модель управления водорас-пределением относится к условно динамической, детерминированной модели с дискретным временем.

Задача выбора У^ по условию (6) решается графически, с помощью по-_ строения по каждому варианту оборудования ГНС кривых ^^ Каждая кривая имеет единственную точку минимального экстремума, соответствующую условию решения задачи (б).

Пятая глава. "Расчет объемов внутрисистемных регулирующих емкостей на оросительных системах с машинным водоподъемом". Приводится контрольный пример по расчетам расходов и глубин, положений затворов ПС и баланса объемов воды в бьефах канала и выносных регулирующих емкостей. Контрольный пример включает в себя все методические и алгоритмические положения имитационной модели ЛЕСЮ как объекта управления.

Основные результаты исследований получены в ходе выполнения хоздоговорной работы по созданию автоматизированной системы управления водо-распределением первой очереди ЛЕОС. Цель автоматизированного управления водораспределением состоит в повышении эффективности использования

воды при производстве продукции растениеводства на орошаемых землях. Критерием оценки управления является минимизация потерь воды на сброс и недоподачи водопотребителю.

В диссертационной работе задача управления межхозяйственным водорас-пределением решена на основе декомпозиции системы управления на два иерархических уровня. На нижнем уровне осуществляется локальное управление гидротехническими сооружениями при помощи местной автоматики (щитовые затворы с электрифицированным подъемом). На верхнем уровне функционирует подсистема централизованного диспетчерского управления. Подобное решение задачи не противоречит сложившейся на рассматриваемых ОС функциональной структуре диспетчерского управления, которая состоит:

1) в расчете на предстоящий период планирования системного водорас-пределения расходов воды по сооружениям магистрального канала (на основании планов внутрихозяйственного водопользования);

2) в увязке расчетных расходов по бьефам канала с учетом ограничений на управление расходами;

3) в расчете положений затворов перегораживающих сооружений;

4) в составлении ежесуточных балансов воды по балансовым постам магистрального канала.

Структура имитационной модели учитывает также и другие условия и особенности режимов работы ЛЕОС:

1) использование на ЛЕОС краткосрочного внутрисистемного регулирования стока;

2) значительную изменчивость расходов текущего водопотребления в пределах суток;

3) возможность повторного включения агрегатов ГНС не чаще одного раза в сутки;

4) возможность получения достоверных решений балансовой задачи при управлении расходами в пределах значений интервала управления

На основании вышеперечисленного приняты решения:

1) о выборе для имитационного моделирования процессов на ОС наименьшей продолжительности расчетного интервала управления ДТ, равной одним суткам;

2) о расчете величин минимального полезного объема регулирующей емкости по водовыделам по следующим зависимостям:

дт>Сб>п = М часов).

(12) (13)

Vaaj-q^-F^j-tJEj, (14)

где Vp cyI - составляющая полезного объема для суточного регулирования стока, тыс. м3; V^- резервный объем для повышения надежности водоотдачи потребителю в периоды переходных процессов, тыс. м3; Fop - площадь орошения, подвешенная к емкости, тыс. га; qj и 77р./. - расчетные ордината графика гидромодуля и коэффициент внутрнсуточной изменчивости работы ДМ; t^j-

время добегания волнового расхода до потребителя, тыс. с.

В каждом очередном интервале управления выбор величин расходов подачи воды в точках выдела производится с учетом резервов воды в емкостях и бьефах канала и расходов водоотбора из емкостей. Расчет расходов и глубин воды по участкам канала проводится с учетом ограничений на управление расходами. В случаях расходов и глубин, превышающих допустимые значения, производится их корректировка. Указанные алгоритмы последовательности расчетных действий не противоречат логике сложившейся на ОС структуры управления водораспределением.

В модели использованы проектные геометрические и гидравлические параметры магистрального канала гидротехнических сооружений JIEOC. На магистральном канале протяженностью 48.42 км имеется 9 перегораживающих сооружений и 15 водовыпусков. Расчетная схема магистрального канала состоит из 25-ти основных расчетных участков и из 62 подучастков (на основе требовании расчетов глубин по методу А.Н. Рахманова).

Результаты вычисления глубин воды и характеристик инерционности Ц и ta«5. по использованным в работе упрощенным методам сравнены с результатами для аналогичных исходных данных ЛЕОС-1, вычисленных по программе "Статика" и "Динамика" НПО "ЮгМелиорация", использующих метод характеристик (авторы: Ю.Н. Щедрин, Ю.Г. Иваненко, Н.Г. Иваненко и др.). Сходимость сравниваемых расчетных параметров находится в пределах отклонений 1 ...5°/о.

Расчет полезных объемов емкостей произведен по 10-ти вариантам емкостей и 4-ем вариантам оборудования ГНС ЛЕОС-1 с различной дискретностью графика водозабора (см. рис. 3).

Численные эксперименты на модели проведены на ЭВМ ЕС-1046. Пользование программой организовано в диалоговом режиме. Составление и отладка машинной программы на ЭВМ выполнена П.Г. Гуревичем.

/.а г.о м , 5.о

'/113., млн. м

Рис. 3 Критерий оценки принятия решений (р) по вашантач объёмов

регулир>тсщих ёмкостей (У)

1,2,3,4 - номер варианта оборудования ГКС

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Установлено, что в процессе оперативного управления водораспределе-нием на межхозяйственной части рассматриваемых оросительных систем имеют место значительные отклонения от расходов планового водопользования. Отклонения обусловлены неустойчивым ходом естественного увлажнения (до 70% случаев отклонений) и неравномерной (в течении суток, смен) работой дождевальных машин по организационно-техническим причинам (до 30% случаев отклонений).

2. В сложившихся организационно-технических условиях управления во дораспределением на оросительных системах Ставропольского края при непрерывном головном водозаборе и изменчивом водопотреблении на внутрихозяйственной части происходят потери воды на сброс (технологические потери). На Лево-Егорлыкской и Труновской оросительных системах потери составляют до 40% и более от расходов суммарной водоподачи в точки выделов.

3. Состояние орошаемых земель является неблагополучным: например, для условий ТрООС до 30% площадей имеют высокое залегание УГВ (£ 3 м); до 7...17% площадей орошаемых участков имеют засоление. Среднемноголетняя урожайность с.-х. культур на орошаемых землях на 11 ...36% ниже показателей госсортучастков. Основные причины негативных процессов - дефицит воды в засушливые годы и переполивы во влажные годы.

В целях упорядочения водопользования и сокращения сбросов на оросительных системах необходимо более широко внедрять внутрисистемное регулирование стока.

4. В существующей практике расчетов емкостей внутрисистемного регулирования стока используют либо "идеальные" условия проведения поливов, либо не учитывают потенциальные возможности сокращения сбросов посредством управления головным водозабором. В результате объемы емкостей по расчетам занижены, или завышены и составляют на примере ТрООС от 8 до 1400 м3 на 1 га площади.

Анализ отечественных и зарубежных научно-технических разработок по вопросам управления водными объектами приводит к заключению, что расчеты емкостей на оросительных системах степной зоны наиболее целесообразно проводить на основе имитационного моделирования нестационарного во времени технологического процесса "водозабор-водопотребление" и использования критериальных оценок принятия решений.

5. Разработана математическая модель технологического процесса "водозабор-водопотребление" оросительной системы с машинным водозабором, на основе которой предложена методика расчетов регулирующих емкостей. Имитационное моделирование производится на основе многофакторного

эксперимента, в котором учтены функциональная структура системы, динамика текущего водопотребления на внутрихозяйственной части, технические и технологические'ограничения на управление расходами.

6. Методика расчета емкостей формализована на основе более совершенной конструктивной схемы расположения емкостей: в голове водовыдела, перед орошаемым участком. Данная схема расположения позволяет использовать емкость в качестве гидравлического "демпфера". При этом повышается водо-обеспеченность орошаемых земель при сокращении головной водоподачи и потерь воды на сброс из внутрихозяйственной сети. Обеспечивается организация водопользования "по требованию", что является необходимым условием поддержания благоприятного мелиоративного режима орошаемых земель.

7. По предлагаемой методике на примере Лево-Егорлыкской оросительной системы определен суммарный полезный объем емкостей регулирования стока Утл=1.37 млн. м3 (или 87 м3 на 1 га площади). Дооборудование головной насосной станции разменными насосами (3x0.3 мэ/с) позволит уменьшить объемы на системе до У^, =0.88 млн. мэ (56 м3 на 1 га площади) и вместе с тем уменьшить головной водозабор на 19% и повысить эффективность использования воды с 71 до 88.9%. (при сокращении потерь воды на сброс на 11.9 млн. м3, или в 3 раза по сравнению с проектным вариантом).

8. Достоверность расчетов емкостей обеспечивается приемлемой достоверностью параметров, используемых в модели: расходов текущего водопотребления (£<, =5...10%), инерционности переходных процессов неустановившегося

движения воды в каналах =12.6%), уровенно-расходных зависимостей водного потока (г^щ = 25..35% ).

Основные результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Зависимость величины сбросных расходов от неравномерности водорас-пределения на головном участке магистрального канала Право-Егорльпсской обводнительно-оросительной системы. Труды МГМИ, т. 67, М.: МГМИ, 1979, с. 60-65.

2. Исследование составляющих поливных норм при поливах дождеванием. Труды МГМИ, т. 67, М.: МГМИ, 1980, с. 29-34.

3. Состояние водопользования на Ипатовском эксплуатационном участке ПЕООС. В соавторстве. Труды МГМИ, т. 71, М.: МГМИ, 1981, с. 43-51.

4. Обоснование выбора технических возможностей головного машинного водозабора и внутрисистемных регулирующих емкостей на межхозяйственной

сети JIEOC Ставропольского края. Труды МГМИ. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации. М.: МГМИ, 1988, с. 67-76.

5. Технические возможности Право-Егорлыкского магистрального канала для оперативного управления водораспределением. Труды МГМИ. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации. М.: МГМИ, 1989, с. 13-24.

. 6. Методика расчета графика водоподачи головных водозаборов при проектировании автоматизированных оросительных систем. /Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных систем. Новочеркасск, НПО "ЮгМелиорация", 1989, ч. 2, с. 15-33.

7. Методика по обоснованию технических возможностей элементов оросительных систем. /В специальном выпуске каталога паспортов к выставке-ярмарке "Наука на службе мелиорации (ВДНХ СССР). П. 4. Технология проектирования мелиоративных систем и сооружений. М.: ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1989, с. 33-34.

8. О потерях воды из оросительных каналов. Тезисы докладов научно-технической конференции МГМИ, М.: МГМИ, 1991, с. 37.

9. Анализ изменчивости расходов водозабора на внутрихозяйственной части Лево-Егорлыкской оросительной системы. Тезисы докладов научно-технической конференции МГУП. Строительная секция. М.: МГУП, 1996, с. 102-103.

10. A.C. №1561907 СССР (в соавторстве). Оросительная система. Заявка № 4437493/15; Опубл. 28.12.88, Бюл. №17.