Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ НА ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПО МЕТОДУ УКЛОН-ПЛОЩАДЬ

Изобретение относится к области гидрометрии и может быть использовано в системе водоучета на открытых каналах оросительных систем с призматическим руслом.

Известен способ определения расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом (SU Патент №1659713 A1, G01F 1/00, БИ №24 от 30.06.1991), включающий измерение глубин в двух створах измерительного участка канала с обратным уклоном дна на кривой спада или подпора в зависимости от режима течения воды, с последующим определением расхода по разности глубин в двух створах при известных других размерах и параметрах участка водоизмерения по формуле, являющейся точным аналитическим решением уравнения неравномерного установившегося режима течения воды.

Недостатком данного способа определения расхода воды при использовании для водоизмерения второго типа кривой свободной поверхности, а именно кривой подпора со сверхкритическим режимом течения, является вероятность подтопления ее со стороны нижерасположенного бьефа канала.

Известен способ определения расхода воды на открытом канале с призматическим руслом (RU Патент №2102707 С1, G01F 1/00 от 20.01.1998), включающий измерение глубины в двух створах измерительного участка канала, выполненного с обратным уклоном дна. Искомый расход вычисляется по формуле, являющейся аналитическим решением дифференциального уравнения установившегося неравномерного медленно изменяющегося режима течения воды.

Недостатком данного способа является наличие стационарного дорогостоящего гидротехнического сооружения, которое может функционировать только в одном месте.

Наиболее близким техническим решением является способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу «уклон-площадь» (RU Патент 2327114 С2, G01F 1/00 от 20.06.2008). Сущность способа сводится к использованию одного уровнемера, расположенного в уровнемерном колодце нижнего гидрометрического створа, для измерения уровней в верхнем и нижнем гидрометрических створах, определению перепада уровней между верхним и нижним створами и вычислению расхода.

Недостатки данного способа:

- значительные затраты времени на определение уровней воды между верхним и нижним гидрометрическими створами, составляющие 20÷30 мин;

- наличие движущихся механических частей (поплавок, задвижка);

- наличие конструкции из соединительных трубопроводов между створами.

Сущность изобретения заключается в разработке способа определения перепада уровней и расхода воды на открытом канале, повышающего скорость и оперативность определения расхода воды при заданной относительной погрешности 2,6% с применением датчиков уровня воды, оснащенных средствами дистанционной передачи показаний уровня.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность измерения и дистанционной передачи значений уровней, перепада уровней и расчета расхода оросительной воды в канале в режиме реального времени.

Технический результат достигается применением двух датчиков уровня воды, оснащенных средствами дистанционной передачи показаний уровня, установленных в двух уровнемерных колодцах верхнего и нижнего гидрометрических створов соответственно. Искомый расход вычисляется по формуле, являющейся аналитическим решением дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося движения воды в открытом канале без устройства обратного уклона измерительного участка.

В исходном канале выполняют облицованный участок длиной L, равной 50÷60 м. Облицовку дна и откосов канала выполняют монолитным бетоном комплексно-механизированным способом. Используется гидротехнический бетон, приготавливаемый на портландцементе пластифицированном, гидрофобном, стойком, марки не ниже 400 (ГОСТ 7473-2010). В облицовках канала устраивают продольные и поперечные, строительные, усадочные и температурные швы. Строительные швы делают через каждые 3÷4 м, а температурные - через 10÷12 м. В качестве материала для заполнения швов используют битумную мастику (тиоколовую, армогерметик и др.), применение которой обеспечивает водонепроницаемость швов и необходимую эластичность стыков для бетонных плит. Слой бетона в облицовках составляет на средних грунтах δ_обл - 7÷15 см, на слабых - до 18÷20 см при заложении откосов канала m, равного 1÷1,5.

Затем на облицованном участке устраивают два гидрометрических створа (верхний и нижний), расстояние между створами выбирают равным l_ств в пределах 30÷40 м. В створах устраиваются уровнемерные колодцы на расстоянии k, равном от 2 до 5 м, от бровки канала, предназначенные для размещения и функционирования датчиков уровня воды. Уровнемерные колодцы, с помощью соединительных трубопроводов длиной l_тр, соединяются с водным потоком глубиной h₂ в гидрометрическом створе. Уровнемерные колодцы вертикальные, высотой h_кол, равной диапазону измеряемых уровней плюс запас а - 0,6 м, но не менее строительной глубины канала h_кан. Диаметр уровнемерных колодцев d_кол назначают не менее 300 мм, чтобы обеспечивалась возможность очистки дна колодцев от осевшего ила или мусора. Нижняя точка входного отверстия соединительного трубопровода диаметром d_тp не менее 50 мм должна находиться выше минимального регистрируемого уровня воды а_n на 0,06 м (ГОСТ Р 51657.4-2002). Уровнемерные колодцы сооружают из бетонных колец с толщиной стенки от 8 до 12 см. Соединительные трубопроводы уровнемерных колодцев могут быть асбестоцементными (ГОСТ 31416-2009), металлическими (ГОСТ Р 54157-2010) или пластмассовыми круглого сечения (ГОСТ Р 53630-2009), которые соединяют путем бетонирования в месте соединения с уровнемерными колодцами и в месте выхода на откос канала.

В уровнемерных колодцах используют датчики уровня, оснащенные средствами дистанционной передачи измеряемых параметров, такие как:

- акустический уровнемер УА-1, который представляет собой систему, состоящую из двух первичных и одного вторичного преобразователей, обеспечивающую бесконтактное измерение и цифровую индикацию уровня воды. Диапазон измерения от 1,0 до 64,0 м при относительной погрешности измерения в пределах 0,01 м;

- датчик уровня акустический «ЭХО-5». Этот прибор предназначен для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня различных жидких сред. Диапазон измерения уровня от 0 до 30,0 м, погрешность измерения уровня в пределах 0,01 м;

- датчик уровня ультразвуковой ДУУ-340 применяются для прямого измерения параметра уровня жидких, гелеобразных и сыпучих материалов. Диапазон измерения от 1 до 12,0 м, погрешность измерения в пределах 0,01 м;

- бесконтактный уровнемер KALESTO, работающий на микроволновом принципе. Его отличительная особенность - чрезвычайно низкая потребляемая мощность и возможна дистанционная передача результатов измерения на удаленное устройство по радиоканалу. Диапазон измерения от 0,5 до 30,0 м, погрешность измерения уровня в пределах 0,01 м;

- ультразвуковой уровнемер Prosonic, состоящий из одного-двух датчиков и преобразователя, взаимная удаленность которых может составлять до 600 м. Основное назначение - измерение уровня, измерение разности двух уровней, измерение расхода жидкости в открытом профилированном канале. Диапазон измерения от 0,5 до 30,0 м, погрешность измерения в пределах 0,01 м;

- малогабаритный ультразвуковой датчик уровня «Honeywell», предназначенный для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня различных жидких сред и имеет следующие технические характеристики - рабочая область сканирования от 0,5 до 40 м, зона нечувствительности от 0 до 500 мм, погрешность измерения в пределах 0,01 м.

Датчики работают в рамках своих паспортных параметров и осуществляют функцию измерения значений уровней и их передачи на пункт диспетчера.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - способ определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем по методу «уклон-площадь» (план-схема измерительного участка); фиг. 2 - схема соединения уровнемерного колодца с измерительным створом канала (разрез А-А). Способ определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем по методу «уклон-площадь» состоит из следующих элементов (фиг. 1, 2): измерительного канала 1, двух соединительных трубопроводов 2, двух уровнемерных колодцев, оснащенных датчиками уровня воды 3.

Способ определения расхода воды на открытых каналах оросительных систем по методу «уклон-площадь» выполняют следующим образом (фиг. 1, 2): из измерительного канала 1 по соединительным трубопроводам 2 вода поступает в уровнемерные колодцы в верхнем и нижнем гидрометрических створах. Когда течение воды установится, в уровнемерных колодцах датчиками уровня воды 3 будут непрерывно регистрироваться измеряемые параметры с заданным интервалом и с помощью средств дистанционной передачи информация будет передаваться на пункт диспетчера, оснащенный средствами ее обработки и вычисления расхода. По полученным данным и при известных параметрах канала (расстояние между сечениями верхнего и нижнего гидрометрического створа l_ств, уклон дна канала i₀, коэффициент шероховатости канала n, ширина канала по дну b, коэффициент заложения откосов m и т.д.) вычисляется искомый расход по формулам 1 и 2 для прямого (при i₀>0) и нулевого (при i=0) уклонов.

Для прямого уклона (при i₀>0) расход воды равен:

Для нулевого уклона (при i=0) расход воды равен:

где Q - расход воды в канале, м³/с;

h₁, h₂ - глубина воды в створах «7» и «2» канала, м;

i₀ - уклон дна канала;

l_ств - расстояние между створами, м;

α - коэффициент скорости, равный 1,1;

В₁, В₂ - ширина канала по свободной поверхности воды в створах «1» и «2»;

ω₁, ω₂ - площадь живого сечения в створах «7» и «2», м²;

С₁, С₂ - коэффициент Шези в створах «7» и «2», м^0,5/с;

R₁, R₂ - гидравлические радиусы в створах «7» и «2», м;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².