Пахомов А.А., Колобанова Н.А.

Волгоградский государственный аграрный университет, Россия

Современные проблемы водоучета и пути их решения

В настоящее время, когда вода стала дорогостоящим товаром и дефицитным ресурсом, для рациональной и эффективной эксплуатации оросительных систем должен производиться оперативный и объективный учет воды, а гидротехнические сооружения на каналах – обеспечивать подачу заданных расходов.

По данным ФГНУ «РосНИИПМ», в последние годы наблюдалось снижение количества и уровня технического состояния пунктов водоучета (ПВ). За период с 1995 по 2006 годы количество пунктов водоучета уменьшилось в 11,5 раз [1].

Из всех средств водоучета, имеющихся на каналах, доминируют гидрометрические рейки и всего 4% приборов, причем устаревшего образца, поэтому разработка средств учета воды, применимых на мелиоративных системах является очень актуальной.

В ходе изучения процесса водораспределения на оросительных системах было установлено, что основные противоречия между потребителем и поставщиком возникают в водоучете. Преодоление этих противоречий возможно путем использования на оросительной системе такой технологии водоучета, которая обеспечила бы высокую объективность и независимость учета воды, и таких средств водоучета, точность измерений которых могла бы удовлетворить потребителя и поставщика.

Выявленные при обследовании особенности оросительных каналов определяют следующие требования и технологические условия к средствам водоучета:

1. водомерные устройства должны быть просты по конструкции, устойчивы к атмосферным воздействиям и надежно работать, не должны требовать специальной высококвалифицированной подготовки обслуживающего персонала и значительных затрат времени на проведение гидрометрических работ, что очень важно для частного водопользования;

2. на оросительных системах, как правило, отсутствует электроснабжение, поэтому здесь целесообразно применять водомерные устройства, работающие на гидравлической энергии;

3. применение водомерных устройств не должно изменять эксплуатационный гидравлический режим в каналах, устойчиво вписываться в технологический процесс водораспределения;

4. погрешность измерения приборов водоучета на каналах оросительных систем должна быть при коммерческом водоучете не более 4%.

Существующие устройства и приборы измерения расхода воды, отечественных и зарубежных производителей, имеют ограниченное применение на оросительных каналах по причинам: низкой точности измерения, отсутствия на постах водоучета электроснабжения, высокой стоимости приборов и сложности в эксплуатации.

Введение платного водопользования требует от водохозяйственных организаций оснащения ПВ техническими средствами, обеспечивающими современный уровень коммерческого водоучета, внедрения простых, надежных и энергонезависимых средств измерения.

Предлагаемое водомерное устройство [2], включает чувствительный элемент в виде решетки, состоящей из плоских продольных и поперечных планок. Чувствительный элемент жестко закреплен на нижней части рычага, он установлен на оси вращения. В верхнем плече рычага имеется отверстие, к которому крепится пружинный динамометр, установленный в защитном коробе. Короб жестко зафиксирован в центре гидрометрического мостика канала.

Под воздействием потока воды в канале на чувствительный элемент воздействует гидродинамическое давление, которое отклоняет рычаг в сторону направления течения. Находящийся на другом конце рычага динамометр показывает величину усилия, переданного через рычаг. По величине замеренного усилия определяется расход воды в канале [4].

Установлено, что решетки не использовались в качестве чувствительных элементов для измерения расходов воды. Особенностью гидравлического расчета решетчатых элементов является то, что необходимо учесть следующие потери напора: от степени стеснения живого сечения потока, от отношения ширины стержня к величине прозора, от ширины стержня, от толщины стержня, от формы поперечного сечения стержня.

Для проведения лабораторных исследований была изготовлена экспериментальная лабораторная установка. Выбран геометрический масштаб моделирования l = 3. Моделирование проводили по закону гравитационного подобия Фруда с учетом автомодельности изучаемых закономерностей по числу Рейнольдса. Для лабораторных исследований были изготовлены решетки со следующими параметрами: при ширине планок 0,04 м площадь чувствительного элемента составила 0,052 м²; при ширине планок 0,025 м площадь составила 0,082 м².

Были проведены серии опытов, результаты которых легли в основу расчетов по оптимизации параметров чувствительного элемента расходомера [3].

Для описания работы чувствительного элемента (решетки) как объекта исследования, были учтены все наиболее существенные факторы.

В качестве выходного показателя на этапе лабораторно-полевых исследований были приняты выходной фактор, учитывающий разницу показаний эталонного и экспериментального измерителя – квадрат разности давления.

В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3-х факторного эксперимента.

В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде:

. (1)

Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера: F_н=0,003. Так как F_0,05>F_н (F_0.05=2.1646 – табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5%), то математические модели адекватны результатам эксперимента.

Уравнение регрессии в канонической форме:

. (2)

Были определены оптимальные значения факторов.

Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют положительные знаки, то поверхности откликов представляют трехмерный параболоид с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.

После проведенной оптимизации был изготовлен опытный образец, геометрические параметры которого были выполнены с учетом выполненных расчетов.

Для изучения взаимодействия потока с оптимизированным чувствительным элементом расходомера были проведены лабораторные опыты, вследствие обработки результатов которых установлены основные гидравлические зависимости.

Тарировочные зависимости расходной характеристики устройства получены от двух величин: от усилия на динамометре и угла отклонения чувствительного элемента.

Согласно разработанной методике инженерного расчета к внедрению предлагаются три исполнения расходомера, представленные в таблице 1.

По результатам нашей работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Обоснована возможность применения чувствительного элемента в виде подвижной решетки, гидравлическое сопротивление которой зависит от величины гидродинамического давления, геометрических параметров ячейки решетки, угла отклонения, степени перекрытия живого сечения потока и его турбулентности.

2. Предлагаемая конструкция расходомера, отличительной особенностью которой, по сравнению с существующими аналогами, является применение решетчатого чувствительного элемента, охватывающего активную зону живого сечения канала, рекомендуется для использования на каналах внутрихозяйственной сети с пропускной способностью до 1,5 м³/с, шириной канала по дну до 1 м и глубиной наполнения не более 1,5 м.

Таблица 1 - Технические показатели штангового расходомера с решетчатым чувствительным элементом

№	Показатели	Тип расходомера
		РШ-0,5	РШ-0,8	РШ-1,0
1	Предельный расход канала, м^3/с	0,5	0,75	1,2
2	Предельная глубина в створе измерения, м	0,7	0,9	1,2
3	Ширина канала по дну, м	0,5	0,8	1,0
4	Геометрические параметры решетки: - длина горизонтальных планок, м	0,504	0,746	0,988
	-длина вертикальных планок, м	0,492	0,61	0,846
	- толщина планки, мм	2	2	2
	- ширина планки, м	0,02	0,02	0,02
	- количество ячеек по горизонтали, шт.	4	6	8
	- количество ячеек по вертикали, шт.	4	5	7
5	Активная площадь решетки, м^2	0,0404	0,16084	0,2844
6	Вес чувствительного элемента (решетки), кг	0,620	2,471	4,368
7	Погрешность измерения, %	2,5	2,5	2,5

Литература

1. Овчинников А.С. Рационализация средств водоучета для открытых каналов оросительных систем/ Овчинников А.С., Пахомов А.А., Колобанова Н.А./Журнал «Природообустройство».- 2011.-№1.- С.34-41.

2. Расходомер жидких сред в открытых каналах [Текст]: пат. на пол. модель № 86300 Рос. Федерация: МПК G 01 F 1/00 / Овчинников А.С., Пахомов А.А., Мелихов К.М., Колобанова Н.А.; заявитель и патентообладатель Волгоград. гос. с/х. акад-я. - № 2009109482/22; заявл. 16.03.09; опубл. 20.08.09, Бюл. № 23.

3. Овчинников, А.С. Исследование рабочих параметров штангового расходомера / А.С. Овчинников, А.А. Пахомов, Н.А. Колобанова// Повышение эффективности мелиорации и сельскохозяйственного использования мелиорированных земель. Национальная академия наук Беларуси. Тезисы докладов. Минск, 2009.- С.135-139.

4. Пахомов, А.А. Устройство для измерения расходов воды в открытых каналах/ А.А. Пахомов, С.В. Тронев, К.М. Мелихов, Н.А. Колобанова// Научно-практический и теоретический журнал «Мелиорация и водное хозяйство», М., 2009, № 4 С.29-31.