Карлыханов Оразхан Карлыханович
Тажиева Турсынай Чайхсламовна
Онгарбаева Асель Муратбековна
Казахский
Научно-исследовательский институт водного хозяйства
Проблеме диагностирования и контроля
технического состояния ГТС
Аридная
зона Казахстана является зоной с наиболее развитым орошаемым земледелием. В
тоже время это зона является зоной наибольшего использования (потребления,
расходования) водных ресурсов, находящихся в условиях зависимости от
приграничных стран из-за трансграничности поступающих в
эту зону поверхностных водных ресурсов (рек Сырдарья, Или, Шу, Талас).
В
этих условиях управление водными ресурсами, поступающими из сопредельных стран
требует разумного всемерно экономного распределения (использования) воды,
причем в условиях существующих неприспособленных к новым требованиям
гидротехнических сооружений образца прошлых веков. Общее количество
гидротехнических сооружений в республике насчитывается 653. Техническое
состояние многих из них крайне неудовлетворительное. Оснащенность современными
приборами водоучета и оборудованием по автоматизации процессов управления
затворами и регулирования водных ресурсов очень низка, не превышает 70-80%.
Ежегодный ущерб от неудовлетворительного состояния регулирующих и защитных
сооружений от вредного воздействия вод (паводков, наводнений, подтоплений)
оценивается в целом по республике порядка 1,5-2 млрд. тенге, что эквивалентно
7,5 млн. евро. Практика показывает, что регулярная оценка технического
состояния гидротехнических сооружений и внедрение технологий
автоматизированного управления водными ресурсами позволяют оперативно управлять
процессами и в несколько раз сократить ущерб от вредного воздействия вод или
возможных аварий.
Учет
отмеченных основных факторов управления водными ресурсами в современных
условиях возможно путем разработки технологий автоматизированного управления
водными ресурсами.
Важнейшими характеристиками водной среды являются
уровень воды, глубина водоема, скорость водотока, температура, цвет водной
поверхности, степень минерализации (солености), биомасса и другие
характеристики. Наземная система наблюдений за состоянием и качеством водной
среды в створе Таласского гидроузла в настоящее время осуществляется на посту
наблюдения, слежение за уровнем воды – на водомерном посту с использованием
водомерных реек, а также различных самописцев.
Для обоснования направления технической модернизации
гидротехнических сооружений на Таласском гидроузле проанализирован ряд
технических средств наблюдения, фиксации и способа передачи данных в
центральный диспетчерский пункт. Рассматривался вариант установления
дистанционных водомерных постов с самописцами уровня. Преимущество
использования самописцев заключается в том, что они дают возможность получать
информацию об уровне воды непрерывно. Дистанционные водомерные посты кроме
самописцев уровня имеют еще и передающие устройства, основанные на радио- или
электросвязи. Для непрерывного дистанционного контроля глубины водоема
используют профилографы.
Для измерения скорости течения воды рассматривался
вариант использования поплавкового метода с применением поверхностных глубинных
и интеграционных поплавков, гидрометрических вертушек, а также
радиоакустического зондирования. Преимущества радиоакустического зондирования состоит
в том, что измеряемый параметр фиксируется с помощью эхолокаторов, в данном
случае основано на измерении скорости распространения звуковых волн от
движущихся относительно среды источников колебаний.
С целью повышения точности и достоверности измерений
рассмотрен вариант совмещения радиоакустической и акустической систем
дистанционного неконтактного контроля поверхностного слоя воды.
Все рассматриваемые системы контроля и учета воды,
состояния ГТС в целом и слежения за устойчивостью его отдельных звеньев
относятся к передовым и широко применяются на практике. Логическим развитием
технической модернизации ГТС любого типа и класса является автоматизированная
система контроля, один из подвариантов которой является лазерный контроль. С помощью лазерных сканирующих систем можно не только осуществлять
мониторинг сложных сооружений, но и фиксировать состояние мест аварий и
катастроф с получением реальной картины произошедшего и осуществлять привязки
реальной картины к опорной системе координат.
Данные, полученные в результате мониторинга водных
ресурсов, позволяют эффективно и рационально управлять водными ресурсами
бассейна рек аридной зоны, в том числе реки Талас, находящейся в регионе с
ограниченным количеством водных ресурсов. Положительным моментом лазерного
контроля, учета и слежения за процессами является также высокая оперативность и
эффективность принятых управленческих решений, большая достоверность
результатов.
Структура комплекса. Информационный
аналитический комплекс для дистанционного мониторинга водохозяйственных
объектов имеет вертикальную архитектуру построения. Ядром комплекса является
«экспертная система» анализа ситуаций на контролируемом объекте. Информационным
базисом системы является республиканская база данных о техническом и физическом
состоянии водохозяйственных объектов. На уровне областных центров создаются
базы данных кластерного типа, куда стекается информация непосредственно с
контролируемых объектов. Кроме того, для улучшения оперативного управления
водохозяйственными объектами в областных центрах устанавливаются ситуационные
мониторы, на которых в графическом виде выводится физико-механическая
информация о состоянии водохозяйственных объектов. Эта информация предназначена
для контролирующих и эксплуатирующих государственных организаций.
Непосредственно
на объектах контроля (ГТС, открытых водотоках и водоемах) устанавливается
электронная система сбора, классификации, первичной обработки и передачи данных
о состоянии объекта в областную базу данных. При сборе информации на
водохозяйственном объекте возникает проблема с информационным охватом
внушительных территорий, так как объекты мониторинга находятся на значительном
расстоянии от инфраструктурных и энергетических центров.
Для
решения этой проблемы используется сотовая сеть передачи данных стандарта GCM
и Интернет-хостинг с применением статического IP. На сегодняшний день
сети сотовой передачи данных покрывают более 80% территории Республики
Казахстан, что позволяет получить информацию практически с любой точки
контролируемых водохозяйственных объектов.
Объектами
мониторинга данной системы являются гидротехнические сооружения 1, 2, 3
классов, так как для таких сооружений, как правило, применяют
автоматизированные системы контроля. Для ГТС 4 класса данный комплекс
предусматривает установку контрольно-измерительной аппаратуры при специальном
обосновании (высокая опасность затопления населенных территорий, большая
энергия волны прорыва в случаи разрушения ГТС и т.д.). В случае невозможности
установки контрольно-измерительных систем на объектах этого класса
предусмотрено применение диагностических систем контроля с ручным вводом данных
наблюдения [1,2].
К
основным параметрам анализа состояния ГТС, контролируемые
информационно-аналитическим комплексом относится:
1)
определение расхода воды в открытых водотоках при различных режимах течения;
2)
мониторинг русловых процессов;
3)
мониторинг состояния ГТС.
Методология внедрения
комплекса.
Для определения расхода воды в открытых водотоках при различных режимах течения
используется известный принцип «от конкретного - к абстрактному и от
абстрактного - к конкретному» в следующей последовательности [3]:
1)
Внедрение программно-аппаратного комплекса для автоматизированного процесса
измерения уровней воды вдоль русла водотока и передачи результатов замеров в
центр обработки данных для расчета текущего значения расхода.
2)
Разработка математического и программного обеспечения для автоматического
расчета и учета расхода воды в водотоке по данным замеров уровней.
3)
Повышение точности определения расходов воды в водотоках минимум на 10% за счет,
применение оптических методов измерения уровня воды с погрешностью ± 1 мм, что позволит учесть дополнительные
объемы поверхностных вод.
Отправной
точкой исследований является существующая практика гидрометрии определения
расхода воды в открытых водотоках, основанная на использовании однозначной
функциональной связи между уровнем и расходом представляемой в графическом
виде. Погрешности в определении расхода складываются из погрешности градуировки
графика методом «скорость-площадь», погрешности измерения уровня, погрешности
связанной с отклонениями режима движения от равномерного и погрешности снятия
значения расхода с графика.
Теоретический
анализ состояния проблемы уменьшения погрешности при определении расхода воды в
открытых водотоках показывает, что использование современных технологий
измерений, сбора, хранения, обработки и передачи информации позволяет повысить
точность расчета расхода воды не менее чем на 10%, что в масштабах такой рек
аридной зоны позволит при расчете водопотребления сэкономить около 5-7 км3
воды.
Для
ведения руслового мониторинга предлагается внедрить программно-аппаратный
комплекс, который при мониторинге
русловых процессов позволит фиксировать скорость течения воды в руслах рек и
каналов, выдавать информацию, с помощью которой возможно рассчитывать объем
наносов и степень размыва русел, рассчитать расход воды на фильтрацию и
инфильтрацию, что, в свою очередь, поможет рассмотреть оптимальные варианты
водоподачи в каналы и оптимизировать негативные явления русловых процессов.
Для
мониторинга состояния ГТС в информационно-аналитическом комплексе предусмотрен
контроль состояния ГТС по следующим основным показателям [4]:
1) Вертикальные (осадки) и горизонтальные перемещения сооружений и их
оснований;
2) Напряжения в сооружениях и их основаниях
(бетон, арматуру, грунт и др.);
3) Контактные напряжения в подошвах, на вертикальных и наклонных
поверхностях бетонных ГТС;
4) Раскрытие межсекционных швов бетонных и железобетонных ГТС;
5) Взаимные смещения по межсекционным швам бетонных и железобетонных
ГТС;
6) Величина раскрытия трещин, межблочных швов в бетонных и
железобетонных ГТС и в грунтовом массиве;
7) Величина раскрытия трещин по контакту бетонной плотины со скальным
основанием;
8) Поровое давление и интенсивность его рассеивания в водоупорных
элементах грунтовых плотин и оснований;
9) Фильтрационные расходы, поступающие в дренажные устройства или
выходящие на дневную поверхность;
10)
Отметки депрессионной поверхности
фильтрационного потока в теле грунтовых сооружений и береговых примыканиях;
11)
Пьезометрические напоры в теле сооружения,
основании и береговых примыканиях;
12)
Пьезометрические градиенты.
Прогнозирование возможных последствий гидродинамических аварий
должно быть осуществлено проектными организациями на стадии разработки проекта
реконструкции ГТС и органами, специально уполномоченными по решению задач в
области защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций (МЧС).
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1
Мирзаев Н, Эргашев И. Управление водой на ирригационных системах.- Ташкент,
2009. – 119 с.
2
Фролов С. Развитие отечественных систем промышленной автоматизации www.ict.edu.ru/ft/004950/elisarov.pdf.