Статья: Численное моделирование гидромелиоративных систем на примере Лиманской оросительно-обводнительной системы

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(25), 2017 г., [190-206]

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова

Численное моделирование гидромелиоративных систем на примере Лиманской ОРОСИТЕЛЬНО-ОБВОДНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

А.О. Щербаков, А.А. Талызов

Аннотация

орошаемый мелиоративный земля гидравлический

Целью данного исследования является разработка технологии, позволяющей повысить эффективность функционирования мелиоративных систем при использовании в качестве фактора возможной оптимизации гидравлических процессов в их каналах. Работа направлена на поиск путей повышения эффективности орошения, улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель. Для решения данной задачи необходима автоматизация насосных станций, водовыпускных сооружений, а также управления водораспределением по оросительно-обводнительным трактам. Получение информации о состоянии объектов регулирования и передача команд управления должны осуществляться с применением современных средств передачи данных. В процессе исследований в качестве материалов и методов получения результатов использовались крупномасштабные топографические карты, разработанная цифровая модель рельефа, продольные и поперечные профили, а также программы, с помощью которых проводилась обработка данных (система Quantum GIS - QGIS). Построение одномерной гидравлической модели оросительной сети осуществлялось с применением программного продукта HEC-RAS. На основе собранной информации была разработана модель оросительной системы и заданы гидравлические характеристики для каждого ее элемента. Создана ГИС Лиманской ООС, являющаяся основным инструментом накопления и обработки данных, и разработана компьютерная гидравлическая модель функционирования каналов Лиманской ООС. Компьютерная модель позволяет выбрать оптимальный режим функционирования оросительной системы с учетом гидравлических характеристик каналов и водопропускных сооружений. С помощью модели исследованы различные гидравлические режимы работы каналов Лиманской ООС, получены кривые свободной поверхности воды при различных расходах воды в каналах оросительной системы.

Ключевые слова: оросительная система, географическая информационная система, гидравлическое моделирование, канал, водохранилище, водный тракт.

Annotation

A. O. Shcherbakov, A. A. Talyzov

All-Russia Research Institute of Land Reclamation and Hydrotechnics named after A. N. Kostyakov, Moscow, Russian Federation

NUMERICAL SIMULATION OF IRRIGATION SYSTEMS ON THE EXAMPLE OF LIMANSK IRRIGATION-WATER SYSTEM

The aim of this study is to develop technologies allowing to raise the effective functioning of irrigation systems by using as a factor of possible optimization of hydraulic processes in their canals. The work is aimed at finding ways of raising the irrigation efficiency, improvement of meliorative condition of irrigated lands. The automation of pumping stations, water outlet structures, as well as management of water distribution in irrigation and water routes is necessary for solving this problem. Obtaining information on state of controlled systems and transferring the control commands should be carried out with the use of modern data transmission facilities. The large-scale topographic maps, the designed digital elevation model, the longitudinal and transverse profiles, as well as programs of data processing (Quantum GIS system - QGIS) were used in the process of research as materials and methods for obtaining the results. Construction of a one-dimensional hydraulic model of the irrigation network was carried out using software HEC-RAS. On the basis of the collected information a model of irrigation system was worked out, and hydraulic characteristics for each element were given. GIS for Liman open irrigation network (OIN) which is the main tool for data storage and processing was created, and a computer hydraulic model of functioning of Liman OIN canals was developed. The computer model allows choosing the optimal mode of irrigation system operation based on the hydraulic characteristics of canals and culverts. With the help of this model different hydraulic modes of Liman OIN canals were studied, the curves of the free water surface at different water consumption in irrigation canals were obtained.

Keywords: irrigation system, geographic information system SIS theme, hydraulic modeling, canal, reservoir, water route.

Введение

Внедрение новых методик управления оросительно-обводнительными системами, основанных на численном математическом моделировании, позволит повысить оперативность, качество управленческих решений, эффективность орошения и орошаемого земледелия на системе, минимизировать возможные фильтрационные потери (исключить утечки воды из канала и подтопление приканальных территорий) [1, 2].

В качестве объекта исследования была выбрана Лиманская оросительно-обводнительная система (ООС), располагающаяся в южной части зоны западных подстепных ильменей (ЗПИ) в пределах Лиманского административного района Астраханской области, поскольку имелись данные о ее составе и режимах функционирования.

Валовая площадь системы составляет 146,0 тыс. га или 16,3 % от общей территории ЗПИ, из них орошаемые земли - 4,5 тыс. га, полив производится на площади 2,6 тыс. га. Объем перекачиваемой воды за один год - 92 млн м³, затраты на оплату электроэнергии - 12 млн руб. (2013 г.). Полив сельскохозяйственных культур осуществляется дождеванием при помощи ДДА-1000МА из открытых каналов. Также применяется поливная техника моделей «Фрегат», ДДН-100, «Днепр».

Эксплуатация открытой оросительной сети сопряжена с большими трудностями из-за наличия на территории системы массивов развеиваемых незакрепленных песков. Ежегодно перед поливом сеть очищается от наносов. В настоящее время на территории системы функционирует сеть водопроводных трактов: 14-й водный тракт, БЛК-1 (Большой Лиманский канал-1), БЛК-2, БЛК-3, Яндыко-Промысловский и Черноземельский каналы. Водоисточником является р. Бахтемир с расходом в межень 600 м³/с. Подача воды в систему осуществляется стационарной электрифицированной насосной станцией производительностью 27 м³/с. Объектами водопотребления являются орошаемое земледелие, рыбоводные пруды и пастбища. За время эксплуатации (более 30 лет) каналы системы подверглись частичному разрушению и заилению. В 2013 г. на БЛК-1 были произведены работы по расчистке дна и профилированию откосов, аналогичные работы планируются на других каналах сети.

Подача воды на орошаемые участки происходит из сети оросительно-обводнительных трактов с помощью стационарных электрифицированных автоматизированных насосных станций в количестве 75 шт. Производительность насосных станций находится в диапазоне от 0,3 до 2,5 м³/с.

Сельскохозяйственное производство специализируется на следующих отраслях:

- растениеводство - бахчеводство;

- кормопроизводство;

- животноводство (овцеводство и мясо-молочное скотоводство).

Распределение существующих посевных площадей на орошаемых землях в разрезе сельскохозяйственных культур представлено в таблице 1.

Таблица 1

Распределение посевных площадей

Целью данного исследования является разработка технологии, позволяющей повысить эффективность функционирования мелиоративных систем, используя в качестве фактора возможной оптимизации гидравлические процессы в их каналах. На рисунке 1 приведена предлагаемая к реализации структура системы, во многом схожая со схемой, подробно описанной в работе [3].

Рисунок 1 Блок-схема создаваемой системы автоматизации

Система состоит из следующих модулей: накопления и подготовки данных, математического моделирования, отображения расчетных рекомендаций по управлению системой.

Материалы и методы

Методом исследования является компьютерное математическое моделирование с применением геоинформационных технологий для подготовки данных и отображения результатов.

Картографической основой создаваемой графической информационной системы (ГИС) служат топографические карты масштаба 1:100000. Была произведена привязка данных карт к системе координат ГИС-проекта с использованием проекции Гаусса - Крюгера. Информация о сооружениях оросительной системы хранится в четырех тематических векторных слоях:

- каналы (водные тракты);

- насосные станции;

- шлюзы-регуляторы;

- водохранилища.

Обработка данных осуществлялась в системе Quantum GIS (QGIS) [4, 5]. На сегодняшний день QGIS представляет собой полнофункциональную ГИС с возможностью просмотра, редактирования и анализа данных (рисунок 2).

Характеристики каналов Лиманской ООС приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики каналов Лиманской ООС

В ходе создания модели оросительной системы был проведен сбор и обработка топологических данных, включающих в себя карты, цифровую модель рельефа (рисунок 3), продольные и поперечные профили, сведения, описывающие параметры сооружений. Текущее состояние ООС было актуализировано с использованием спутниковых изображений (рисунок 4).

Также была собрана информация о наблюденных уровнях воды, уровнях воды в водоисточнике, гидрографы расходов в замыкающих створах, уточнено текущее состояние гидротехнических сооружений. Все доступные данные о расходах и уровнях воды были обработаны и сохранены для последующей калибровки и тестирования модели. На основе полученной информации была разработана модель оросительной системы и заданы гидравлические характеристики для каждого ее элемента.

Рисунок 2 ГИС Лиманской оросительной системы

Рисунок 3 Цифровая модель рельефа в ГИС Лиманской оросительной системы

Рисунок 4 Спутниковые изображения в ГИС Лиманской оросительной системы

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(25), 2017 г., [190-206]

9

Далее было проведено исследование гидравлического режима работы каналов и водохранилищ, входящих в состав Лиманской ООС. Повышение эффективности процесса управления системой водораспределения возможно только при введении средств оперативного контроля и исследования динамических процессов течения воды, сопровождающихся сложными колебательными изменениями расходов и уровней свободной поверхности водного потока в каналах [6, 7].

Для реализации данной задачи была построена одномерная гидравлическая модель оросительной сети с применением программного продукта HEC-RAS, проведено гидравлическое моделирование при различных режимах эксплуатации. Данная компьютерная модель позволяет детально изучить гидравлические характеристики водного потока в каналах и сооружениях Лиманской ООС.

В системе реализована модель, учитывающая движение воды в русле, областях затопления и водохранилищах. Пользователь системы схематически описывает модель, при этом топологический анализ схемы и выбор последовательности расчетов производятся автоматически. Программа осуществляет проверку корректности входных данных, обеспечивающую возможность быстрой и эффективной модификации модели в случае необходимости.

Одномерный поток моделировался с помощью набора расчетных точек, расположенных вдоль течения. Каждая точка соответствует поперечному сечению с известной геометрией. Точки соединяются одномерными расчетными отрезками, для которых параметры из поперечных сечений усредняются. Эти соединения могут образовывать замкнутую структуру, например, при делении потока вокруг острова.

При расчетах применяются уравнения Сен-Венана для нестационарного одномерного потока:

- уравнение неразрывности:

;

- уравнение динамического движения:

,

где - расход потока, м³/c;

- время (свободная координата), c;

- коэффициент Буссинеска, м/c;

- площадь сечения потока, м²;

- длина (свободная координата), м;

- ускорение свободного падения, м/c²;

- глубина потока, м;

- коэффициент Шези, м^0,5/c;

- гидравлический радиус, м.

Гидравлическое сопротивление русла рассчитывается по формуле Маннинга:

,

где - коэффициент Шези, м^0,5/c;

- гидравлический радиус, м;

- коэффициент шероховатости (по Маннингу), с/м;

- коэффициент шероховатости (по Маннингу, = 1/), м/c.

Граничные условия могут быть двух видов:

- или (глубины или расходы) как функции от времени;

- связь (только в устье).

Данная система уравнений применяется для потока, соединяющего две расчетные точки. Поскольку уравнения не имеют точных интегралов, они решаются численно, в конечных разностях.

Гидравлические расчеты потока выполнены для двух режимов движения: установившегося (steady) и неустановившегося (unsteady). Основной задачей расчетов в установившемся режиме является определение уровней воды и скоростей в створах при известных значениях расходов. Также может решаться обратная задача. Для каналов Лиманской ООС был создан набор расчетных створов (рисунки 5 и 6) на основе имеющихся проектных данных.