- при свободном падении струи - работу сил тяжести ;
- работу сил сопротивления ;
- работу сил гидродинамического давления на торцевые сечения выделенного объема жидкости:
,
где - объемный вес выделенного объема воды, т/м3;
- объем выделенного отсека жидкости, м3;
- коэффициент сопротивления (трения);
- вес выделенного объема воды, т;
- перемещение выделенного объема по наклонной плоскости, м;
- угол наклона плоскости к горизонту, град.
В механике сплошных сред теорема об изменении энергии движущегося сплошного потока приводится в дифференциальной форме [5, 7, 9], в которой помимо внешних сил учитываются и внутренние силы жидкости между ее частицами.
Результаты и обсуждение. Полученная теоретическая зависимость (9) с учетом ее составляющих по формулам (6)-(8) предназначена для определения полной энергии (или полного напора) водного потока на ДОС (с учетом потерь напора воды при транспортировке) и расчета основных размеров отверстия головного водозаборного сооружения на пропуск расчетного расхода для всей оросительной сети.
Основными являются потери воды на фильтрацию, испарение и сброс воды, остающейся в канале, после окончания орошения [10-15]. Учет оставшейся части расхода воды производится современными методами [16-20]. Если расход воды, подаваемой на орошаемые земли, обозначить через , а расход воды, забираемой из источника орошения головными сооружениями, - через , то отношение количества воды, затрачиваемой на полив, к количеству забираемой воды из источника орошения даст коэффициент полезного действия (КПД) деривационной оросительной сети [13], т. е.
(10)
Практика эксплуатации показала, что КПД оросительных сетей при каналах в земляных руслах колеблется от = 0,4 до = 0,7 и чем меньше система, тем выше ее КПД и наоборот.
Как выяснилось, потери на испарение и сброс воды незначительны по сравнению с фильтрационными потерями, которые определяются по формуле М. М. Кабакова, приведенной в СП 100.13330.2016:
(11)
где - фильтрационные потери воды, м3/см;
- расход воды в верхнем створе, м3/с;
- сумма расходов воды в отводах, м3/с;
- сумма сбросов воды, м3/с;
- расход воды в нижнем створе, м3/с.
Поэтому для уменьшения фильтрации через дно и откосы каналов в земляных руслах применяют покрытия из противофильтрационной облицовки. Для повышения КПД таких систем Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации (РосНИИПМ) разработал конструкции на основе противофильтрационных материалов, которые обеспечивают КПД, близкие к 0,97-0,98 [15]. Аналогично расчету КПД ДОС (по формуле (10)) рассчитывается КПД энергии водного потока, зачастую выражаемый через КПД мощности движущегося потока [7-9]. Например, 1 кгс воды, падая с высоты м, способен произвести работу, равную 1 кгс·м = 9,81 Дж. Количество воды в 1 м3 имеет вес
1000 · кгс, т. е. расход водоисточника, равный , м3/с, может произвести энергию, Дж:
. (12)
Для определения энергетической характеристики (полного напора) водного потока в голове деривационного канала следует найти потери напора водного потока по каждому элементу, входящему в состав открытой ДОС. Уравнение (12) позволяет произвести расчет энергии водного потока всей сети каналов ДОС в нарастающем итоге, начиная с участкового распределителя.
Алгоритм расчета полной энергии деривационной оросительной сети
1 Вычисляется энергия дождевального агрегата при поверхностном поливе севооборотного участка по следующей зависимости, Дж:
, (13)
где - плотность воды ( = 1000 кгс/м3);
- расчетная ордината укомплектованного графика гидромодуля, л/(с•га) с переводом в м3/(с·га);
- площадь севооборотного участка нетто, га;
- время работы дождевальной машины, 1 ч (с переводом в с);
- перепад между отметками уровня воды в участковом распределителе и устье гидранта, м.
Произведение трех величин в скобках формулы (13) выражает объем воды, затраченной дождевальной машиной в течение 1 ч: или , м3. В результате формула (13) приобретает следующий вид, Дж:
.
2 Определяется энергия водного потока, поступающая к гидрантам дождевальных машин из участкового распределителя, Дж:
,
где - расчетная поливная норма, м3/га;
- площадь нетто орошаемого поля, га;
- продолжительность полива, 1 сут;
- количество одновременно работающих дождевальных машин, шт.
3 Вычисляется энергия водного потока в голове участкового распределителя с учетом потенциальной энергии:
где - вес 1 м3 воды, 1 т;
- длина участкового распределителя до створа, в котором забирается вода для полива орошаемого поля, м;
- продольный уклон дна участкового распределителя на длине .
4 При известном количестве одновременно работающих участковых распределителей подсчитывается энергия водного потока хозяйственного распределителя , Дж:
.
5 Определяется энергия водного потока в голове хозяйственного распределителя , Дж:
= /з.
6 Энергия водного потока межхозяйственного распределителя определяется как сумма энергий воды хозяйственных распределителей с учетом потенциальной энергии на участке от головного водозабора до последнего хозяйственного распределителя:
.
7 Вычисляется энергия водного потока в голове межхозяйственного распределителя , Дж:
.
8 По количеству одновременно работающих межхозяйственных и хозяйственных распределителей определяется энергия водного потока магистрального канала , Дж, с учетом потенциальной энергии водного потока на длине от водозаборного головного сооружения магистрального канала до последнего межхозяйственного распределителя:
.
9 Определяется энергия водного потока в голове магистрального канала при заборе воды из водного источника, Дж:
.
С учетом некоторых пунктов алгоритма составлена блок-схема расчета потерь напора (энергии) водного потока для отдельно взятого канала деривационной сети открытых каналов (рисунок 3).
Рисунок 3 - Блок-схема для расчета на ЭВМ потерь энергии водного потока в каналах безнапорной открытой деривационной оросительной сети
На блок-схеме приведены следующие обозначения:
- соответственно начальная, конечная и потерянная энергия потока, Дж;
- соответственно начальная и конечная энергия положения, или ;
- соответственно гидродинамическое давление в начале канала и в его конце, Па;
- плотность воды ( = 1000 кгс/м3);
- ускорение сил тяжести ( = 9,81 м/с2);
и - средняя скорость течения в живых сечениях потока соответственно в начале и в конце выделенного участка канала, м/с;
- коэффициент сопротивления водного потока по длине водотока, определяется в функции от числа Рейнольдса () и коэффициента шероховатости () русла;
- гидравлический радиус живого сечения потока, м;
- коэффициент местного сопротивления, определяется в зависимости от типа сопротивления конструкции гидротехнического сооружения.
Выводы
1 Полученная теоретическая зависимость (9) (уравнение баланса механической энергии водного потока с учетом потерь на преодоление сопротивлений по длине и местных потерь) предназначена для определения потерь напора водного потока на ДОС.
2 Потери воды на фильтрацию при транспортировке по каналам деривационной сети вычисляются по формуле (11).
3 Для определения энергетической характеристики (полного напора) водного потока в голове деривационного канала следует найти потери напора водного потока по каждому элементу, входящему в состав открытой ДОС. Теоретическая зависимость (12) позволяет произвести расчет энергии водного потока всей сети каналов ДОС в нарастающем итоге, начиная с участкового распределителя.
4 Новизна научной статьи состоит в разработке методики расчета потерь напора водного потока при транспортировке воды по каналам деривационной оросительной сети. Данный алгоритм позволяет определить оптимальный (необходимый) полный напор (полную энергию потока) для всех каналов деривационной сети. Полученные оптимальные значения полных энергий потока в голове каждого распределителя позволят проектировщикам назначить рациональные конструкции водозаборных сооружений для каждого канала деривационной сети, а также запроектировать экономически наивыгоднейшие поперечные сечения русел каналов открытой деривационной оросительной сети.
5 На основании разработанного алгоритма составлена блок-схема (рисунок 3), позволяющая с помощью ЭВМ произвести расчет потерь напора (энергии) водного потока в элементах открытой деривационной оросительной сети.
Список использованных источников
1 Тарасенко, В. В. Энергосбережение и его роль в решении экологических проблем / В. В. Тарасенко // Энергоэффективность. - 2000. - № 10. - С. 15-16.
2 Летягина, Е. Н. Нетрадиционная электроэнергетика: цели и задачи развития / Е. Н. Летягина // Современные научные исследования и инновации [Электронный ресурс]. - 2011. - № 6. - Режим доступа: http:web.snauka.ru/issues/2011/10/4883.
3 Тищенко, А. И. Методические указания по проектированию деривационных оросительных систем / А. И. Тищенко, В. Д. Гостищев // Каталог паспортов научно-технических достижений, рекомендуемых для использования в мелиорации и водном хозяйстве / ФГБНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2017. - Вып. 40. - С. 13-14.
4 Бутенин, Н. В. Курс теоретической механики. В 2 т. Т. 1. Статика и кинематика. Т. 2. Динамика: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям / Н. В. Бутенин, Я. Л. Лунц, Д. Р. Меркин. - 11-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2009. - 2 т.
5 Курс теоретической механики: учеб. для вузов / под ред. К. С. Колесникова, В. В. Дубинина. - М.: МГТУ, 2011. - 758 с.
6 Никитин, Н. Н. Курс теоретической механики: учебник / Н. Н. Никитин. -
8-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2011. - 720 с.
7 Чугаев, Р. Р. Гидравлика: учебник / Р. Р. Чугаев. - Л.: Энергия, 1975. - 600 с.
8 Богомолов, А. И. Гидравлика: учебник / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.
9 Киселев, П. Г. Гидравлика: основы механики жидкости: учеб. пособие для вузов / П. Г. Киселев. - М.: Энергия, 1980. - 360 с.
10 Тищенко, А. И. Сетевые гидротехнические сооружения: монография / А. И. Тищенко. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2008. - 247 с.
11 Волков, И. М. Гидротехнические сооружения: учебник / И. М. Волков, П. Ф. Кононенко, И. К. Федичкин. - М.: Колос, 1968. - 464 с.
12 Железняков, Г. В. Гидротехнические сооружения / Г. В. Железняков, Ю. А. Ибад-заде, П. А. Иванов; под ред. В. П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.
13 Ольгаренко, В. И. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем / В. И. Ольгаренко, Г. В. Ольгаренко, В. Н. Рыбкин; под ред. В. И. Ольгаренко. - Коломна, 2006. - 391 с.
14 Эксплуатация гидромелиоративных систем (пособие к СНиП 2.06.03-85
«Мелиоративные системы и сооружения») / Союзводпроект. - М.: Колос, 1991. - 59 с.
15 Косиченко, Ю. М. Противофильтрационные покрытия из геосинтетических материалов: монография / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - 239 с.
16 Масумов, Р. Р. Методы измерения расхода воды на реках и каналах, в напорных трубопроводах насосных станций и оросительных систем: обзор / Р. Р. Масумов. - Ташкент, 2015. - 84 с.
17 Новая редакция методики измерения расхода и объема жидкости в безнапорных водоводах: МИ 2220-13 / Ю. А. Вязьмин [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. - 2013. - № 8. - С. 76-78.
18 Егоров, Н. Л. Обеспечение достоверности измерений расхода воды в трубах большого диаметра и безнапорных каналах / Н. Л. Егоров, О. Д. Лойцкер // Водоснабжение и санитарная техника. - 2012. - № 8. - С. 48-51.
19 Gleick, P. H. Global freshwater resources: soft-path solution for the 21th centure / P. H. Gleick // Science. - 2003. - № 302(5650). - P. 1524-1527.
20 Shiklomanov, I. A. World water use and water availability: trends, scenarios, consequences / I. A. Shiklomanov, J. A. Balonishnikova // Water Resources Systems - Hydrological Risk, Management and Development. - 2003. - № 281. - P. 358-364.
References
1 Tarasenko V.V., 2000. Energosberezhenie i yego rol' v reshenii ekologicheskikh problem [Energy saving and its role in solving environmental problems]. Energoeffektivnost [Energy Efficiency], no. 10, pp. 15-16. (In Russian).
2 Letyagina E.N., 2011. Netraditsionnaya elektroenergetika: tseli i zadachi razvitiya [Non-traditional electric power industry: goals and tasks of development]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii [Modern Scientific Research and Innovations], no. 6, available: http:web.snauka.ru/issues/2011/10/4883. (In Russian).
3 Tishchenko A.I., Gostishchev V.D., 2017. Metodicheskie ukazaniya po proektirovaniyu derivatsionnykh orositel'nykh sistem [Methodical instructions on the design of diversion irrigation systems]. Katalog pasportov nauchno-tekhnicheskikh dostizhenij, rekomenduemykh dlya ispol'zovaniya v melioratsii i vodnom khozyaystve [The Catalogue of passports of scientific and technical achievements recommended for use in land reclamation and water management]. FGBNU VNII “Rainbow”, Kolomna, issue 40, pp. 13-14. (In Russian).
4 Butenin N.V., Lunts Ya.L., Merkin D.R., 2009. Kurs teoreticheskoy mekhaniki. V 2 t. T. 1. Statika i kinematika. T. 2. Dinamika: ucheb. posobie dlya vuzov po tekhn. spetsial'nostyam [The course of theoretical mechanics. In 2 volumes. T. 1. Statics and kinematics. T. 2. Dynamics: Textbook]. 11th ed. St. Petersburg, Lan' Publ., 2 vol. (In Russian).
5 Kolesnikov K.S., Dubinin V.V., 2011. Kurs teoreticheskoy mekhaniki: ucheb. dlya vuzov [Course of Theoretical Mechanics: Textbook for universities]. Moscow, MSTU, 758 p. (In Russian).
6 Nikitin N.N., 2011. Kurs teoreticheskoy mekhaniki: uchebnik [Course of Theoretical Mechanics: textbook]. 8th ed., St. Petersburg, Lan' Publ., 720 p. (In Russian).
7 Chugaev R.R., 1975. Gidravlika: uchebnik [Hydraulics: textbook]. Leningrad, Energiya Publ., 600 р. (In Russian).
8 Bogomolov A.I., Mikhaylov K.A., 1972. Gidravlika: uchebnik [Hydraulics: textbook]. 2nd ed., Moscow, Stroyizdat Publ., 648 p. (In Russian).
9 Kiselev P.G., 1980. Gidravlika: osnovy mekhaniki zhidkosti: ucheb. posobie dlya vuzov [Hydraulics: the Basis of Fluid Mechanics: Textbook for Universities]. Moscow, Energia Publ., 360 p. (In Russian).
10 Tishchenko A.I., 2008. Setevye gidrotekhnicheskie sooruzheniya: monografiya [Network Hydraulic Structures: monograph]. Novocherkassk, YURSTU (NPI), 247 p. (In Russian).
11 Volkov I.M., Kononenko P.F., Fedychkin I.K., 1968. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya: uchebnik [Hydraulic Structures: textbook]. Moscow, Kolos Publ., 464 p. (In Russian).
12 Zheleznyakov G.V., Ibadzade Yu.A., Ivanov P.A., 1983. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Hydraulic Structures: Textbook]. Moscow, Stroiizdat Publ., 543 p. (In Russian).
13 Ol'garenko V.I., Ol'garenko G.V., Rybkin V.N., 2006. Ekspluatatsiya i monitoring meliorativnykh sistem [Exploitation and Monitoring of Reclamation Systems]. Kolomna, 391 p. (In Russian).
14 Ekspluatatsiya gidromeliorativnykh sistem (posobie k SNiP 2.06.03-85 «Meliorativnye sistemy i sooruzheniya») [Operation of irrigation and drainage systems (guide to SNiP 2.06.03-85 “Irrigation systems and structures”)]. Soyuzvodproekt. Moscow, Kolos Publ., 1991, 59 p. (In Russian).