Анализ изменения эксплуатационных характеристик гидрологических приборов (на примере Северного УГМС)
|
Введение стр. 2
1) Методы измерения характеристик водного потока в мировой практике гидрометрии стр.4
1.1) Для чего нужно измерять скорость водотока стр.4
1.2) Краткий исторический экскурс в гидрометрию стр.5
1.3) Основные методы измерения расходов, практикуемые в гидрометрии в настоящее время стр.6
2) Описание методов измерения расходов, применяющихся на сети Росгидромета в настоящее время стр.8
2.1) Измерители скорости водного потока (ИСВП) ГР21М1, ГР21М, ГР55 и ИСП-1М.
Описание принципа работы и устройства стр.9
2.2) Описание принципа действия и устройства акустических доплеровских профилографов (АДПТ) модификаций "Stream Pro", "RioGrande 1200 kHz"и "Rio Grande 600 kHz" стр.12
2.3) Описание принципа действия и устройства акустических измерителей скорости потока (АИСП) типа «Арго» стр.16
3) Особенности эксплуатации средств измерения скорости водного потока на подведомственной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.18
3.1) Краткое описание наблюдательной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.18
3.2) Метрологическое обеспечение единства измерений на опорной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.20
4) Анализ наиболее характерных изменений эксплуатационных свойств вертушек, выявленных в процессе эксплуатации на гидрологической наблюдательной сети Северного УГМС за период с 2014 по 2019 г ст.22
5) Анализ изменений эксплуатационных характеристик акустических доплеровских профилографов (АДПТ), выявленных в процессе эксплуатации на гидрологической наблюдательной сети Северного УГМС стр.26
Заключение стр. 33
Список использованных источников стр.36
Приложения.
1) Методы измерения характеристик водного потока в мировой практике гидрометрии стр.4
1.1) Для чего нужно измерять скорость водотока стр.4
1.2) Краткий исторический экскурс в гидрометрию стр.5
1.3) Основные методы измерения расходов, практикуемые в гидрометрии в настоящее время стр.6
2) Описание методов измерения расходов, применяющихся на сети Росгидромета в настоящее время стр.8
2.1) Измерители скорости водного потока (ИСВП) ГР21М1, ГР21М, ГР55 и ИСП-1М.
Описание принципа работы и устройства стр.9
2.2) Описание принципа действия и устройства акустических доплеровских профилографов (АДПТ) модификаций "Stream Pro", "RioGrande 1200 kHz"и "Rio Grande 600 kHz" стр.12
2.3) Описание принципа действия и устройства акустических измерителей скорости потока (АИСП) типа «Арго» стр.16
3) Особенности эксплуатации средств измерения скорости водного потока на подведомственной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.18
3.1) Краткое описание наблюдательной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.18
3.2) Метрологическое обеспечение единства измерений на опорной сети ФГБУ «Северное УГМС» стр.20
4) Анализ наиболее характерных изменений эксплуатационных свойств вертушек, выявленных в процессе эксплуатации на гидрологической наблюдательной сети Северного УГМС за период с 2014 по 2019 г ст.22
5) Анализ изменений эксплуатационных характеристик акустических доплеровских профилографов (АДПТ), выявленных в процессе эксплуатации на гидрологической наблюдательной сети Северного УГМС стр.26
Заключение стр. 33
Список использованных источников стр.36
Приложения.
В современном мире пресная вода становится одним из важнейших природных ресурсов. Как известно, суммарный объём воды в гидросфере во всех агрегатных состояниях составляет около 13 87 000 000 км2. При этом доля пресной воды из этого объёма составляет лишь около 2,52%, а доступно для использования человеком (в пресных озёрах, реках и водохранилищах) всего около 0,007% от общего количества воды на Земле. Хоть и принято считать воду возобновляемым природным ресурсом, пригодной к употреблению непосредственно без дополнительной обработки (очистки, фильтрации и т. д.) воды в природе остаётся все меньше. Поэтому человечество всё острее осознаёт тот факт, что пресная вода - ресурс исчерпаемый. Наиболее сильно испытывают дефицит пресной воды регионы, где в силу географических особенностей расположено мало водоёмов. Кроме того, непрерывный рост населения Земли, и соответственно, рост потребления продуктов питания, промышленной продукции, энергии; усиливает нагрузку на мировые запасы пресной воды. В качестве примера можно привести данные из последнего, четвёртого доклада Всемирной программы ООН по оценке водных ресурсов (WWRD4) [5]:
«...Предполагается, что к 2050 году мировой спрос на продовольствие увеличится на 70%. Согласно экспертным оценкам, к 2050 году мировое потребление воды сельским хозяйством (как орошаемым, так и неорошаемым) вырастет примерно на 19%. Рост водопотребления для орошения в значительной мере придется на регионы, уже страдающие от нехватки воды. Снабжение питьевой водой стран Черной Африки едва удовлетворяет 60% спроса. В сельской местности этот показатель вырос в 2008 году до 47%, но в городах он остается на уровне чуть более 80% с 1990 года. В Европе около 120 млн человек не имеют доступа к чистой питьевой воде и еще больше лишены доступа к канализации, что приводит к увеличению числа заболеваний, передаваемых через воду.»
Можно сказать, что живущим на территории Российской Федерации с водой повезло. По данным, приведенным в «Гидрологии суши» А. М. Догановского [10], величина возобновляемых водных запасов (речного стока и его подземной составляющей) на территории РФ оценивается примерно в 4348 км3/год. Из этого количества порядка 4113 км3/год сформировано в водоносных бассейнах внутри страны и 235 км3/год - приток с сопредельных территорий. Однако, реальность такова, что в РФ существует масса проблем в сфере водопользования и водного хозяйства. Для примера привожу выдержки из «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года» [1]:
«...Свыше 4,8 куб. км воды в год теряется в орошаемом земледелии из-за низкого технического уровня и значительной степени износа мелиоративных систем и гидротехнических сооружений, около 3 куб. км в год, или более 20 процентов общего объема поданной в водопроводную сеть воды, теряется в системах централизованного водоснабжения из-за их неудовлетворительного технического состояния. Каждый второй житель Российской Федерации вынужден использовать для питьевых целей воду, не соответствующую по ряду показателей установленным нормативам, почти треть населения страны пользуется источниками водоснабжения без соответствующей водоподготовки, население ряда регионов страдает от недостатка питьевой воды и отсутствия связанных с этим надлежащих санитарно-бытовых условий проживания. площадь паводкоопасных территорий составляет в РФ около 400 тыс. кв. км, из которых ежегодно затапливаются до 50 тыс. кв. км. Затоплению подвержены отдельные территории 746 городов, в том числе более 40 крупных, тысячи населенных пунктов с населением около 4,6 млн. человек, хозяйственные объекты, более 7 млн. га сельскохозяйственных угодий. В течение последних нескольких лет ежегодный ущерб от наводнений составлял около 2 млрд. рублей в год. В зонах опасного разрушения берегов в России находится 450 населенных пунктов. Риск наводнений и иного негативного воздействия вод будет сохраняться и усиливаться в будущем в связи с учащением опасных гидрологических явлений в новых климатических условиях и продолжающимся антропогенным освоением территорий, что требует реализации мероприятий по строительству сооружений инженерной защиты и использованию принципиально новых подходов в рамках решения задач по защите населения и объектов экономики.»
Критически осмысливая современные реалии в сфере водопользования и водопотребления, неизбежно приходим к выводу о настоятельной необходимости усиления внимания к методикам учета и планирования использования водных запасов, разработки новых эффективных механизмов взаимодействия человека и гидросферы.
Для решения всего спектра задач по разработке эффективных методов прогнозирования и расчетов гидрологических характеристик, необходимых в текущей и перспективной деятельности в области водопользования, отечественной гидрологии требуется обширная исходная информация. Сбор и обработка систематической информации о режимных характеристиках водных объектов в РФ возложена на государственную гидрологическую стационарную сеть наблюдений Росгидромета.
Для выполнения поставленных перед ней задач по обеспечению потребителей всеми видами необходимой информации (режимной, оперативной, исторической), наблюдательная сеть Росгидромета оснащается широким спектром измерительных приборов и комплексов.
В настоящей работе будет выполнен анализ изменения эксплуатационных характеристик гидрологических приборов на примере одного из крупнейших управлений Росгидромета - Северного УГМС. Цель проведения анализа - возможность оценки развития технической оснащённости наблюдательной сети. Подобная оценка может быть полезной при разработке мероприятий, планируемых для выполнения в рамках федеральных целевых программ, которые придут на смену ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса РФ в 2012 - 2020 годах».
«...Предполагается, что к 2050 году мировой спрос на продовольствие увеличится на 70%. Согласно экспертным оценкам, к 2050 году мировое потребление воды сельским хозяйством (как орошаемым, так и неорошаемым) вырастет примерно на 19%. Рост водопотребления для орошения в значительной мере придется на регионы, уже страдающие от нехватки воды. Снабжение питьевой водой стран Черной Африки едва удовлетворяет 60% спроса. В сельской местности этот показатель вырос в 2008 году до 47%, но в городах он остается на уровне чуть более 80% с 1990 года. В Европе около 120 млн человек не имеют доступа к чистой питьевой воде и еще больше лишены доступа к канализации, что приводит к увеличению числа заболеваний, передаваемых через воду.»
Можно сказать, что живущим на территории Российской Федерации с водой повезло. По данным, приведенным в «Гидрологии суши» А. М. Догановского [10], величина возобновляемых водных запасов (речного стока и его подземной составляющей) на территории РФ оценивается примерно в 4348 км3/год. Из этого количества порядка 4113 км3/год сформировано в водоносных бассейнах внутри страны и 235 км3/год - приток с сопредельных территорий. Однако, реальность такова, что в РФ существует масса проблем в сфере водопользования и водного хозяйства. Для примера привожу выдержки из «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года» [1]:
«...Свыше 4,8 куб. км воды в год теряется в орошаемом земледелии из-за низкого технического уровня и значительной степени износа мелиоративных систем и гидротехнических сооружений, около 3 куб. км в год, или более 20 процентов общего объема поданной в водопроводную сеть воды, теряется в системах централизованного водоснабжения из-за их неудовлетворительного технического состояния. Каждый второй житель Российской Федерации вынужден использовать для питьевых целей воду, не соответствующую по ряду показателей установленным нормативам, почти треть населения страны пользуется источниками водоснабжения без соответствующей водоподготовки, население ряда регионов страдает от недостатка питьевой воды и отсутствия связанных с этим надлежащих санитарно-бытовых условий проживания. площадь паводкоопасных территорий составляет в РФ около 400 тыс. кв. км, из которых ежегодно затапливаются до 50 тыс. кв. км. Затоплению подвержены отдельные территории 746 городов, в том числе более 40 крупных, тысячи населенных пунктов с населением около 4,6 млн. человек, хозяйственные объекты, более 7 млн. га сельскохозяйственных угодий. В течение последних нескольких лет ежегодный ущерб от наводнений составлял около 2 млрд. рублей в год. В зонах опасного разрушения берегов в России находится 450 населенных пунктов. Риск наводнений и иного негативного воздействия вод будет сохраняться и усиливаться в будущем в связи с учащением опасных гидрологических явлений в новых климатических условиях и продолжающимся антропогенным освоением территорий, что требует реализации мероприятий по строительству сооружений инженерной защиты и использованию принципиально новых подходов в рамках решения задач по защите населения и объектов экономики.»
Критически осмысливая современные реалии в сфере водопользования и водопотребления, неизбежно приходим к выводу о настоятельной необходимости усиления внимания к методикам учета и планирования использования водных запасов, разработки новых эффективных механизмов взаимодействия человека и гидросферы.
Для решения всего спектра задач по разработке эффективных методов прогнозирования и расчетов гидрологических характеристик, необходимых в текущей и перспективной деятельности в области водопользования, отечественной гидрологии требуется обширная исходная информация. Сбор и обработка систематической информации о режимных характеристиках водных объектов в РФ возложена на государственную гидрологическую стационарную сеть наблюдений Росгидромета.
Для выполнения поставленных перед ней задач по обеспечению потребителей всеми видами необходимой информации (режимной, оперативной, исторической), наблюдательная сеть Росгидромета оснащается широким спектром измерительных приборов и комплексов.
В настоящей работе будет выполнен анализ изменения эксплуатационных характеристик гидрологических приборов на примере одного из крупнейших управлений Росгидромета - Северного УГМС. Цель проведения анализа - возможность оценки развития технической оснащённости наблюдательной сети. Подобная оценка может быть полезной при разработке мероприятий, планируемых для выполнения в рамках федеральных целевых программ, которые придут на смену ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса РФ в 2012 - 2020 годах».
Выполненный в данной работе анализ изменений эксплуатационных характеристик гидрологических приборов на примере ФГБУ «Северное УГМС» позволяет сделать ряд выводов, относительно приборов, которыми оснащена наблюдательная сеть Росгидромета в настоящее время, а также внести некоторые предложения о дальнейшей стратегии в области оснащения приборами опорной сети Росгидромета.
Так, в Главе 4 был проведён анализ наиболее характерных неисправностей вертушек речных всех типов, которые используются для измерений на сети ФГБУ «Северное УГМС» в настоящее время. Оказалось, что самое большое количество отказов вертушек по причине снижения их эксплуатационных свойств - у вертушек последнего поколения ИСВП ГР-21М1. Если взять в расчёт общее количество вертушек этого типа, поступившее в наблюдательные подразделения Северного УГМС, приблизительно 500 единиц, то 54 вертушки, списанные по двум причинам за период в пять лет - это достаточно много. Очевидно, следует провести дополнительное исследование причин столь высокого процента отказов вертушек с привлечением методов из арсенала дефектоведения и материаловедения и по другим УГМС Росгидромета. По итогам такого исследования можно будет сделать предложения по внесению изменений в действующий ГОСТ или дать рекомендации Производителю.
Что касается относительно большого количества списания вертушек из-за вышедшего из строя жидкокристаллического табло у ИСО-1, можно уже сейчас обратиться к Производителю с предложением доработать схему индикации ИСО-1, внеся соответствующие требования в техническое задание. Так, можно выполнить схему индикации в виде матрицы из светодиодов (они надёжнее жидкокристаллических панелей при низких температурах и им не страшна солнечная радиация); или сделать информационные панели в виде сменного модуля.
В Главе 5 были рассмотрены изменения эксплуатационных характеристик имеющихся на сети Северного УГМС профилографов различных типов. Профилографы в настоящее время нельзя назвать массовым прибором, в Северном УГМС сейчас их около 18 - 20. Это связано с их достаточно большой стоимостью; технической сложностью, из-за которой использовать их могут лишь вы-сококвалифицированные специалисты; а также низким межповерочным интервалом в один год и сложностями с их поверкой (их необходимо ежегодно отправлять в ФГБУ ГГИ). Из недостатков можно упомянуть проблемы с ремонтом профилографов, так как большинство из них производятся в странах, у которых РФ - в санкционных списках. Вместе с тем, у профилографов есть несколько неоспоримых достоинств по сравнению с вертушками:
- с их помощью возможно измерять расходы даже на пике половодья. На практике в настоящее время это позволяет на многих наблюдательных пунктах уточнить кривые расходов при паводочных уровнях, на которых расходы до этого не измерялись. Пример приведён в «Приложении Н.1», на графике кривой расходов воды на ГМС Емецк красным кружком отмечены измерения, выполненные практически на пике весеннего половодья 2018 г. Как видно - они хорошо укладываются на кривую.
- измерение расхода намного менее трудоёмкое, чем с вертушкой. Скорость измерения расхода в два - два с половиной раза меньше, чем с вертушкой.
- профиль измеряемого сечения освещается намного более подробно, чем обычно с вертушкой.
Общий вывод об использовании профилографов и изменении их эксплуатационных свойств на примере Северного УГМС таков: приборы это безусловно востребованные в гидрологических измерениях и способные значительно облегчить повседневный труд гидрологов. При условии бережного обращения и грамотной эксплуатации они способны отработать значительный срок без по¬ломок. С другой стороны, перечисленные недостатки: завышенная стоимость, отсутствие принципиальных схем, зарубежное происхождение, относительно небольшой межповерочный интервал, трудности с поверкой, трудности с ремонтом, можно решить при условии разработки для нужд российской науки линейки отечественных приборов измерения скорости потока на принципах доплеровского смещения. Возможно, неплохим прибором станет профилометр на базе ЛИСП «АРГО» после соответствующей доработки. Для устранения безальтернативности, следует также разместить тендер на разработку проектной документации для производства профилографа на отечественной базе, возможно на одном из ФГУП оборонной промышленности.
Таким образом, в настоящей работе произведён количественный и качественный анализ изменения эксплуатационных характеристик гидрологических приборов на примере Северного УГМС, сделана оценка развития технической оснащённости наблюдательной сети. Сделаны предложения по улучшению состояния парка приборов на сети. Подводя итоги, можно считать, что задачи и цели, поставленные в работе, выполнены.
Так, в Главе 4 был проведён анализ наиболее характерных неисправностей вертушек речных всех типов, которые используются для измерений на сети ФГБУ «Северное УГМС» в настоящее время. Оказалось, что самое большое количество отказов вертушек по причине снижения их эксплуатационных свойств - у вертушек последнего поколения ИСВП ГР-21М1. Если взять в расчёт общее количество вертушек этого типа, поступившее в наблюдательные подразделения Северного УГМС, приблизительно 500 единиц, то 54 вертушки, списанные по двум причинам за период в пять лет - это достаточно много. Очевидно, следует провести дополнительное исследование причин столь высокого процента отказов вертушек с привлечением методов из арсенала дефектоведения и материаловедения и по другим УГМС Росгидромета. По итогам такого исследования можно будет сделать предложения по внесению изменений в действующий ГОСТ или дать рекомендации Производителю.
Что касается относительно большого количества списания вертушек из-за вышедшего из строя жидкокристаллического табло у ИСО-1, можно уже сейчас обратиться к Производителю с предложением доработать схему индикации ИСО-1, внеся соответствующие требования в техническое задание. Так, можно выполнить схему индикации в виде матрицы из светодиодов (они надёжнее жидкокристаллических панелей при низких температурах и им не страшна солнечная радиация); или сделать информационные панели в виде сменного модуля.
В Главе 5 были рассмотрены изменения эксплуатационных характеристик имеющихся на сети Северного УГМС профилографов различных типов. Профилографы в настоящее время нельзя назвать массовым прибором, в Северном УГМС сейчас их около 18 - 20. Это связано с их достаточно большой стоимостью; технической сложностью, из-за которой использовать их могут лишь вы-сококвалифицированные специалисты; а также низким межповерочным интервалом в один год и сложностями с их поверкой (их необходимо ежегодно отправлять в ФГБУ ГГИ). Из недостатков можно упомянуть проблемы с ремонтом профилографов, так как большинство из них производятся в странах, у которых РФ - в санкционных списках. Вместе с тем, у профилографов есть несколько неоспоримых достоинств по сравнению с вертушками:
- с их помощью возможно измерять расходы даже на пике половодья. На практике в настоящее время это позволяет на многих наблюдательных пунктах уточнить кривые расходов при паводочных уровнях, на которых расходы до этого не измерялись. Пример приведён в «Приложении Н.1», на графике кривой расходов воды на ГМС Емецк красным кружком отмечены измерения, выполненные практически на пике весеннего половодья 2018 г. Как видно - они хорошо укладываются на кривую.
- измерение расхода намного менее трудоёмкое, чем с вертушкой. Скорость измерения расхода в два - два с половиной раза меньше, чем с вертушкой.
- профиль измеряемого сечения освещается намного более подробно, чем обычно с вертушкой.
Общий вывод об использовании профилографов и изменении их эксплуатационных свойств на примере Северного УГМС таков: приборы это безусловно востребованные в гидрологических измерениях и способные значительно облегчить повседневный труд гидрологов. При условии бережного обращения и грамотной эксплуатации они способны отработать значительный срок без по¬ломок. С другой стороны, перечисленные недостатки: завышенная стоимость, отсутствие принципиальных схем, зарубежное происхождение, относительно небольшой межповерочный интервал, трудности с поверкой, трудности с ремонтом, можно решить при условии разработки для нужд российской науки линейки отечественных приборов измерения скорости потока на принципах доплеровского смещения. Возможно, неплохим прибором станет профилометр на базе ЛИСП «АРГО» после соответствующей доработки. Для устранения безальтернативности, следует также разместить тендер на разработку проектной документации для производства профилографа на отечественной базе, возможно на одном из ФГУП оборонной промышленности.
Таким образом, в настоящей работе произведён количественный и качественный анализ изменения эксплуатационных характеристик гидрологических приборов на примере Северного УГМС, сделана оценка развития технической оснащённости наблюдательной сети. Сделаны предложения по улучшению состояния парка приборов на сети. Подводя итоги, можно считать, что задачи и цели, поставленные в работе, выполнены.