Помощь студентам в учебе
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ТЕЧЕНИЙ В ЗАДАЧАХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ВНЕДРЕНИЕ ПРОФИЛОГРАФОВ В ГИДРОМЕТРИЮ 5
2. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОФИЛОГРАФА В ЦЕЛЯХ МОНИТОРИНГА ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 9
2.1 Метод движущегося судна 9
2.1.1 Измерения расхода на перетяжке 10
2.1.2 Измерения расхода вброд 11
2.1.3 Измерения расхода радиоуправляемым катером 12
2.1.4 Измерения расхода с дистанционной гидрометрической установки 13
2.1.5 Измерения расхода с моста 14
2.1.6 Измерения расхода с катера 14
2.2 Метод секций 16
2.3 Метод горизонтального профилографирования 20
3 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОД ВОДЫ АДПТ 26
3.1 Теоретические основы 26
3.2 Погрешность измерения ширины потока 27
3.4 Погрешность измерения глубины потока 33
3.5 Общая погрешность 34
ВЫВОДЫ 40
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 41
1 ВНЕДРЕНИЕ ПРОФИЛОГРАФОВ В ГИДРОМЕТРИЮ 5
2. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОФИЛОГРАФА В ЦЕЛЯХ МОНИТОРИНГА ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 9
2.1 Метод движущегося судна 9
2.1.1 Измерения расхода на перетяжке 10
2.1.2 Измерения расхода вброд 11
2.1.3 Измерения расхода радиоуправляемым катером 12
2.1.4 Измерения расхода с дистанционной гидрометрической установки 13
2.1.5 Измерения расхода с моста 14
2.1.6 Измерения расхода с катера 14
2.2 Метод секций 16
2.3 Метод горизонтального профилографирования 20
3 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОД ВОДЫ АДПТ 26
3.1 Теоретические основы 26
3.2 Погрешность измерения ширины потока 27
3.4 Погрешность измерения глубины потока 33
3.5 Общая погрешность 34
ВЫВОДЫ 40
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 41
Государственный мониторинг водных объектов представляет собой систему наблюдения оценки и прогноза состояния водных объектов, который осуществляют стационарные и подвижные пункты наблюдений государственной наблюдательной сети Росгидромета (ГНС). [Водный кодекс Российской Федерации ], [РД 52.04.567-2003]. Наблюдения регламентированы наставлениями по гидрометеорологическим станциям и постам [Наставление гидрометеорологическим станциям и постам], а также иными руководящими документами Росгидромета [Р 52.08.904-2020]. Существует целый ряд видов наблюдений, в частности: гидрологические на болотах, гидрологические на реках и каналах, гидрометеорологические на озёрах и водохранилищах. Для наблюдений на реках и каналах основной определяемой характеристикой является речной сток, который рассчитывается по результатам измерения расхода воды, определяемый преимущественно методом скорость-площадь гидрометрической вертушкой или поплавками. Процесс измерения предполагает наличие разного рода гидрометрических устройств (лодочные и люлечные переправы) и занимает продолжительное время.
Постепенно происходит уменьшение престижа профессии наблюдателя в связи с уменьшением конкурентоспособности заработной платы, оттока сельского населения из деревень, что определяет необходимость автоматизации наблюдений. В связи с этим была проведена модернизация Росгидромета и поставка оборудования [РД 52.08.870-2017].
Одной из основных инноваций в процессе модернизации стало создание мобильных гидрологических лабораторий (МГЛ), в задачи которых ставится обслуживание нескольких гидрологических постов, работающих в автономном (полуавтономном) режимах с измерением расхода воды, что позволяет уйти от классических измерений на гидрологических постах с постоянным наблюдателем. Для того чтобы выполнить больший объём работы составу МГЛ необходимо измерять расходы воды оперативно, что почти невозможно сделать при помощи гидрометрической вертушки. Единственный способ – применение акустических доплеровских профилографов течения (далее АДПТ или профилограф). В период модернизации на ГНС были поставлены как переносные профилографы, так и профилографы стационарного и бесконтактного позиционирования для апробации и определения необходимости внедрения в сеть мониторинга водных объектов.
Для более мягкого внедрения автоматизированных устройств, в том числе АДПТ, в рамках модернизации были разработаны следующие нормативные документы:
– «РД 52.08.767–2012. Расход воды на водотоках. Методика измерений акустическими доплеровскими профилографами «Stream Pro» и «Rio Grande»» [РД 52.08.767–2012];
– «РД 52.08.869-2017. Методика измерений уровня воды в водоемах и водотоках автоматизированными гидрологическими комплексами»; [Р 52.08.904-2020., 2020]
– «РД 52.08.897-2020. Производство наблюдений приборным комплексом мобильной гидрологической лаборатории» [РД 52.08.897–2020., 2020];
– «Р 52.08.870-2017. Рекомендации. Оптимизация программ наблюдений в условиях внедрения новых средств измерений на гидрологической сети» [РД 52.08.870-2017];
– «Р 52.08.904-2020. Рекомендации. Проведение наблюдений за температурой воды и состоянием водного объекта автоматизированными гидрологическими комплексами» [Р 52.08.904-2020., 2020];
– «Р 52.08.930-2023. Рекомендации. Измерение расхода воды методами ионного паводка и постоянного пуска солевого раствора» [Р 52.08.930-2023., 2023].
Однако, данные документы не полностью отражают специфику применения профилографов для целей гидрологического мониторинга. Цель данной работы – анализ эффективности применения АДПТ в мониторинге гидрологических параметров и подготовка рекомендаций по совершенствованию методик их применения.
Задачи работы:
1. Оценка эффективности применения АДПТ на ГНС;
2. Рассмотрение методик и приёмов измерений расходов воды при помощи АДПТ
3. Расчёт погрешности измерения расхода воды профилографом;
4. Анализ преимуществ и недостатков применения профилографов;
5. Подготовка дополнительных рекомендаций по применению профилографов для целей мониторинга гидрологических параметров.
Постепенно происходит уменьшение престижа профессии наблюдателя в связи с уменьшением конкурентоспособности заработной платы, оттока сельского населения из деревень, что определяет необходимость автоматизации наблюдений. В связи с этим была проведена модернизация Росгидромета и поставка оборудования [РД 52.08.870-2017].
Одной из основных инноваций в процессе модернизации стало создание мобильных гидрологических лабораторий (МГЛ), в задачи которых ставится обслуживание нескольких гидрологических постов, работающих в автономном (полуавтономном) режимах с измерением расхода воды, что позволяет уйти от классических измерений на гидрологических постах с постоянным наблюдателем. Для того чтобы выполнить больший объём работы составу МГЛ необходимо измерять расходы воды оперативно, что почти невозможно сделать при помощи гидрометрической вертушки. Единственный способ – применение акустических доплеровских профилографов течения (далее АДПТ или профилограф). В период модернизации на ГНС были поставлены как переносные профилографы, так и профилографы стационарного и бесконтактного позиционирования для апробации и определения необходимости внедрения в сеть мониторинга водных объектов.
Для более мягкого внедрения автоматизированных устройств, в том числе АДПТ, в рамках модернизации были разработаны следующие нормативные документы:
– «РД 52.08.767–2012. Расход воды на водотоках. Методика измерений акустическими доплеровскими профилографами «Stream Pro» и «Rio Grande»» [РД 52.08.767–2012];
– «РД 52.08.869-2017. Методика измерений уровня воды в водоемах и водотоках автоматизированными гидрологическими комплексами»; [Р 52.08.904-2020., 2020]
– «РД 52.08.897-2020. Производство наблюдений приборным комплексом мобильной гидрологической лаборатории» [РД 52.08.897–2020., 2020];
– «Р 52.08.870-2017. Рекомендации. Оптимизация программ наблюдений в условиях внедрения новых средств измерений на гидрологической сети» [РД 52.08.870-2017];
– «Р 52.08.904-2020. Рекомендации. Проведение наблюдений за температурой воды и состоянием водного объекта автоматизированными гидрологическими комплексами» [Р 52.08.904-2020., 2020];
– «Р 52.08.930-2023. Рекомендации. Измерение расхода воды методами ионного паводка и постоянного пуска солевого раствора» [Р 52.08.930-2023., 2023].
Однако, данные документы не полностью отражают специфику применения профилографов для целей гидрологического мониторинга. Цель данной работы – анализ эффективности применения АДПТ в мониторинге гидрологических параметров и подготовка рекомендаций по совершенствованию методик их применения.
Задачи работы:
1. Оценка эффективности применения АДПТ на ГНС;
2. Рассмотрение методик и приёмов измерений расходов воды при помощи АДПТ
3. Расчёт погрешности измерения расхода воды профилографом;
4. Анализ преимуществ и недостатков применения профилографов;
5. Подготовка дополнительных рекомендаций по применению профилографов для целей мониторинга гидрологических параметров.
В результате работы были выполнены следующие задачи:
1. Произведена оценка эффективности применения АДПТ на ГНС. Показана низкая вовлеченность использования АДПТ на ГНС. Доля измеренных расходов при помощи АДПТ составляет 2.5 %, в зимний период менее 1 %, а в летний не превышает 5 %;
2. Рассмотрены методы и приёмы измерений расходов воды при помощи АДПТ. Основной метод – это измерение методом движущегося судна, который насчитывает множество приёмов для измерения, такие как измерение с моста, вброд, на перетяжке и д.р., второй метод – это метод секций, который позволяет производить измерения расходов воды при помощи АДПТ в период ледостава. Наименее распространён метод горизонтального профилографирования, позволяющий проводить непрерывные измерения скоростного потока в течение всего года без дополнительного привлечения персонала, но требует проведения калибровочных измерений расхода воды;
2. Произведён расчёт погрешности измерения расхода воды профилографом. Случайные погрешности в среднем составляют 15 %. Показано влияние погрешности параметров на доверительную погрешность расхода воды. Наибольшее влияние оказывает погрешность средней скорости потока, затем погрешность ширины потока и наименьшее – погрешность определения глубины потока.
3. Анализ преимуществ и недостатков применения профилографов позволил выявить следующие преимущества:
- Безопасность проведения работ;
- Скорость проведения работ на больших реках шириной от 150 м;
- Автоматический расчёт расхода воды;
- Значительное уменьшение человеческого фактора;
- Возможность контроля первичной информации, лицами, не принимающими участия в измерении;
- Увеличение точности измерения за счёт большего охвата скоростного поля;
- Регистрация скоростей менее 0,04 м/с;
- Получение данных в реальном времени.
А также следующие недостатки:
- Оборудование является дорогостоящим и его массовое производство, и ремонт не налажены в РФ;
- Для работы с АДПТ возникает необходимость в технически грамотном персонале;
- АДПТ весьма ограничен в измерениях на малых глубинах и в зависимости от модели минимальная глубина на которой происходит регистрация скоростей изменяется от 0,3 до 1,8 м;
4. Подготовка дополнительных рекомендаций по применению профилографов для целей мониторинга гидрологических параметров:
- На гидрологических постах, где используется АДПТ в летнее время необходимо внедрить методику измерения методом секций в подлёдном режиме. Введение метода секций позволит оптимизировать измерения в период ледостава;
- Для горизонтального профилографа требуются регулярные сравнительные измерения для уточнения переходных функций от измеренной скорости к средней и от уровня к площади сечения;
- Процент использующихся АДПТ на ГНС должен возрасти за счёт увеличения числа МГЛ на базе региональных управлений Росгидромета.
Представленное исследование позволяет предлагает рекомендации, которые способны повысить качество, безопасность, оперативность измерений расходов воды на ГНС.
1. Произведена оценка эффективности применения АДПТ на ГНС. Показана низкая вовлеченность использования АДПТ на ГНС. Доля измеренных расходов при помощи АДПТ составляет 2.5 %, в зимний период менее 1 %, а в летний не превышает 5 %;
2. Рассмотрены методы и приёмы измерений расходов воды при помощи АДПТ. Основной метод – это измерение методом движущегося судна, который насчитывает множество приёмов для измерения, такие как измерение с моста, вброд, на перетяжке и д.р., второй метод – это метод секций, который позволяет производить измерения расходов воды при помощи АДПТ в период ледостава. Наименее распространён метод горизонтального профилографирования, позволяющий проводить непрерывные измерения скоростного потока в течение всего года без дополнительного привлечения персонала, но требует проведения калибровочных измерений расхода воды;
2. Произведён расчёт погрешности измерения расхода воды профилографом. Случайные погрешности в среднем составляют 15 %. Показано влияние погрешности параметров на доверительную погрешность расхода воды. Наибольшее влияние оказывает погрешность средней скорости потока, затем погрешность ширины потока и наименьшее – погрешность определения глубины потока.
3. Анализ преимуществ и недостатков применения профилографов позволил выявить следующие преимущества:
- Безопасность проведения работ;
- Скорость проведения работ на больших реках шириной от 150 м;
- Автоматический расчёт расхода воды;
- Значительное уменьшение человеческого фактора;
- Возможность контроля первичной информации, лицами, не принимающими участия в измерении;
- Увеличение точности измерения за счёт большего охвата скоростного поля;
- Регистрация скоростей менее 0,04 м/с;
- Получение данных в реальном времени.
А также следующие недостатки:
- Оборудование является дорогостоящим и его массовое производство, и ремонт не налажены в РФ;
- Для работы с АДПТ возникает необходимость в технически грамотном персонале;
- АДПТ весьма ограничен в измерениях на малых глубинах и в зависимости от модели минимальная глубина на которой происходит регистрация скоростей изменяется от 0,3 до 1,8 м;
4. Подготовка дополнительных рекомендаций по применению профилографов для целей мониторинга гидрологических параметров:
- На гидрологических постах, где используется АДПТ в летнее время необходимо внедрить методику измерения методом секций в подлёдном режиме. Введение метода секций позволит оптимизировать измерения в период ледостава;
- Для горизонтального профилографа требуются регулярные сравнительные измерения для уточнения переходных функций от измеренной скорости к средней и от уровня к площади сечения;
- Процент использующихся АДПТ на ГНС должен возрасти за счёт увеличения числа МГЛ на базе региональных управлений Росгидромета.
Представленное исследование позволяет предлагает рекомендации, которые способны повысить качество, безопасность, оперативность измерений расходов воды на ГНС.
