Динамика течения потока в оросительных каналах земляного русла

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Одним из важнейших вопросов в мире является рациональное использование водных ресурсов, создание технологии безопасной эксплуатации гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, совершенствование методов повышения эффективности и надежности, а также разработка методов прогнозирования гидравлических процессов в открытых руслах. В этой связи особое значение имеет повышение эксплуатационной надёжности оросительных каналов, совершенствование методов расчета кинематических и динамических характеристик двухфазного турбулентного потока в оросительных каналах в земляном русле. В Азии, Африке, Европе, Латинской Америке, Канаде, США и в других развитых государствах особое внимание уделяется разработке эффективных методов проектирования оросительных каналов устойчивого сечения, повышению гидравлической эффективности каналов, а также обеспечению их эксплуатационной надёжности. В мире особое внимание уделяется целенаправленным научно-исследовательским работам, посвященным разработке методов прогнозирования деформационных процессов, внедрение надёжных и эффективных технологий в открытых руслах. В этой связи, одной из основных задач является разработка новых методов и технологий повышения пропускной и транспортирующей способности оросительных каналов, а также уменьшение деформационных процессов в статически и динамически устойчивых каналах с учетом кинематических и динамических параметров турбулентного потока. В настоящее время в республике ведутся обширные исследования, направленные на создание новых методов гидравлического расчета оросительных каналов, изучению факторов, влияющих на совершенствование рекомендаций, обеспечивающих эффективную эксплуатацию оросительных каналов, а также определение их условий внедрения. В стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 гг. поставлены задачи, том числе «...сокращение энергоемкости и ресурсоемкости экономики, широкое внедрение в производство энергосберегающих технологий, дальнейшее улучшение мелиоративного состояния орошаемых земель, развитие сети мелиоративных и ирригационных объектов»1. В решении данных задач важное значения имеет проведение научно-исследовательских работ, направленных на разработку рациональных методов проектирования и эффективной эксплуатации на основе учета факторов, влияющих на формирование статически и динамически устойчивых оросительных каналов в земляном русле. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указах Президента Республики Узбекистан от 7 февраля 2017 года У П-4947 «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», от 27 ноября 2017 года УП-3405 «О Государственной программе развития ирригации и улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель на период 2018-2019 годы» и от 25 сентября 2017 года ПП-3405 «О мерах по дальнейшему совершенствованию системы охраны водных объектов», а также в других нормативно - правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является совершенствование оптимальных гидравлических элементов каналов в земляном русле, с учетом кинематики и динамики турбулентного потока Научная новизна дессертационного исследования заключается в следующем: усовершенствовано уравнение турбулентного движения потока с учетом мутности потока в открытых руслах; разработан алгоритм расчета формирования устойчивого сечения каналов в земляных руслах, с учетом взаимовлияния турбулентного потока и русла; разработан метод расчета гидравлических элементов оросительных каналов в земляном русле, с учетом характеристики грунта ложа русла; разработан метод расчета распределения скоростей по живому сечению потока в статически и динамически устойчивых каналах, с учетом кинематики и динамики турбулентного потока; усовершенствован метод гидравлического расчета оросительных каналов на основе полученных новых и обобщенных данных натурных исследований; усовершенствован метод определения относительной ширины деформируемых оросительных каналов на основе параметров, обеспечивающих гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность каналов. Заключение Результаты проведенных исследований по теме докторской (DSc) диссертации “Динамика течения потока в оросительных каналах земляного русла” состоят в следующем: 1. Выполненный обзор теоретических и экспериментальных разработок показывает, что одним из наиболее важных и сложных вопросов проектирования, строительства и обеспечения надёжной эксплуатации оросительных каналов является комплексное решение задачи по определению формы сечения каналов с учетом взаимного влияния турбулентного потока и грунта ложа русла (Сертификат, DGU 02086). Данные исследования дают возможность в широком диапозоне оценить деформационный процесс и определение параметров потока в оросительных каналах. 2. На основе анализа и обобщения, имеющихся теоретических и экспериментальных исследований в области динамики русловых потоков усовершенствована математическая модель, описывающая установившееся движение потока в открытых руслах, с учетом насыщения потока наносами. В результате создается возможность взаимосвязи формирования параметров русла и потока в статически и динамически устойчивых сечениях каналов. 3. Разработана методика расчета формирования поля скоростей в статически и динамически устойчивых каналах с учетом турбулентных характеристик и наличия взвешенных наносов в потоке. Обоснована данными натурных исследований возможность использования предложенных методов для практических расчетов (Сертификат, DGU 004730). Разработанные аналитические формулы дают возможность определения значения параметров потока. 4. Развивая концепции взаимовлияния формы сечения русла с кинематической структурой потока, разработана математическая модель, позволяющая оценить кинематическую структуру турбулентного потока для статически и динамически устойчивых сечений каналов. В результате создаётся возможност расчета поля скоростей в статически и динамически устойчивых каналах. 5. Методика расчета формирования поля скоростей потока апробирована по данным натурных измерений и экспериментальных исследовании различных авторов, а также по натурным данным автора на каналах Ташкент, Паркент, БФК, Миришкор, Энасай, Рисовый, Май-жап, Бес-жап, и Торт-сага. В результате появилась возможность повышение точности измерение расхода воды на 4-6% и оперативности замеров на оросительных каналах в 4-6 раз. 6. На основе анализа лабораторных и натурных данных ряда исследователей, а также натурных измерений автора на оросительных каналах Ташкент, Паркент, БФК, Миришкор, Энасай, Рисовый, Май-жап, Бес-жап, Торт-сага и др. разработана методика кинематических и морфометрических параметров потока в статически и динамически устойчивых оросительных каналах в земляном русле (Сертификат, DGU 02085). Проведены сравнительный и сопоставительный анализы результатов расчета по предложенным методам расчета с натурными и лабораторными данными (Е.К.Рабковой, Р.М.Каримова, Х.Х.Ишанова, М.М.Селяметова и др). В результате на основе универсальных характеристик каналов создана, возможность определения оптимальных гидравлических параметров (0, Ь, х,ш). 7. Описано и анализировано техническое состояние ряда оросительных каналов (Ташкент, Паркент, Хандам, БФК, Миришкор, Кегейли, Каттагар, Май-жап, Бес-жап, Торт-сага и т.д.) с точки зрения гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности, работающих в разных климатических и грунтовых условиях, а также режимах их эксплуатации. В результате на основе универсальных характеристик каналов создана возможность определения оптимальных гидравлических параметров. 8. Развивая методы определения морфометрических параметров каналов устойчивого сечения предложена новая аналитическая зависимость для определения относительной ширины оросительных каналов в земляном русле, обеспечивающая гидравлическую эффективность и эксплуатационную надёжность оросительных каналов в земляном русле, что дает возможность определения относительной ширины оросительных каналов (Сертификат, DGU 04573). 9. По результатам выполненных исследований разработаны методы и рекомендации по расчету гидравлических параметров потока и формирования статически и динамически устойчивых русел каналов в связных и несвязных грунтах с учетом гидравлических и гидрогеологических условий. В результате обеспечивается эксплуатационная надежность и гидравлическая эффективность оросительных каналов. 10. Полученные результаты и методы расчета в виде рекомендаций приняты к внедрению Бассейновым управлением «Чирчик-Ахангаран», «Аму-Кашкадарья», «Назови-Амударья» и управлением ирригационных систем «Миришкор», «Паркент-Корасув», Управлением магистральных каналов Ташкент и БФК, Ожидаемая экономическая эффективность составляет 80,0 млн. сум в год.