Устройство автоматического контроля уровня воды для мелиоративных объектов

Актуальность. Мониторинг уровневого режима открытой мелиоративной сети необходим не только для ее безопасного функционирования, но и для определения объема водоподачи в измерительных створах, оборудованных средствами водоучета. Автоматический мониторинг уровней на открытой мелиоративной сети наиболее проблематичен. На старых оросительных системах используются устаревшие средства измерений, внедрение цифровых технологий ограничивается высокой стоимостью оборудования и сложностью подвода электроэнергии к удаленным створам. Целью исследований была разработка автоматизированного цифрового комплекса для мониторинга уровня воды на открытой мелиоративной сети с питанием от возобновляемого источника энергии и испытание экспериментального образца в условиях действующей оросительной системы.
Методы. При выборе конструктивных элементов и разработке программного кода выполнен анализ условий эксплуатации, диапазонов и требуемой точности измерений; использованы методы теории программирования логических контроллеров, декомпозиции и формализации алгоритмов, структурного программирования. При испытаниях опытного образца использованы методы теории планирования эксперимента, математической статистики и теории ошибок.
Результаты. Экспериментальный образец цифрового измерительного комплекса в автоматическом режиме производит измерения температуры воздуха, атмосферного давления и расстояния до уровня свободной поверхности воды, производит их запись в память устройства и/или передачу на удаленный сервер. Для работы комплекса требуется постоянное напряжение 5 В, питание возможно от солнечной батареи и/или от аккумулятора. Испытания автоматического комплекса в водоеме при отсутствии выраженного течения и в канале с максимальной скоростью течения порядка 2,6 м/с продемонстрировали удовлетворительную точность измерений.

1. Манжина С.А., Медведева Л.Н. Современные подходы к определению экономически обоснованной стоимости подачи воды на орошение. Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2018; 2 (31): 148–170. DOI:10.31774/2222-1816-2018-3-148-170.

2. Методы измерения расхода воды на реках, каналах, в напорных трубопроводах насосных станций оросительных систем. Обзор. Межгосударственная координационная водохозяйственная комиссия Центральной Азии. Ташкент: Научно-информационный центр. 2014. 84 с.

3. Шепелев, А.Е., Юченко Л.В. Анализ средств водоизмерения на пунктах водоучета мелиоративных систем Минсельхоза России. Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019; 1 (73): 43–46.

4. Eltner A., Bressan P.O., Akiyama T., Gonçalves W.N., Marcato J. Junior.Using Deep Learning for Automatic Water Stage Measurements. Water Resources Research. 2021;57:3. DOI:10.1029/2020WR027608

5. Greswell R., Ellis P., Cuthbert M., White R., Durand V. The design and application of an inexpensive pressure monitoring system for shallow water level measurement, tensiometry and piezometry. Journal of Hydrology. 2009;373(3–4): DOI:416-425.10.1016/j.jhydrol.2009.05.001

6. Чураев А.А., Шепелев А.Е., Юченко Л.В. Оценка работоспособности испытываемого средства водоучета в диапазоне допустимой погрешности измерений. Мелиорация и гидротехника. 2022: 12 (1): 228–244. DOI:10.31774/2712-9357-2022-12-1-228-244.

7. Васильченко А.П., Шепелев А.Е., Кореновский А.М. К вопросу оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии. Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2020; 3 (39): 140–153. DOI:10.31774/2222-1816-2020-3-140-153

8. Вайнберг М.В., Чураев А.А. Основные требования, предъявляемые к средствам измерения параметров водного потока с учетом новых условий водопользования. Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2017;2(66): 249–253.

9. Van der Made J.E. Determination of the accuracy of water level observations. In Proceedings of the Exeter Symposium. IAHS Publications. 1982;134: 172–184.

10. Horner I., Renard B., Le Coz J., Branger F., McMillan H.K., Pierrefeu G. Impact of stage measurement errors on streamflow uncertainty. Water Resources Research. 2018; 54 (3): 1952–1976.

11. Sauer V.B., Turnipseed D.P. Stage, measurement at gaging stations (Tech. Methods, Book 3, chap. A7,). Reston, VA: U.S. Geological Survey. 2010. 45 pp. Retrieved from http://pubs.usgs.gov/tm/tm3-a7/

12. Жмудь В.А., Кондратьев Н.О., Кузнецов К.А., Трубин В.Г., Димитров Л.В. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04. Автоматика и программная инженерия. 2017; 4 (22): 18–26.

13. Hsien P.P., Sung C.L. A precision water-level and sediment-load monitoring system−an update. Journal of Hydrodynamics, Ser. B. 2006;18(3): 287–290. DOI:10.1016/S1001-6058(06)60067-X

14. Zhang Z., Zhou Y., Liu H., Gao H. In-situ water level measurement using NIR-imaging video camera. Flow Measurement and Instrumentation. 2019;67: 95–106. DOI:10.1016/j.flowmeasinst.2019.04.004

15. Bai G., Hou J., Zhang Y., Li B., Han H., Wang T., Hinkelmann R., Zhang D., Guo L. An intelligent water level monitoring method based on SSD algorithm. Measurement. 2021;185: DOI:110047.10.1016/j.measurement.2021.110047.