Способ управления водно-солевым режимом естественного водоема
Изобретение относится к охране окружающей среды. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет снижения расхода воды водохранилища, концентрации солей естественного водоема, а также за счет учета испарения воды в естественном водоеме. Естественный водоем разделяют плотиной на основной и дополнительный. Измеряют уровень воды в основном водоеме. Измеряют массовую долю растворенных солей в воде, поступающей из водохранилища в основной водоем. Измеряют фактический расход воды из основного водоема в дополнительный. С помощью математической формулы определяют фактический годовой расход воды. После этого рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды на испарение в основном водоеме с помощью математической формулы. Определяют годовые расходы воды из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный с помощью уравнений. После этого регулируют расходы воды из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный с помощью вычислительного устройства и исполнительных механизмов, которые управляют работой задвижек на линиях подачи воды в основной и дополнительный водоемы. 6 ил.
СОЮЗ СОВЕ ГСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЪ|Й КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4340705/15 (22) 08.12.87 (46) 23,07.91, Бюл, N. 27 (71) Ленинградский технологический институт им. Ленсовета и Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт галургии (72) В.Е,Грецов, M.È.Âåðøèíèí, И,M.Ìàëüковский, А.А,Турсунов, В.В. Кашмет. и В.И.Сахненко (53) 626.1:626.9(088,8) (56) Соколов И.Д. Галургия. — Л.: Химия, 1983, с.119, 120. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНО-СОЛЕВЫМ РЕЖИМОМ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОДОЕМА (57) Изобретение относится к охране окружающей среды, Цель изобретения — повышение эффективности способа за счет снижения расхода воды водохранилища, концентрации солей естественного водоема, а также за счет учета испарения воды в естественном водоеме. Естественный водоИзобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано, например, при управлении водно-солевым режимом озер. Цель изобретения — повышение эффективности способа за счет снижения расхода воды водохранилища, концентрации солей естественного водоема, а также за счет уче-. та испарения воды в естественном водоеме. На фиг.1 представлена схема управления прирбдным комплексом; на фиг.2 — график зависимости минералиэации воды, ., .. Ж 1664967 А1 ем разделяют плотиной на основной и дополнительный. Измеряют уровень воды в основном водоеме. Измеряют массовую долю растворенных солей в воде, поступающей иэ водохранилища в.основной водоем, Измеряют фактический расход воды из основного водоема в дополнительный. С помощью математической формулы определяют фактический годовой расход воды. После этого рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды-на испарение в основном водоеме с помощью математической формулы. Определяют годовые расходы воды иэ водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнителный с помощью уравнений, После этого регулируют расходы воды из водохранилища в основной водоем и иэ основного водоема в дополнительный с помощью вычислительного устройства и исполнительных механизмов, которые управляют работой задвижек на линиях подачи воды в основной и дополнительный водоемы: 5 ил, поступающей из основного водоема в дополнительный, от испарения воды в основном водоеме; на фиг.3 — график зависимости минерализации воды, посгупающей иэ основного водоема в дополнительный от минералиэации воды, поступающей иэ водохранилища в основной водоем; на фиг.4 — графические данные испарения воды в основном водоеме по годам; на фиг.5— графические данные минералиэации воды, поступающей в основной водоем по годам. Сущность предлагаемого способа поясняется.на исследовании естественного an1664967 доема — озера Балхаш. Для обоснования необходимости управления минерализацией воды в первой части озера проведено исследование влияния изменения массовой доли растворенных солей в воде, поступаю- 5 щей из водохранилища в озере, и испарения воды в озере, Исследование проводилось с ! помощью статической модели процесса,, Статическая модель первой части озера может быть представлена следующими урав- 10 нениями: F1 = 2+ F3+ Р4 (1) С Р1 = Q+ С4Р4, (2) где F),F2,F3,F4 — расхоДы воДы иэ воДохра, нилища в первую часть озера, на испарение 15. в первой части озера (с открытой аквато,рии), на первой части озера в отшнуровавшиеся озера и заливы, из первой части озера во вторую соответственно, т/год; С,С4 — массовая доля солей в воде, по- 20 ступающей в первую часть озера из водо- +. хранилища, и в воде, поступающей из первой части озера во вторую, соответственно, мас. доля; Q3 — расход солей в отшнуровывающие- 25 ся озера и заливы иэ первой части озера. Основным источником поступления солей в озеро является приход их с водой иэ водохранилища. По мере движения воды в первой части озера, от места поступления 30 из водохранилища до места перетока во вторую часть озера, минерализация ее уве, личивается. Процессдвижения воды в озере сопровождается испарением. Часть воды и сОлей, поступивших s оoз3еeрpоo, расходуются в 35 отшнуровывающиеся озера и заливы. Количество воды, поступающей в отшнуровывающиеся озера и заливы (при постоянном уровне воды в озере) зависит от испарения воды в озере. Чем больше испарение, тем 40 больше расход воды в отшнуровывающиеся озера и заливы. Испарение воды в прибрежной части озера, включающей B себя отшнуровывающиеся озера и заливы, больше, чем испарение в открытой акватории. Поэтому в 45 береговую зону на компенсацию испарения поступает вода, а вместе с ней и соли. Зтот процесс приводит к распреснению открытой части озера и сосредоточению солей в береговой зоне. 50 Расход воды в отшнуровывающиеся озера и заливы зависит от их площади и разности между испарением воды с открытой части озера и испарением воды в прибрежной части, что можно записать 55 следующим уравнением: F3 = (Епр - E) - зл, (3) где Епр — испарение воды с единицы площади в прибрежной части озера, т/м год; Š— испарение воды с единицы площади в открытой акватории озера, т/м год; S;-л — площадь отшнуровывающихся озер и заливов в первой части озера (основного водоема), м2. Уравнение (3) можно преобразовать к виду Рэ = КР2, (4) где К =(— — 1) Епр Язл So S — площадь первой части озера — основного водоема, (открытая. акватория). Минерализация воды, поступающей в отшнуровавшиеся озера и заливы, изменяется по длине первой асти озера от значения С> в месте поступления воды в озеро из водохранилища до значения С4 в месте подачи воды иэ первой части озера во вторую, Анализ экспериментальных данных (см. фиг.4,5) Западного Балхаша позволил сделать вывод о том, что минерализация воды, поступающей.в отшнуровывающиеся озера и заливы, по длине озера описывается уравнением вида: С = Cl + К1Х, (5) где К1 — коэффициент; Х вЂ” координата длины озера. С учетом (5) можно записать С1+ С4 Р (6) По формуле (6) рассчитывают расход солей в отшнуровывающиеся озера и заливы. Таким образом, количество солей, поступающих в отшнуровывающиеся озера и заливы, зависит как от минерализации воды, поступающей в озеро, так и от испарения воды с открытой акватории озера. С учетом изложенного, уравнения. (1) и (2) преобразуются к виду F1 = (1+ K)F2+ F4; (7) C1F1 = 0,5(С1+ С4) КР2+ С4Р4. (8) Отбор воды на народно-хозяйственные нужды из Западного Балхаша производится в непосредственной близости от места подачи воды из него во вторую часть озера (Восточный Балхаш). Минерализация воды, отбираемой на народно-хозяйственные нужды, не должна превышать заданного значения. Поэтому существует задача управления минерализацией воды в первой части озера. По модели (уравнения 7 и 8) проведено исследование влияния возмущенний по испарению воды в озере Балхаш и минерализации воды, поступающей из водохранилища в озеро, на минерализацию воды, поступающей из Западного Балхаша в Восточный Балхаш, при условии стабилии 1664967 20 (12) - (10) Fz F4— зации уровня воды в Западном Балхаше (h = 340 м над уровнем моря) и соответствующего ему постоянного перелива воды из первой части озера во вторую (F4 = 1,7 10 т/год,причем К=0,1. Результаты исследования., представленные на фиг,2 и 3, показывают, что испарения воды в озеро и минерализация воды, поступающей из водохранилища в озеро, существенно влияют на минерализацию воды, разгружаемой иэ первой части озера во вторую. Проведенные исследования показали, что стабилизация уровня воды в первой части озера не обеспечивает стабилизацию минералиэации воды в конце первой части озера (С4 = чаг) в условиях действующих возмущений. На фиг.4 и 5 представлены фактические данные изменения испарения воды из озера и минералиэации воды, поступающей в Западный Балхаш, по годам. Анализ основных возмущений показывает, что они изменяются в широких пределах. Анализ уравнений (7) и (8) показывает, что для стабилизации минерализации воды в конце первой части озера на заданном уровне (С4 = сопя) при возмущениях по испарению. воды в озеро и минерализации воды, подаваемой из водохранилища в первую часть озера, необходимо регулировать расходы воды, подаваемой в первую часть озера из водохранилища и воды, подаваемой из первой части озера во вторую. Решая уравнения (7) и (8) относительно F1 и F4, получают 0,5 С1 — C4) К вЂ”.С4 Р1 Рг, 1 4 По уравнениям (9) и (10) рассчитывают требуемые значения расходов воды в.первую часть озера из водохранилища и иэ первой части озера во вторую. В качестве параметров используются массовая доля растворенных солей в воде, подаваемой в первую часть озера из водохранилища, и количество воды, испаряющейся в первой части озера. Годовой расход воды на испарение в первой части озера можно определить, исходя из следующих рассуждений. При управлении минерализацией воды в первой части озера вследствие ошибок в определении параметров фактический уровень воды в озере может отличаться от заданного. Составляется фактическое уравнение материального баланса для первой части озера за год(с учетом фактического изменения уровня воды в озере), -5 F1t-(1+ K) ГгГ - Е4Г =(Ьф hn) Sp (11) где hgÄ h — фактический и прошлогодний уровни воды в первой части озера (основном водоеме) соответственно. м; 10 Fzr — фактический расход воды на испарение в первой части озера за год (с открытой акватории); S — плотность воды в озере; F1r F4r — фактические расходы воды 15 в первую часть озера иэ водохранилища и. из первой части озера во вторую соответстве н но, т, год. Из уравнения (11) получают F1t- F4t- Ëh1$Р F2t 1+ К Измеряя расходы воды в первую часть озера иэ водохранилища и во вторую. часть 25 озера из первой, а также уровень воды в первой части озера, по уравнению (12) определяют значение фактического расхода воды на испаречие цля первой части озера эа год, При расчете управляющих воздействий на предстоящий год по уравнениям (9) и (10) не известен расход воды на испарение в первой части озера для предстоящего года и для его определения необходимо использовать модель прогноза. В результате анализа экспериментальных данных разработана следующая полиноминальная модель прогноза годового расхода воды на испарение а Западном Балхаше Fyt +1 = 0 60Ргг + 0,50Егт -1+ 0,30a t + + 0,40at -1, (13) где Ег т +1 — прогнозируемый гсдавсй рас45 ход воды на испарение в первой части озера с открытой акватории, т/год; Fzr, Fzr -1, F 1r -1 — фактический годовой расход воды на испарение в первой части озера с открытой акватории в год прогноза. накануне и за два года до прогноза соответственно т/год; а t, at -1 — ошибка прогноза по модели в год прогноза и накануне соответственно, т/год. С учетом возможного отклонения фактического уровня воды в озере от заданного уравнения (9) и (10) для расчета расходов воды на следующий год из водохранилища в первую часть озера (F1z +1) и из первой 1664967 1 части озера ва вторую (F42 +1) преобразуют ся к виду С4 л F27 +1 п2 Sp (14 0,5(И л F2Z +1, (15) где Ь h2 - 1ф - Ьзд Ьзд — заданный уровень воды в озере, м, ! При расчете управляющих воздействий на предстоящий год по уравнениям (14) и (15) в качестве параметра С1 используется его среднегодовое значение, Способ осуществляется следующим образом (см. фиг,1). Вада из реки поступает в водохранилище 1, Естественный водоем разделяют пло- 20 тиной на основной водоем 2 и дополнительный водоем 3. Вода из водохранилища 1 поступает в основной водоем 2, а из основного водоема 2 поступает в допалн ител ьн ы и водоем 3. 25 Приборами 4 и 5 измеряют фактические годовые расходы воды (F1w и F4 t) в основной водоем и в дополнительный соответственно, Прибором 6 ежемесячно измеряют массовую долю растворенных солей в воде, поступающей в основной водоем из водохранилища. Прибором 7 ежегодно определяют уровень воды в основном водоеме, Данные от приборов 4-7. вводятся в вычислительное устройство 8. Задатчиком 9 в вы- 35 числительное устройство 8 вводится заданное значение уровня воды в основном водоеме. Исполнительные механизмы 10 и . 11 управляют работай задвижек 12 и 13 на линиях подачи воды в основной и дополни- 40 тельный водоемы соответственно. Вычислительное устройство 8 опреде-. ляет ЛМ = 11ф- hn, (17) п2=пф-hзд (18) По полученной разности Ь h1 с учетом фактических расходов воды в основной водоем из водохранилища (Е1т ) и дополнительный водоем из основного (F4t ) определяют фактический годовой расход воды на испарение в основном водоеме по уравнению (12) F1t F4z — h,h1 Sp F27 1+ К По модели рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды на испарение в основном водоеме по уравнению (13), F24+1 = 0,6 F 2m+ 0,5 F 2r -1 —.0,1 F 2r — 2 + + 0,3 at+ 0,4 ат-1 о Ежемесячно в течение года производят измерение массовой доли растворенных солей в воде, подаваемой в основной водоем. Затем определяют среднегодовое значение массовой доли растворенных солей в воде. подаваемой в основной водоем по уравнению 1 12 С1 = --1-4 g С1, (19) I-1 где С11 — массовая доля растворенных солей в воде, подаваемой в основной водоем из водохранилища, в i-й месяц,.мас. доля. По прогноэируемому значению годового расхода воды на испарение в основном водоеме (F27 +1) с учетом установленных зависимостей (Гз =- КГ2; Q = 0,5(С1 + C4) Ез, среднегодового значения массовой доли растворенных солей в воде, подаваемой из водохранилища в водоем (С1) и разности фактического значения уровня воды в основном водоеме с заданным (Л h2) определяют расходы воды на предстоящий год иэ водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный по формулам (14) и (15) соответственно л F27+1 11I >р F1Z +1— С1 — С4 л F2r+1 F47+1 С1 С4 Таким образом, при управлении учитывается влияние содержания растворенных солей вводе,,поступающей в основной водоеМ из водохранилища., на содержание солей в воде, поступающей из основного водоема в отшнуровывающиеся озера и заливы, а также влияние испарения воды в основном водоеме на расход воды, поступающей в отшнуровывающиеся озера и заливы, что особенно важно при ограниченном количестве воды в водохранилище. Пример реализации предлагаемого способа управления минерализацией воды на природном комплексе озера Балхаш, состоящем из водохранилища и озера. Для эффективного управления минерализацией воды,в Западном Балхаше необходимо озеро перегородить плотиной в районе пролива Узун-Арал. Система управления должна поддерживать минерализацию воды в конце Западного Балхаша на уровнй С4 - 0,35 мас.$ при уровне воды в нем на отметке haa-340 м над уровнем моря. 9 1664967 10 На основании экспериментальных исследований установлен. что при h = 340 м над уровнем моря К = 0,1; S = 8,4 10 м; р= =1.020 т/мз. Пусть фактические значения парамет- 5 ров: F2 t-1 = 8 10 т/год; F2t -г = 12 1г = 8, 2 1 0 т/гсд;- С11 = С12 = С15 = С112= =7 10 мас,, С1е = С1т = С1а = С11(у= =8 10 мас.%; С1з = С14 =- С111= 9 10 мас. ; а Х-1- 0,2 10 т/год; h„= 340 м над 1г 10 уровнем моря; прОгнозируемые значения параметров: F2 х - 1 = 7,8 10 т/год; F2t- 1 = =6,10 т/год. В момент времени выполнения расчетов и осуществления управляющих воздействий например в сентябре фактический уровень воды в первой части озера по пока.заниям прибора 7 Иф = 340,2 м над уровнем моря. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнениям (17) и (18) Л h1 = Мц -2 = 0,2 м. В рассматриваемый момент времени приборы 4 и 5 соответственно показали Р1Х = 010 т/год. F4 t = 2 10 т/год. Вы1З числительное устройство 8 рассчитывает фактический расход на испарение по уравНЕниа (12) F2t = 5,7 10 т/гад, Разница между ранее спрогнозированным расходом воды на испарение в первой части озера (6 10 тг/год) и фактическим его значением 12 ю (5,7 10 т/год) составляет а t = 0,3 1012 т/год. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (13) прогноэируемый расход воды на испарение F2 t +1 = 6,8 10 т/год, Пусть в рассматриваемый мо12 мент времени прибор 6 показал C1g = 9 10 мас, . Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (19) C1 = 8 10 мас., Далее вычислительное устройство 8 по уравнениям (17) и (15) рассчитывает соответственно F1 t +1 = 7,5 10 т/ год и F4t+ 1 =12 1,7 10 т/год. С вычислительного устройства 8 подаются управляющие сигналы на исполнительные механизмы 10 и 11, которые 45 перемещают задвижки 12 и 13 в положения, определяемые рассчитанными значениями F1t +1 и F4t +1(14) и (15) соответственно. Таким образом, предлагаемый способ управления позволяет стабилизировать массовую долю растворенных солей в воде, подаваемый из основного водоема в дополнительный на заданном уровне за счет учета расходов воды и солей в отшнуровывэющиеся озера и заливы. 55 Формула изобретения Способ управления водно-солевым режимом естественного водоема, при котором регулируют подачу воды из водохранилища а естественный водоем по уровню воды в естественном водоеме, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности способа путем снижения расхода воды водохранилища, концентрации солей естественного водоема, а также путем учета испарения воды в естественном водоеме, естественный водоем разделяют плотиной на основной и дополнительный, измеряют уровень воды в основном водоеме, измеряют массовую долю растворенных солей в воде, поступающей из водохранилища в основной водоем, измеряют фактический расход воды из основного водоема в дополнительный водоем путем измерения уровней воды, определяют изменение уровня воды а основном водоеме за год и по полученной разности уровней воды с учетом значений расходов воды из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный водоем определяют фактический годовой расход воды на испарение в открытой акватории основного водоема F2 t по формуле F1t- Р4Х- Ah1SP F2t 1 + где F1 х, F4t, — фактические расходы воды из водохранилища в основной водоем и иэ основного водоема в дополнительный, соответственно, т/год; S — площадь открытой акватории основного водоема, м; р — плотность воды в основном водоеме, т/м; Л1=- Ьф- Ь„ hy и.hï — фактический и прошлогодний уровни воды в основном водоеме соответственно, м, после чего рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды на испарение в основном водоеме по уравнению Ргх+1 = Ь1 Ргх+ Ьг Ргх-1+Ьз Ргх-2+ + Ь4 at + Ь5 at-1 где F2 х +1 — прогнозируемый годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акваторией, т/год; bi — коэффициенты уравнения линейной регрессии с диапазоном изменения 0-1, i =1 — 5; F2 х-2У2 t-1,F2 х — фактический годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акватории эа даа года до прогноза накануне и в год прогноза, соответственно, т/год; а х-1, à t — ошибки расчета по уравнению накануне и в год прогноза соответственно, т/год, затем определяют годовые расходы воды из водохранилища в основной водоем и иэ ос1664967 12 новного водоема вдополнительный поуравнениям F2 Т + 1 Л п2 $ Р5 27+ 1 Р4 Г+ 1 где F1т+ 1 — годовой расход воды из водо- "0 хранилища в основной водоем, т/год; F4 r+ t — годовой расход воды иэ основного водоема в дополнительный водоем, т/год; С1, C4 — массовая доля солей в воде, поступающей в основной водоем иэ водохранилища, и в воде, поступающей из основного водоема в дополнител.ьный соответственно, мас.доля; К вЂ” коэффициент, равный К вЂ” (— 1) ЕпР Язл Fnp, F — годовой расход воды, испаряющейся из единицы площади в прибрежной части и с открытой акватории основного водоема соответственно, т/м в год; Яэл, S — площадь прибрежной части отшнуровывающихся озер и заливов, и плошадь основного водоема соответственно. м, Лhz — приращение уровня, равное Л h2 = hq) - 11зд, h>q — заданный уровень воды в основном водоеме, соответственно, м; р — плотность воды в основном водоеме, т/м, после чего регулируют расходы воды из водохранилища в основной водоем и иэ основного водоема в дополнительный. 1664967 Исларете 5о8ы, Е1Ю, pr/еаУ Фиг.Р Ь Ф ф В и И ч с 42 ф ь 3 Я зп ъ Ф Ф 5 ... 7 . 8 У. 1 ИОсс060Я ФАМ Я3ЯпбОЯЯнных 3 ЫР ccMPLI, Cy 10 % Фиг.л 1664967 Ъ 1 и ° с fg ь Ч Ь Я 8 ъ ф Ъ % б 1 70 5 72 1У! odbi Редактор А. Мотыль Заказ 2372 Тираж 394 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 а л М Ь 4 ъ ф В ,Я ь ,Я Ч о! Фиг5 Составитель P. Бесчастнова Техред М.Моргентал Корректор M. Кучерявая
