Способ управления водно-солевым режимом естественного водоема

ТЕ ОБ И Е ЛЬСТВУ ическии инстиный научно-исный институт н, И,М.Маль, В. Кашмет. Л.: Химия Я ВОДНО-СОЛЕЕННОГО ВОДОне окруьзовано, солевым ие эффекя расхода ии солей счет учеводоеме,ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВ(57) Изобретение относится к охране окружающей среды, Цель изобретения - повышение эффективности способа за счетснижения расхода воды водохранилища,концентрации солей естественного водоема, а также за счет учета испарения воды вестественном водоеме. Естественный водоИзобретение относится к охр жающей среды и может быть испо например, при управлении водно режимом озер. Цель изобретения - повышен тивности способа за счет снижени воды водохранилища, концентрац естественного водоема, а также за та испарения воды в естественномНа фиг,1 представлена схема управления прирбдным комплексом; на фиг,2 - график зависимости минералиэации воды,ем разделяют плотинои на основнои 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 ррогнозируемое 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,поступающеи 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 во 1664 о 67доема - озера Балхаш. Для обоснования необходимости управления минерализацией воды в первой части озера проведено исследование влияния изменения массовой доли растворенных солей в воде, поступаю 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 нениями:Е 1 = Е 2+ Ез+ Е 4 (1) С 1 Е 1 = О + С 1 Е 4, (2) где Е 1,Е 2,Ез,Е 4 - 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 1,С 4 - массовая доля солей в воде, поступающей в первую часть озера из водо- й хранилища, и в воде, поступающей из первой части озера во вторую, соответственно, мас. доля;Оз - расход солей в отшнуровывающие 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, личиваетсяя. П роцесс движения воды в озере сопровождается испарением. Часть воды и солей, поступивших в озеро, 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 в 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, Этот процесс приводит к распреснению открытой части озера и сосредоточению солей в береговой зоне. 50Расход воды в отшнуровывающиесч 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:Ез =(Епр- Е) Язл, Р) где Епр - испарение воды с единицы площади в прибрежной части озера, т/м год; Е - испарение воды с единицы площади в открытой акватории озера, т/м год;Я;л - площадь отшнуровывающихся озер и заливов в первой части озера (основного водоема), м 2.Уравнение (3) можно преобразовать к видуЕЗ = КЕ 2, (4) где К =( -- 1)Епр ЯэлЯоЯ - площадь первой части озера - основного водоема, (открытая. акватория).Минерализация воды, поступающей в отшнуровавшиеся озера и заливы, изменяется по длине первой части озера от значения С 1 в месте поступления воды в озеро из водохранилища до значения С 4 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 = С 1+ К 1 Х, (5) где К 1 - коэффициент;Х - координата длины озера.С учетом (5) можно записатьС 1+ С 4 Е (6)2По 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 видуЕ 1 = (1 + К) Е 2 + Е 4; (7) С 1 Е 1 = 0,5(С 1+ С 4) КЕ 2+ С 4 Е 4. (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 стабили- М(10) Е 4 -зации уровня воды в Западном Балхаше (Ь = 340 м над уровнем моря) и соответствующего ему постоянного перелива воды из первой части озера во вторую (Е 4 = 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 минерэлизацию воды, рэзгружаемой 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 (С 4 = чаг) в условиях действующих возмущений.На фиг.4 и 5 представлены фактические данные изменения испарения воды из озера и минералиэации воды, поступающей в Западнь 1 й 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 (С 4 = сопэ 1) при возмущенияхпо 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) относительноЕ 1 и Е 4, получают 0,5 С 1-С 4)К-С 4 Е 9 Е 1 -Ег,1 4По 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 Е 1 т- (1 + К) Е 2 Г - Е 4 Г = (пф - пп) Я Р (11) где пф, Ьп - фактический и прошлогодний уровни воды в первой части озера (основном водоеме) соответственно, м;10 Е 2 т - фактический расход воды на испарение в первой части озера за год (с открытой акватории);Я - плотность воды в озере;Е 1 х, Е 4 т - фактические расходы воды 15 в первую часть озера иэ водохранилища и.из первой части озера во вторую соответственно, т,год.Из уравнения (11) получают Е 1 т- Е 4 т-ЛЬ ЯРЕ 2 г -Измеряя расходы воды в первую частьозера иэ водохранилища и во вторую. часть 25 озера из первой, а также уровень воды впервой части озера, по уравнению(12) определяют значение фактического расхода воды на испаречие цля первой части озера эа год,30 При расчете управляющих воздействийна 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 в Западном Балхаше40Е 2 +1 = 0,60 Е 2 т + 0,50 Егт -1+ 0,30 а т ++ 0,40 аг -1, (13) где Е 2 т +1 - прогнозируемый годовой рас ход воды на испарение в первой части озерас открытой акватории, т/год;Е 2 г, Е 2 т -1, Е 1 т -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;э т, ат -1 - ошибка прогноза по моделив 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 (Е 1 г +1) и из первойчасти озера во вторую (Е 4 т +1) преобразуются к виду лЕ 27+1 Ь 2 ЯРгде Ь Ь 2 - йф . йзд10Ьзд - заданный уровень воды в озере, м,При расчете управляющих воздействийна предстоящий год по уравнениям (14) и(15) в качестве параметра С 1 используетсяего среднегодовое значение,Способ осуществляется следуюразом (см, фиг,1).Вода из реки поступает в водохранилище 1, Естественный водоем разделяют плотиной на основной водоем 2 идополнительный водоем 3. Вода из водохранилища 1 поступает в основной водоем 2, аиз основного водоема 2 поступает в дополнительный водоем 3. 25Приборами 4 и 5 измеряют фактическиегодовые расходы воды (Г 1 и Е 4 т) в основной водоем и в дополнительный соответственно, Прибором 6 ежемесячно измеряютмассовую 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 вычислительное устройство 8 вводитсязаданное значение уровня воды в основномводоеме. Исполнительные механизмы 10 и. 11 управляютработой задвижек 12 и 13 налиниях подачи воды в основной и дополнительный водоемы соответственно.Вычислительное устройство 8 опреде-. щим обЬМ = ф- ип,Л ь 2=Йф-пзд, По полученной ра фактических расходов доем из водохранили тельный водоем и определяют фактиче воды на испарение в уравнению (12) 17)(18) 45 ности ЬЬВОДЫ В ОСНща (Е 1 т ) иОСНОВНОГкий ГОДОВОсновном во с учетом овной во- дополниО (Е 4 гй расх доемеПо модели рассчитывают прогнозиру значение годового расхода воды на ипарение в основном водоеме по уравнению+ 0,3 ах+ 0,4 атЕжемесячно 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 уравне- нию 1 12 1=-1-2С 1,1 1где Сп - массовая доля растворенных солей в воде, подаваемой в основной водоем из водохранилища, в 1-й месяц, мас. доля.По прогноэируемому значению годового расхода воды на испарение в основном водоеме (Е 2 т +1) с учетом установленных зависимостей (Ез = КЕ 2; 0 = 0,5(С 1+ С 4) Ез, среднегодового значения массовой доли растворенных солей в воде, подаваемой из водохранилища В водоем (С 1) и разности фактического значения уровня воды в основном водоеме с заданным (Ьп 2) определяют расходы воды на предстоящий год иэ Водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный по формулам (14) и (15) соответственно Е 2 т+ лЕ 2 г+1 Е 4 г+ Таким образом, при управлении учитывается влияние содержания растворенных солей в воде, поступающей в основной во- доеМ 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 уровнЕ С 4 - 0,35 мас, при уровне воды в нем на отметке Ьздм над уровнем моря.На основании экспериментальных исследований установлен. что при Ь = 340 м над уровнем моря К = 0,1; Я = 8,4 10 м; р= =1,020 т/мз.Пусть фактические значения парамет ров; Е 2 х 1 = 8 10 т/год, Е 2 х 2 =1212=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) Ь Й 1= Й)г -2 = 0,2 м. В рассматриваемый момент времени приборы 4 и 5 соответственно показали Е 1 х = 010 т/год. Е 4 х = 2 10 т/год. Вы 13числительное устройство 8 рассчитывает фактический расход на испарение по уравнению (12) Егх = 5,7 1012 т/год, Разница между ранее спрогнозироеанным расходом воды на испарение в первой части озера (6 10 тг/год) и фактическим его значением12 ю(5,7 10 т/год) составляет а х = 0,3 1012 т/год. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (13) прогноэируемый расход воды на испарение Е 2 х +1 = 6,8 10 т/год, Пусть в рассматриваемый мо 12мент времени прибор 6 показал С 19 = 9 10 мэс,%. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (19) С 1 = 8 10 мас.%, Далее вычислительное устройство 8 по уравнениям (17) и (15) рассчитывает соответственно Е 1. х +1 = 7,5 10 т/ год и Е 4 х+ 1 =121,710 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 Е 1 х +1 и Е 4 х +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. 55Формула изобретенияСпособ 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 ющ и й с я 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 в 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 Ег х по формулеЕ 1 х - Е 4 х - ЛЛ 1 ЯрЕ 2 х 1 +где Е 1 х, Е 4 х, - фактические расходы воды из водохранилища в основной водоем и иэ основного водоема в дополнительный, соответственно, т/год;Я - площадь открытой акватории основного водоема, м;р - плотность воды в основном водоеме, т/м;л 1=- ьф- ЬЬфи Ьп - фактический и прошлогодний уровни воды в основном водоеме соответственно, м, после чего рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды на испарение в основном водоеме по уравнениюЕгх+1 = Ь 1 Егх+ Ьг Егх+Ьз Егх++ Ь 4 эх+ Ь 5 аХ где Е 2 х +1 - прогнозируемый годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акваторией, т/год;Ь - коэффициенты уравнения линейной регрессии с диапазоном изменения 0-1, 1=1 - 5;Е 2 х-г,Е 2 х,Е 2 х - фактический годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акватории эа деа года до прогноза накануне и в год прогноза, соответственно, т/год;а х, а х - ошибки расчета по уравнению накануне и в год прогноза соответственно, т/год,затем определяют годовые расходы воды изб водохранилища в основной водоем и иэ основного водоема вдополнительный поуравнениям Е 2 Т + 1 Ь п 2 3 0527+1 Р 1 Г+ 1 С 1 - С 4 Р 4 Г+ 1 где Р 1 Г+ 1 - годовой расход воды из водо хранилища в основной водоем, т/год;Р 4 Г+ 1 - годовой расход воды иэ основного водоема в дополнительный водоем, т/год;С 1, Са - массовая доля солей в воде, поступающей в основной водоем иэ водохранилища, и в воде, поступающей из основного водоема в дополнительный соответственно, мас.доля;К - коэффициент, равный20Е.ГЕПР ЯЗЛРпр, Р - годовой расход воды, испаряющейся из единицы площади в прибрежной части и с открытой акватории основного водоема соответственно, т/м в год;Яэл, Я - площадь прибрежной части отшнуровывающихся озер и заливов, и плошэдь основного водоема соответственно. м,ЛЬ 2 - приращение уровня, равное Ь Ь 2=Ьф-Ьзд,Ьзд - 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./пФь Составитель Р, БесчастноваТехред М.Моргентал Корректор М, Кучеря Редактор А. Мотыл ве 11 здательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 енн ои Заказ 2372 ВНИИПИ Госуда Тираж 394 ного комите035, Москва Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ С35, Раушская наб., 4/5