Способ управления водно-солевым режимом естественного водоема Советский патент 1991 года по МПК E02B15/00 E02B3/00 

Изобретение 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 учета испарения воды в естественном водоеме.

На фиг.1 представлена схема управления прирбдным комплексом; на фиг.2 - график зависимости минерализации воды,

поступающей из основного водоема в дополнительный, от испарения воды в основном водоеме; на фиг.З - график зависимости минерализации воды, поступающей из основного водоема в дополнительный от минерализации воды, поступающей из водохранилища в основной водоем; на фиг.4 - графические данные испарения воды в основном водоеме по годам; на фиг.5 - графические данные минерализации воды, поступающей в основной водоем по годам, Сущность предлагаемого способа поясняется на исследовании естественного воо о

4 О

о

xj

доема - озера Балхаш. Для обоснования необходимости управления минерализацией воды в первой части озера проведено исследование влияния изменения массовой доли растворенных солей в воде, поступающей 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 уравнениями:

Fi F2 + F3+F4;(1)

Q + C4F4,(2)

где Fi,F2,F3,F4 - расходы воды из водохранилища в первую часть озера, па испарение в первой части озера (с открытой акватории), на первой части озера в отшнуровав- шиеся озера и заливы, из первой части озера во вторую соответственно,т/год;

Ci,C4 - массовая доля солей в воде, поступающей в первую часть озера из водохранилища, и в воде, поступающей из первой части озера во вторую, соответственно, мае. доля;

0.3 - расход солей в отшнуровывающие- ся озера и заливы из первой части озера.

Основным источником поступления солей в озеро является приход их с водой из водохранилища. По мере движения воды в первой части озера, от места поступления из водохранилища до места перетока во вторую часть озера, минерализация ее увеличивается. Процесс движения воды в озере сопровождается испарением. Часть воды и солей, поступивших в озеро, расходуются в 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 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 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.

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 следующим уравнением:

F3 (Епр - Е) 8зл,(3)

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/м2 год;

Ззл площадь отшнуровывающихся озер и заливов в первой части озера (основ- ного водоема), м .

Уравнение (3) можно преобразовать к виду

Рз KF2,(4)

где

К(Ґ

п 5зл 1)7

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 Ci в месте поступления воды в озеро из водохранилища до значения С4 в месте подачи воды из 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 урав- нением вида:

С Ci + KiX.(5)

где Ki - коэффициент;

X - координата длины озера. С учетом (5) можно записать

« Ci + С4 с 0.3 о Рз .

(6)

По формуле (6) рассчитывают расход солей в отшнуровывающиеся озера и заливы. Таким образом, количество солей, по- ступающих 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

Fi (1 f K)F2 + F4;(7)

CiFi 0,5(Ci ь Сл) KF2 + C4F4.(8)

Отбор воды на народно-хозяйственные нужды из Западного Балхаша производится R непосредственной близости от места п-од- ачи 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 ис- парению воды в озере Балхаш и минерализации воды, поступающей из водохранилища в озеро, на минерализацию воды, поступающей из Западного Балхаша в Восточный Балхаш, при усповии стабилизации уровня воды в Западном Балхаше (h 340 м над уровнем моря) и соответству- ющего ему постоянного перелива воды из первой части озера во втоураонение материального баланса для первой части озера за год (с учетом фактического изменения уровня воды в озере).

рую(,7 1 01/; т/год, причем К 0,1. -5Fir- (1 ч К) F2T - F4r (ЬФ - hn) Sp (11)

ураонение материального баланса для первой части озера за год (с учетом фактического изменения уровня воды в озере).

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.

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 из первой части озера во вторую. Проведенные исследования показали, что стабилизация уровня воды в первой части озера не обеспечивает стабилизацию минерализации воды в конце первой части озера (C/i var) в условиях действующих возмущений.

На фиг.4 и 5 представлены фактические данные изменения испарения воды из озера и минерализации 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 (d const) 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 FI и Rq, получают

(.(9)

0.5(СГ-С1)4КС1 F2(1Q)

ы м

По уравнениям (9) и (10) рассчитывают требуемые значения расходов воды в первую часть озера из водохранилища и из 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

где , hn - фактический и прошлогодний уровни воды в первой части озера (основном водоеме) соответственно, м; Р2Г - фактический расход воды на испарение в первой части озера за год (с открытой акватории);

S - плотность воды в озере;

Fir , - фактические расходы воды в первую часть озера из водохранилища и из первой части озера во вторую соответственно, т.год.

Из уравнения (11) получают

20

.- Fir- Р4Г- Ahi Sp F2r -ррк

(12)

Измеряя расходы воды в первую часть озера из водохранилища и во вторую часть

озера из первой, а также уровень воды в первой части озера, по уравнению (12) определяют значение фактического расхода воды на испарение цля первой части озера за 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 Ё Западном Балхаше

Far+1 0.60F2T +0,50Р2Г -1 + 0,ЗОаг +

+ 0,40аг -1.(13)

где F2 т +1 - прогнозируемый годовой расход воды на испарение в первой части озера с открытой акватории, т/год;

F2Ј , F2T -1,Fir -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 т , аг -1 - ошибка прогноза по модели в год прогноза и накануне соответственно,

т/годС 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 (Fir +1) и из первой

части озера во вторую (FAT -и) преобразуют ся к виду

Flr + ,MI9 LtCЈF2r + ,AteS

(W

.5(-cy-C, Й2т + 1 (15)

где Ah2t Ьф- Ьзд;

Ьзд - заданный уровень воды в озере, м.

При расчете управляющих воздействий на предстоящий год по уравнениям (14) и (15) в качестве параметра Ci используется его среднегодовое значение,

Способ осуществляется следующим образом (см. фиг.1).

Вода из реки поступает в водохранилище 1 Естественный водоем разделяют пло- 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 дополнительный водоем 3.

Приборами А и 5 измеряют фактические годовые расходы воды (Ргги FQT) 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- числительное устройство 8 вводится заданное значение уровня воды в основном водоеме. Исполнительные механизмы 10 и 11 управляют работой задвижек 12 и 13 на линиях подачи воды в основной и дополни- тельный водоемы соответственно.

Вычислительное устройство 8 определяет

Дг.1 пф-пп, (17)

А Ь2 пф-п3д.(18)

По полученной разности А М с учетом фактических расходов воды в основной водоем из водохранилища (Fir ) и дополнительный водоем из основного (F/tf ) определяют фактический годовой расход воды на испарение в основном водоеме по уравнению (12)

Р2Г

Fir- F47-Ahi Sp

1 +К

По модели рассчитывают прогнозируемое значение годового расхода воды на испарение в основном водоеме по уравнению

(13) А

F2t+1 0,6 F гТ+0,5 Fat-1 -0.1F2T-2 + + 0,Заг+0,4ат-1

А

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

Т, С11

(19)

где Си - массовая доля растворенных солей в воде, подаваемой в основной водоем из водохранилища, в 1-й месяц, мае. доля.

По прогнозируемому значению годового расхода воды на испарение в основном водоеме (Far -и) с учетом установленных зависимостей (Fs - KFa; Q 0,5(Ci + Ci) Рз, среднегодового значения массовой доли растворенных солей в воде, подаваемой из водохранилища в водоем (Ci) и разности фактического значения уровня воды в основном водоеме с заданным (А И2) определяют расходы воды на предстоящий год из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный по формулам (14) и (15) соответственно

Ft0,5 (Ci - С) К - С4 Ј , д. Сп т-Н v г / FZT-H AhiiSp

Ci-C4

с , 0.5(C4-CQK-Ci л F4r + 1 С1-С4 F2r + 1

Таким образом, при управлении учитывается влияние содержания растворенных солей в воде, поступающей в основной во- 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 С4 - 0,35 мас.% при уровне воды в нем на отметке Ьзд - 340 м над уровнем моря.

На основании экспериментальных исследований установлен, что при h 340 м над уровнем моря К 0,1; S 8,4 1012 м2; р 1.020т/м3.

Пусть фактические значения парамет- ров: Fa т-1 8 1012 т/год; Far -а 8.2 1Q12 т/год;-Ci, Ci2 Ci5 C112

7 10 мас.%; Ci6 Ci7 Ci8 Ciicr

8 мас.%; Ci3 Сц Сщ 9 10 мас.%; а г-1 - 0,2 1012 т/год; hn 340 м над уровнем моря; прогнозируемые значения параметров: Fa т-1 7,8 109 т/год;Раг- i 6,109 т/год.

В момент времени выполнения расче- тов и осуществления управляющих воздействий например в сентябре фактический уровень воды в первой части озера по показаниям прибора 7 Нф 340,2 м над уровнем моря. Вычислительное устройство 8 рассчи- тывает по уравнениям (17) и (18) Д hi Aha -а 0,2 м. В рассматриваемый момент времени приборы 4 и 5 соответственно показали Р1т 01013 т/год. F4 г 2 1012 т/год. Вычислительное устройство 8 рассчитывает фактический расход на испарение по уравнению (12) Far 5,7 1012 т/год. Разница между ранее спрогнозированным расходом воды на испарение в первой части озера (6 10 т/год) и фактическим его значением (5,7 1012 т/год) составляет а г 0,3 1012 т/год. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (13) прогнозируемый расход воды на испарение Fa т +1 6,8 1012 т/год. Пусть в рассматриваемый мо- мент времени прибор 6 показал do 910 мас.%. Вычислительное устройство 8 рассчитывает по уравнению (19) Ci 8 10 мас,%. Далее вычислительное устройство 8 по

ветственно 1,7-Ю12 т/год.

С вычислительного устройства 8 подаются управляющие сигналы на исполнительные механизмы 10 и 11, которые перемещают задвижки 12 и 13 в положения, определяемые рассчитанными значениями Fir -ни +i (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 отшнуровывающи- еся озера и заливы.

Формула изобретения

Способ управления водно-солевым режимом естественного водоема,при котором регулируют подачу воды из водохранилища в естественный водоем по уровню воды в

уравнениям (17) и (15) рассчитывает COOT- гственно FI г -ц 7,5 1012 т/ год и 1

5

0

t- с « 5

5

Q 5

п

естественном водоеме, отличающийся 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 Fa г по формуле

Fir-F4r- Ahi Sp +К

где FI г, . - фактические расходы воды из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный, соответственно, т/год;

S - площадь открытой акватории основного водоема, м ;

р - плотность воды в основном водоеме, т/м3;

Лги Нф - hn

Г1ф и hn - 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

Far + 1 bi Far + ba Far-i + Ьз Far-a + + Ы ar + bs ar-1

где Fa r +1 - прогнозируемый годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акваторией, т/год;

bi - коэффициенты ура.внения линейной регрессии с диапазоном изменения 0-1, 1 1-5;

Fa г- a,Fa г-1,Fa г - фактический годовой расход испаряющейся воды из основного водоема с открытой акватории за два года до прогноза накануне и в год прогноза, соответственно, т/год;

а г-1, а т - ошибки расчета по уравнению накануне и в год прогноза соответственно, т/год,

затем определяют годовые расходы воды из водохранилища в основной водоем и из основного водоема в дополнительный поурав- нениям

, 0,5 (Ci - СА) К - СА ЈЛ . с

FirH-i ч г,-с4 F2T-H Ah2S/

с , 0,5 (С4 - Ci) К - Ci A F4r + 1 V f:2T

+ 1

где FI т + 1 - годовой расход воды из водохранилища в основной водоем, т/год;

F4 г + 1 - годовой расход воды из основного водоема в дополнительный водоем, т/год;

Ci, Oj - массовая доля солей в воде, поступающей в основной водоем из водохранилища, и в воде, поступающей из основного водоема в дополнительный соответственно, мас.доля;

К - коэффициент, равный

sb %

е ю

а Ь LL

-с

ТТ е s

Фиг.1

1/ /-Епр 1Л Ззл K-(-g--1) -5Fnp, F - годовой расход воды, испаряющейся из единицы площади в прибрежной части и с открытой акватории основного водоема соответственно, т/мл в год;

Зэл , S - площадь прибрежной части отшнуровывающихся озер и заливов, и площадь основного водоема соответственно, м ;

Лп2 - приращение уровня, равное

А П2 Ьф - И3д,

пзд 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 из основного водоема в дополнительный.

40,

36

Л

2420

Испарение Воды, Ј-18,м/ео#

. Фие.2

ti

№

J

4s

.381

I

3«.

3BL

25

Ж

j 7 ff /v

Массовая дом растворенных б Sode солей,Cj-iQ %

Фиг 3

1664967

IT

Ж

/v

то 7972 197V

Редактор А. Мотыль

1§13 №5 7$77 Годы

Фие.5

Составитель Р. Бесчастнова

Техред М.МоргенталКорректор М. Кучерявая

1976 1978 Годь

ФиеЛ

1980