Способ повышения уровня воды в акватории, испытывающей недостаток притока воды, и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК E02B15/00 

Изобретение относится к защите окружающей природы.

Цель изобретения состоите повышении эффективности способа за счет обеспечения возможности поддержания в акватории исходной концентрации соли и повышения рыбных запасов.

На фиг.1 приведено изображение водоема после перестройки его в соответствии с изобретением; на фиг.2 - изображение водоема после перестройки его в соответствии с расчетами в приведенном примере расчета основного и вспомогательных водоемов.

Устройство содержит поток 1 воды, питающий водоем, дополнительный поток 2, имеющий концентрацию растворенной соли, приблизительно равную концентрации соли исходного потока 1. Водоемы 3 и 4 являются основными водоемами, каскадно связанными между собой, с уровнем наполнения бассейна более высоким, чем у исходного водоема.

Площадь зеркала водоема 3 и его водный баланс устанавливаются такими, чтобы в установившемся режиме Функционирования концентрация растворенной D нем соли составляла некоторую среднюю величину в окрестности потоков поступающей воды и не превышала по всей площади исходную концентрацию соли исходного водоема.

Площадь зеркала воды основного водоема ч, также наполненного до уровня Более высокого, чем у исходного водоема, и колиioo

ел

:Ј.

СО

чество сбрасываемой из него воды во вспомогательный водоем 5 устанавливаются такими, чтобы при установившемся водном балансе данного водоема концентрация соли в нем не превышала средней исходной концентрации соли данного участка исходного водоема.

Водоемы 5-7 являются вспомогательными. Они соединяются каскадно между собой и водоемами 3 и 4 и выполняют основную функцию по выделению из моря за год того количества соли, которое посту- пает в море за год с потоками I и 2, т. е. обеспечивают выполнение требования солевого баланса моря.

Площадь зеркала воды каждого из водоемов 5-7 и количество сбрасываемой воды из предыдущего водоема в последующий устанавливаются такими, чтобы при установившемся водном балансе этих водоемов последний водоем (7) содержал насыщенную концентрацию солей.

По отношению к последнему водоему (7) применяют известные в галургии способы извлечения соли из рассолов, обеспечивая таким образом выполнение требования солевого баланса моря.

Рассмотрим динамику процессов изменения концентрации соли в водоемах, изображенных на фиг.1, при соблюдении требований водного и солевого балансов водоемов.

Будем рассматривать водоем 3, а затем распространим полученные результаты на остальные водоемы, так как эти последние в принципиальном отношении к происходящим в них процессам водного и солевого баланса ничем не отличаются от водоема 3.

Так как с потоками 1 и 2 соль поступает со средней концентрацией К0, то в силу ис- парения воды с поверхности водоема 3 средняя концентрация соли в нем возрастет и станет равной Ki (Ki К0). Т.к. количество воды, прибывающее за год со стоком потоков 1 и 2 с концентрацией соли К0 известно, то примем его равным М0.в. При этом, количество соли, которая прибывает с потоками 1 и 2 в концентрации Ко, „будет равно:

Мо.с. Мо.в. х Ко х 10°

0)

где Мо.с. - масса прибывающей за год с потоками 1 и 2 соли, т;

Мо.в. - масса воды, прибывающая за год с потоками 1 и 2, мк ;

К0 - концентрация соли в воде, прибывающей с потоками 1 и 2, г/л;

10 - коэффициент пропорциональности.

Если допустить, что то количество воды, которое испаряется с поверхности данного водоема за год, оказывается меньше того

количества воды, которое поступает в данный водоем за год с потоками 1 и 2, а дожди в течение года не выпадают, и этот режим установившийся, то для обеспечения требования солевого баланса необходимо, чтобы из данного водоема извлекали столько соли, сколько ее прибывает за год со стоком потоков 1 и 2. Так как концентрация соли в водоеме составляет Ki, то для данного водоема солевой и водный баланс можно выразить уравнением

Мо.с. MiBxKix 106 (2) где Мо.с. - масса прибывающей за год соли, т;

Ki - концентрация соли в водоеме, г/л;

Mia-- масса воды, в которой содержится соль с массой Мо.с., км3;

106 - коэффициент пропорциональности.

Для того, чтобы соль в водоеме не накапливалась (требование солевого баланса), из него за год необходимо сбрасывать воды в количестве, содержащем количество поступившей за год соли, т.е.:

,.Мо.с./о

(3)

где Mie - масса сбрасываемой из водоема воды с массой соли Мо.с. при концентрации соли в ней Ki, км .

Подставляя в формулу (3) формулу (1) для Мо.с., получим

Мо.в. Ко,л

т- -W

Mie

где Мо.в. - масса воды, прибывающая за год в водоем с потоками 1 и 2;

Ко - концентрация соли в воде, прибывающей с потоками 1 и 2,

Таким образом, для соблюдения солевого баланса в отношении данного водоема, содержащего воду с концентрацией соли KL из него за год надо изъять

,,Мо В; Ко3

MlB ВОДЫ

141

Эти формулы справедливы в отношении всех водоемов каскада при расчете водного и солевого баланса водоема, при этом для расчета расхода воды для соблюдения солевого баланса последующего водоема начальными значениями потока поступающей воды и концентрации содержащейся в ней соли будут вычисленные для предыдущего водоема значения выходных характеристик Mie и KL т.е. входными значения-ми последующего водоема каскада являются выходные значения предыдущего водоема каскада.

Знал гидрологические характеристики моря, можно точно сказать, какая часть водного баланса моря приходится на испарения с его поверхности, и при этом точно рассчитать площадь поверхности водоема, которую оч должен иметь при соблюдении водного и солевого баланса.

Предположим, что с единицы площади поверхности водоема в год испаряется масса воды, равная Мо.исп.в.. тогда со всей поверхности водоема будет испаряться воды

Мисп.в. Мо.исп.в. X S,(5)

где Мисп.в. - масса воды, испаряющейся за год с поверхности данного водоема, км3;

Мо.исп.в. - масса воды, испаряющейся за год с единицы площади поверхности водоема, км3/км2;

S - площадь поверхности водоема, км2.

Так как для соблюдения водного баланса требуется, чтобы

Мисп.в. + MiB Мо.в.(6)

где Мисп.в. - масса воды, испаряющейся с поверхности водоема за год, км ;

MIB - масса воды, сбрасываемая из водоема за год при удовлетворении требования солевого баланса, км ;

Мо.в. масса воды, поступающая в водоем за год с потоками 1 и 2, км3.

Из формул (5) и (6) находим

Мс.исп.в. X S + Mia Мо.в.(7)

Из данной формулы (7) находим, что площадь водоема, при исходных значениях водного и солевого баланса водоема и поддерживания в водоеме концентрации соли Ki, должна составлять

с Мо.в. - Mie,04

S -j-i(о)

Мо.исп.в.

Подставляя в формулу (8) значение Mie из формулы (4), получим Мо.в. Кр

Ki Ki Мо.в. Ко Мо.исп.в.

Мо.в. -

s

м

о.исп.в.

Ki

.(Ki-Ko)-M.e.(g)

Ki Мо.исп.в.

Таким образом, окончательно получаем с (Ki - Ко) 1УЬ.в. ,ц

V,

М Мо.исп.в.

где S - та площадь, которую должен занимать водоем при поступлении в него за год Мо.в. воды с концентрацией растворенной в ней соли К0, при этом концентрация соли в водоеме будет поддерживаться на уровне KL Из водоема при этом будет вытекать поток воды, расход которой за год будет содержать то количество соли, которое содержится в воде, поступающей в данный водоем за год, км ;

Ко - концентрация соли в воде, которая поступает в данный водоем;

Ki - концентрация соли в воде, которая содержится в данном водоеме;

Мо.исп.в. - масса воды, которая испаряется с единицы площади водной поверхности данного водоема за год, км3/км2;

Мо.в. - масса воды, которая поступает в 5 водоем за год с потоками 1 и 2, км3.

Таким образом, с помощью формул 1-9 можно рассчитать площадь водной поверхности водоема из каскада водоемов и расход воды из данного водоема для 0 соблюдения солевого балонса водоема и поддержания в нем требуемой концентрации соли.

Способ реализуется следующим образом. 5 Приведем пример расчета параметров каскада водоемов, который состоит из одного основного водоема и четырех вспомогательных, построенных из исходного водоема. При этом полагаем, что исходный 0 водоем имеет площадь 10 км , а входные потоки 1 и 2 в совокупности составляют приток в 10 км3 воды за год; концентрация соли во входном потоке воды составляет Ко 0,001; исходная концентрация соли в исход- 5 ном водоеме составляет Ki 0,01.

На фиг.2 представлен перестроенный

водоем. В соответствии с условиями задачи

изображенный на фиг.2 водоем 3 является

основным, а водоемы 4-7 - вспомогатель0 ными.

Предположим, что концентрация соли насыщенного состояния составляет Кнас 0.4.

Предположим также, что за год с 1 км2 5 поверхности водоема испаряется 1 км3 воды.

По формуле (9) рассчитаем площадь поверхности основного водоема из каскада в 5 водоемов, при этом концентрация соли в 0 основном водоеме должна сохраняться постоянной и не должна превышать исходную концентрацию исходного водоема, равную

Кисх. 0.01.

ч -(О.01-аоо1)-1о.п,г.,2

55°сн.,01Г 1 9 КМ

Масса воды, в которой содержится поступающая за год в водоем соль, при концентрации соли в водоеме КВод.з 0,01 по формуле (4) будет равна

0 ,,10,0-0.001 , з

Ml вод.3 1 КМ

Таким образом, для соблюдения требования солевого баланса в отношении водоема 3, из него необходимо сбросить за год 1 5 км3 воды.

Таким образом, масса воды, которая поступает в водоем 4 каскада (1-ый из 4-х водоемов вспомогательной группы) за год, составит 1 км3, при концентрации соли в ней

К 0,01. Эги параметры являются входными для водоема 4, т.е. Mi вод.з - М0 вод.4, a Ki

вод.З Ко вод.4.

Примем концентрацию соли в водоемах вспомогательной группы (4-7) из того расчета, что концентрация соли в последующем водоеме от конца цепочки водоемов будет равномерно убывать в два раза.

Т.к. в последнем 7-м водоеме содержится вода с насыщенной концентрацией соли равной Кнас. 0,4, то в соответствии с принятым допущением концентрация соли в водоеме 6 составит величину Квод.б 0,2, Квод.5 0,1 для водоема 5, КВод.4 0,05 для водоема 4.

По формуле (4) для водоемов 4-7 рассчитаем значение Mis.

Принимая во вниманието обстоятельство, что М0 вод. для последующего водоема каскада равно MIB для предыдущего водоема каскада, а К0 для последующего водоема каскада - это Ki для предыдущего, по формуле (4) будет иметь

,01 1,0 ло з ..

М1вод.1 Q-Qg 0,2 KM Mo вод.5

М1Вод.5 - 0l°Q )° 2 0,1 KM3 Mo вод.б

М1вод.6 -LQ 2 0-05 км3 Мо вод.7

Теперь по формуле (7) вычисляем площади всех четырех вспомогательных водоемов каскада

(0,05 - 0,01) 1 по 2

Звод.4 0 05 Т- к

5вод5 .2 01км2

5.од.б- Д5Л 0 1 0|05КМ2- с ,(0..2);0..2

Ьвод.7 - Ллд ,()2Ъ КМ

Расчеты показали, что основной водоем 3 для сохранения в нем концентрации соли, не превышающей Кз 0,01 при заданных условиях, должен иметь площадь зеркала воды, равной 9 км2, и из него во вспомогательный водоем 4 должно сбрасываться 1 км3 воды в год.

Вспомогательный водоем 4 при содержании соли в концентрации К.4 0,05 должен иметь площадь зеркала воды равной 0,8 км , и из него во вспомогательный водоем 5 должно сбрасываться 0,2 км3 воды в год.

Вспомогательный водоем 5 при содержании соли с концентрацией КБ 0,1 должен иметь площадь зеркала воды, равной 0,1 км2, и из него во вспомогательный водоем 6 должно сбрасываться 0,1 км3 воды в год. .

Вспомогательный водоем б при содержании соли с концентрацией Кб 0.2 должен

иметь площадь зеркала воды, равную 0,05 км , и из него во вспомогательный водоем 7 должно сбрасываться 0,05 км3 воды в год. Вспомогательный водоем 7, последний

в каскаде, содержит воду с насыщенной концентрацией соли К 0,4, при этом он не должен занимать площадь, равную 0,025 км2,

Для окончательного выделения соли из

насыщенного рассола по отношению к водоему 7 применяют известные в галургии способы выделения соли.

Все водоемы каскада участвуют в хозяйственной деятельности, при этом основному водоему не грозит засоление, так как в нем концентрация соли поддерживается постоянной на уровне К 0,01 ввиду выполнения требования солевого баланса, а во вспомогательной группе водоемов с учетом

выполнения требования солевого баланса происходит выделение соли, которое поступило в основной водоем за год со стоком потоков 1 и 2. Непригодным для хозяйственной деятельности может оказаться водоем 6

в силу того, что рыбу в нем разводить может оказаться невозможным из-за высокой концентрации соли. В водоеме 7 организуется получение побочного продукта эксплуатации каскада водоемов - соли - сырья для

химической промышленности. Извлекаемая из водоема соль теперь уже не распространяется в прилегающей территории, не оказывая отрицательного воздействия на окружающую среду.

Приведенные расчеты дают полное представление о том, какие работы необходимо провести для того, чтобы при поступлении потока воды в водоем, испытывающий нехватку воды, данный водоем избежал засоления, и его экологическая обстановка была благоприятной для обитания всех зидов животных и человека. В результате проведенных мероприятий можно за счет дополнительного потока

воды поднять уровень воды водоема до требуемой отметки, и при этом использовать весь экономический потенциал водоема в хозяйственной деятельности, избегая опасности засоления водоема, создавая наиболее благоприятную среду для обитания в самом водоеме и его окрестности.

В результате проведенных мероприятий будет постоянно улучшаться экологическая обстановка на прилегающих землях,

так как растворяющиеся в дождевой воде соли при выпадении осадкоо будут, стекая в море, в силу его технологического режима эксплуатации, выделяться в кристаллическом виде из водоема 7.

Экономический эффект от внедрения изобретения при его применении в отношении Аральского моря равен тем экономическим доходим, которые имели место здесь лет 70 назад, когда еще не были зарегулированы реки, питавшие его своей водой, и даже превысит их в результате использования прилегающих земель, которые подвергнутся облагораживанию.

В случае применения изобретения в отношении Каспийского моря экономический эффект от его внедрения составит сумму финансовых средств, в которую войдут средства, которые придется затратить для восстановления экологической среды, когда Каспий, как сейчас Арал, превратится в мертвое море (это в несколько раз больше тех нескольких миллиардов рублей (в ценах 1990-го года), которые теперь требуется затратить на то, чтобы восстановить экологическую обстановку вокруг Арала и на нем самом), средства от сокращения экономической деятельности, когда на Каспии наступит экологическая катастрофа, подобная аральской, средства от усиления хозяйственной деятельности из-за улучшения экологической обстановки до уровня той, которая здесь наблюдалась в лучшие годы.

Применение изобретения в отношении других озер, подверженных засолению, как например Балхаш и др., позволит вовлечь в хозяйственный оборот множество дополнительных хозяйственных и природных ресурсов, которые в настоящее время не используются из-за неблагоприятной экологической обстановки, которая сложилась в этих местностях.

Таким образом можно утверждать, что в результате внедрения данного изобретения, экономический эффект от влияния различных аспектов его проявления составит не менее 10 миллиардов рублей при относительно небольших затратах (не более 100 млн. руб.) при его внедрении (все в ценах 1990 года).

Формула изобретения

1. Способ повышения уровня воды в акватории, испытывающей недостаток притока воды, заключающийся в том. что к акватории подводят дополнительный источник воды с концентрацией соли, не превышающей концентрацию соли питающего ее по5 тока, от л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет обеспечения возможности поддержания в акватории исходной концентрэции соли и повышения рыбных запасов, акваторию пе0 регораживают плотинами., разделяющими ее на каскадно расположенные и соединенные между собой один или два основных водоема и несколько вспомогательных водоемов, после чего осуществляют меропри5 ятия по соблюдению солевого баланса акватории, при этом при установившемся после возведения плотин водном балансе основных водоемов, в них поддерживают концентрацию соли в пределах, не превы0 шающих исходную концентрацию соли в акватории, а при установившемся после возведения плотин водном балансе вспомогательных водоемов, в последнем вспомогательном водоем.е каскада поддерживают

5 насыщенный солями рассол.

2. Устройство для повышения уровня воды в акватории, испытывающей недостаток притока воды, включающее плотину, отде0 ляющую от акватории основной водоем с подпитывающим акваторию источником воды, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным источником воды, соединенным с основным водоемом ак5 ватории и имеющим концентрацию соли, не превышающую концентрацию соли воды подпитывающего акваторию источника, и дополнительными гравитационными плотинами, расположенными в отделенной части

0 акватории, при этом все плотины размещены в акватории с образованием каскадно расположенных относительно друг друга одного или двух основных водоемов в нескольких вспомогательных водоемов, при5 чемобразованныеводоемы

последовательно соединены между собой через водостоки.

8

Использование: для предупреждения засоления водоема солями, прибывающими со стоком воды, питающим водоем, поддержания требуемой концентрации соли в водоеме, выделения из водоема поступающей в него соли в виде насыщенного рассола. Сущность: устройство снабжено основным и дополнительным источниками воды, соединенными с основным водоемом акватории, и включает основные и вспомогательные водоемы, плотину, соединяющие водоемы. Для образования устройства акваторию перегораживают плотинами, разделяющими ее на каскадно расположенные и соединенные между собой один или два основных и несколько вспомогательных водоемов, после чего осуществляют мероприятия по соблюдению солевого баланса акватории основных водоемов, поддерживая в них определенную концентрацию соли. Соль, поступающую в акваторию с питающим потоком, извлекают в последнем водоеме вспомогательной группы в виде насыщенного рассола. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. сл с