CC BY
41
УДК 621.52+621.2
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ПОДПОРА ВОДОХРАНИЛИЩА НА КАЧЕСТВО ВОДЫ
© А.Г. Закиров, Л.Л. Фролова
Zakirov A.G., Frolova L.L. The influence of reservoir prop levels on water quality. The article discusses the problem of water quality in a reservoir. It proposes a control system for water quality maintenance by changing the prop level.
ВВЕДЕНИЕ
Отличительной особенностью водохранилища является наличие переменного уровня подпора, меняющегося в широких пределах и формируемого в результате учета требовании к водным ресурсам со стороны различных отраслей водного хозяйства [1,2]. Как правило, санитарно-гигиенические требования к качеству воды при проекгировании и эксплуатации водохранилища не учитываются. Требования всех отраслей водного хозяйства к режиму использования воды консолидируются в виде диспетчерского графика, который является обязательным для исполнения диспетчерским персоналом гидроузла, формирующего данное водохранилище [3]. Однако до сих пор при разработке диспетчерского графика не учитывалось влияние изменения уровня подпора водохранилища на качество воды.
Качество воды, в том числе и в водохранилищах, представляет собой результат сложного комплекса биологических, химических и физических процессов, протекающих в определенных климатических, географических и гидрологических условиях. В настоящее время полного математического описания всей совокупности этих процессов, т. е. описания на микроуровне, не существует. В то же время существует большое количество работ, посвященных моделированию процессов формирования качества воды на макроуровне в речных экосистемах. При этом, как правило, моделируется кислородный режим и биологическое потребление кислорода за нягь суток. Эти модели используются, в системах оперативного управления качеством воды в речных бассейнах на основе оценки содержания кислорода в речной воде, путем принятия решений о режимах работы водонотребителей и очистных сооружений [4]. Аналогичное моделирование было проведено авторами для модельного участка Куйбышевского водохранилища [5]. Результаты моделирования показали, что между уровнем подпора водохранилища и кислородным режимом существует довольно сильная функциональная зависимость, форма которой определяется геоморфологией водохранилища. Это свойство учтено при принятии решений о режиме использования водохранилища.
РЕГУЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Для регулирования качества воды в водохранилище необходимо определить совокупность условий и дей-
ствий, обеспечиваюнщх поддержание качества воды на желательном уровне. Качество воды определяется количеством растворенного кислорода в соответствии с общепринятой классификацией (желательный уровень содержания кислорода - более 6 мг/л, допустимый уровень - от 4 мг/л до 6 мг/л) [6]. Регулирование должно выполняться в период открытой воды, обеспечивая желательные условия пользования водой для различных целей, путем поддержания определенного уровня воды, достаточного для поддержания определенного кислородного режима. Исхода из того, что уровень воды в водохранилище определяется положением затворов в водопропускных сооружениях плотины, разработана схема управления качеством воды, приведенная на рис. I. В контур управления входят датчик, затвор и водная масса водохранилища. Место расположения датчика определяется на основе разработанной модели [5]. Для этого рассчитаны графики расстояний от начала модельного участка, на которых достигаются значения критериев качества воды при различных уровнях подпора водохранилища. Полученные изолинии уровней качества воды приведет,I на рис. 2. На этом рисунке нижняя граница желательного уровня по содержанию кислорода обозначена - Кб, допустимого уровня - К4. Для сравнения на этом же рисунке приведены изолинии для критериев качества по БПК5 (верхняя граница допустимого уровня в 5 мг/л обозначена Б5, верхняя граница желательного уровня в 3 мг/л -БЗ). Из этих расчетов видно, что изолинии критериев качества воды по содержанию кислорода перекрываются в области расстояний от 4 до 6 км. На рисунке это область выделена серым цветом. Эти изолинии образуют три зоны, определяемые критериями качества: а) - зона желательного качества (выше изолинии Кб); б) -зона допустимого качества (между изолиниями Кб и К4); в) - зона недопустимого качества (ниже изолинии К4).
Изолинии критериев качества воды по ПДК5 не образуют полного семейства (уровень хорошего качества в 2 мг/л вообще не достигается), перекрываются не полностью, а изолиния БЗ практически выходит из области значений реальных уровней подпора.
Таким образом, датчиком должен быть измеритель содержания кислорода, расположенный примерно на расстоянии 5 км от начала модельного участка вниз по течению.
Затвор Волжской ГЭС работает в соответствии с диспетчерскими графиками, подобными графику, приведенному на рис. 3 [3]. На поле графика жирными
Рис. I. Схема системы управления качеством воды модельного участка водохранили ща
54
_ 53 2. 52
О
I,
£
о
§ 50 а.
>■
49
48
Х+
\
Изолинии:
Кб
-------К4
-------БЗ
— - - Б5
10 15 20 25
Расстояние (км)
30
35
Рис. 2. Изолинии качества воды
XI | III V VII IX
I Месяцы
Рис. 3. Диспетчерский график Волжской ГЭС
римскими цифрами обозначены режимы работы гидроузла: I - зона работы гидроузла с минимально допустимым расходом воды, Г - зона работы гидроузла со сниженными гарантиями расхода воды, II - зона работы гидроузла с гарантированным расходом воды, III -зона работы гидроузла с избыточной отдачей, IV - зона работы гидроузла с максимальным расходом воды через ГЭС, V - зона работы гидроузла с максимальным расходом воды через все водопропускные сооружения. Этим зонам соответствуют определенные минимальные
Уровень подпора (м)
Рис. 4. Динамика изменения содержания кислорода в створе 5 км
уровни водохранилища: УМО - уровень мертвого объема, МДУ - минимально допустимый уровень воды в водохранилище, МСУ - минимальный судоходный уровень, МГУ - максимальный гарантированный уровень, НПУ - нормальный подпорный уровень, ФПУ -форсированный подпорный уровень. Все уровни даны в метрах в Балтийской системе.
В соответствии с требованиями к качеству воды и моделью самоочищения водохранилища в этот график должны быть внесены два дополнения, уточняющих уровневый режим. Эти дополнения обусловлены зависимостью содержания кислорода от уровня подпора воды водохранилища в створе установки датчика содержания кислорода, рассчитанной на основе модели и показанной на рис. 4.
Первое дополнение. Основными зонами работы гидроузла должны быть зоны III, IV, V. Тогда минимальным уровнем вода в водохранилище будет МГУ (51,5 м), что гарантирует создание условий, необходимых для поддержания процессов самоочищения.
Второе дополнение. При работе в зонах I, Г, П необходимо корректировать уровень подпора в соответствии с содержанием кислорода в створе установки датчика. Для этого предложен новый диспетчерский график, учитывающий текущие значения концентрации кислорода и уровня подпора, и обеспечивающий заданное качество воды на модельном участке (рис. 5). Диспетчерский график содержит три области, соответствующие разному качеству воды: А - желательное качество, Б - допустимое качество, В - недопустимое качество. В соответствии с этим графиком управление выполняется следующим образом. При попадании измеренных значений содержания кислорода и уровня подпора в область В - подпорный уровень должен быть поднят до уровня равного верхней 1ранице этой области. При значениях содержания кислорода менее 4 мг/л необходимо также принять срочные меры к снижению выпуска воды из очистных сооружений. При попадании в область Б (область допустимого качества воды) поднятие уровня воды до верхней границы этой области создает условия необходимые для получения желательного качества воды. При попадании в область А уровень подпора воды не изменяется.
Время цикла управления для предложенной схемы с учетом времени добегания и скорости подъема уровня воды водохранилища равно примерно 10 суткам, что вполне приемлемо для крупного равнинного водохранилища.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье приведена схема управления качеством воды в водохранилище с использованием изменения уровня подпора. Показано, что датчиком в такой системе
Содержание кислорода (мг/л)
Рис. 5. Диспетчерский график управления качеством воды
может быть измеритель содержания кислорода, и дано обоснование места расположения датчика. Предложены дополнения к диспетчерскому графику работы гидроузла, показаны области и способы их применения. Предложенная схема управления качеством воды явля-
ется иллюстрацией практического применения модели самоочищения воды в водохранилищах. Использование математических моделей должно обеспечить принятие обоснованных управленческих и проектных решений по поддержанию высокого качества водной среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Картвелишвили И.А. Регулирование речного стока. Л.: Гидроме-теоиздат, 1970. 218с.
2. Васильев Ю.С., Хрисанов И.И. Экологические аспекты гидроэнергетики. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 284 с.
3. Плешаков Я.Ф. Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 560 с.
4. Матемаппеские модели контроля загрязнения воды / Ред. А. Джеймс. М.: Мир. 1981 471 с.
5. Закиров А.Г., Фролова Л.Л. Математическая модель самоочищения водохранилища// Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Мат-лы 3-й Всероссийской научной ЫетеЬконференции. Тамбов, 2001. Вып. 11. С. 30-35.
6. Романенко В.Д., Оксиюк О.П.. Жукинский В.Н. и др. Экологическая оценка воздействия гидротехнического строительства на водные объекты / Ин-т гидробиологии АН УССР. Киев: Наук, думка. 1990. 256 с.
Поступила в редакцию 20 октября 2001 г.
»
