Содержание к диссертации
Введение
Анализ работ в области исследований, постановка задачи 13
Анализ литературного поиска 13
Результаты патентно-информационного поиска 21
Объект и предмет исследования 23
Постановка задач исследований 30
Расчет внешних силовых факторов, действующих на наплавные сооружения и запани 32
Статические уравнения равновесия плавучих сооружений 32
Динамический расчет наплавных сооружений 34
Классификационные уровни морфологического анализа 42
Описание основных типов объектов исследования 43
Расчет волновой и ледовой нагрузок 59
Устройство для регулирования длины лежня задерживающей запани . 71
Расчет удерживающего устройства для сбора аварийной древесины 73
Определение полной нагрузки, действующей на запань в течение года 92
Выводы 96
Имитационное динамическое моделирование работы лесозадерживающей запани для сбора древесных отходов 97
Основные элементы имитационно-динамической модели (ИДМ) 97
Основные понятия о диаграммах потоков и уровней 99
Построение имитационно-динамической модели 103
Выводы 109
Физическое моделирование участка водохранилища Чебоксарской ГЭС 109
Определение условий моделирования изучаемых процессов. Лабора торное моделирование 110
Описание лабораторной установки 122
Проведение экспериментальных исследований 129
4.4. Статистическая обработка результатов эксперимента 146
4.5. Выводы 155
5. Аварийная древесина и экологическое состояние водоема 156
5.1. Степень влияния неокоренной древесины на экологическое состояние водохранилища 156
5.2. Оценка состояния и степени загрязнения водоема 159
5.3. Оценка ущерба от сброса загрязняющих веществ 169
5.4. Выводы 172
6. Природоохранные технологические схемы и устройства для сбора различных загрязнений на акватории водохранилищ 173
6.1 Элементы наплавных сооружений (элементы запани) 173
6.1.1. Элемент запани на базе пластиковых баллонов 175
6.1.2. Элемент запани в виде гибкого экрана с воздушными баллонами 177
6.1.3. Металлические элементы (понтоны) лесоудерживающей запани 179
6.1.4. Складывающиеся металлические понтоны 181
6.1.5. Стяжные элементы запани 184
6.1.6. Натяжное устройство наплавного сооружения 188
6.2 Методика анализа предмета исследования 190
6.3 Технологические схемы для сбора различных загрязнений 207
6.3.1. Первый вариант технологической схемы 207
6.3.2. Второй вариант технологической схемы 208
6.3.3. Третий вариант технологической схемы 210
6.3.4. Четвертый вариант технологической схемы 211
6.3.5. Пятый вариант технологической схемы 213
6.3.6. Шестой вариант технологической схемы 214
6.3.7. Седьмой вариант технологической схемы 215
6.4. Выводы 218
7. Расчет экономической эффективности от предполагаемого внедрс- 219
пня лесозадерживающей запани
7.1. Выводы 244
8. Основные выводы и рекомендации по работе 245
Список литературы
- Расчет внешних силовых факторов, действующих на наплавные сооружения и запани
- Основные понятия о диаграммах потоков и уровней
- Проведение экспериментальных исследований
- Оценка состояния и степени загрязнения водоема
Введение к работе
Актуальность темы. Гидротехнические сооружения, строительство которых развернулось в конце 40-х - начале 50-х годов XX века в нашей стране на базе широкого использования богатейших водных ресурсов, вызвали кардинальные изменения гидрологических условий водных путей, в корне изменили ландшафтную картину территорий, а также хозяйственную деятельность населения проживающего рядом с этими объектами.
Водохранилища, выстроенных за этот период ГЭС, достигли очень боль-ших размеров. Площадь зеркала доходит до 3000 км , а в отдельных случаях до 6000 км2 и более. В затапливаемой зоне этих водохранилищ оказались большие площади, покрытые лесными насаждениями. Одни водохранилища (Зеиское, Усть-Илимское, Богучанское и др.) находятся в многолесных районах с большим количеством великолепных строевых хвойных деревьев, другие - в районах не богатых лесом, где оказавшиеся в затоплении лесные массивы составляют большую часть лесопокрытой площади [154].
Проектами обычно предусматривалось два вида работ, сопутствующих подготовке ложа водохранилища: лесосводка, или вырубка товарной древесины, и лесоочистка, выполняемая различными способами, - с полной очисткой и корчевкой пней, с подрезкой их на уровне земли или с оставлением пней определенной высоты. Единых положений, регламентирующих во всех деталях размеры и порядок вырубки древостоев, характер лесоочистных работ и площадь, на которой они должны производиться, не существовало. Необходимых полноценных изысканий лесных массивов, как в зоне водохранилища, так и в прилегающих к нему районах, не проводилось, и оценка запасов делалась условно, с использованием в одних случаях данных аэротаксации, в других - наземной таксации. Это привело к большому разбросу в оценке запасов деловой древесины и к заведомо неверному определению объемов работ по ее вырубке. Чаще всего в запасы включали только хвойные породы, а лиственные, как правило, считали возможным оставить в ложе водохранилища и затопить.
Лиственные породы не намечались к вырубке даже в тех случаях, когда в районах, прилегающих к водохранилищам, имелся неограниченный спрос на древесину, и ее можно было направить в близко расположенные лесопромышленные комплексы или на целлюлозно-бумажные комбинаты. По отношению к хвойным породам также вводился ряд ограничений: вырубались лишь деревья диаметром не менее 12 см на высоте груди и при запасе не менее 50 м3 на га (а для водохранилища Зейской ГЭС - не менее 16 см и 60 м3).
При таком порядке рубок большое количество лесонасаждений осталось на корню. Деревья, не вырубленные при лесосводке, затем не были срезаны и при выполнении лесоочистительных работ.
При строительстве Братской ГЭС не подлежали сводке леса площадью 103 тыс. га с общим объемом древесины 5900 тыс. м , из которого 2800 тыс. м всплыло после первого года с начала затопления водохранилища.
Важнейший вопрос, которому до сих пор не уделяется должного внимания, это полное использование растущего леса на берегах водохранилищ. Оставленные в зоне затопления деревья в течение многих лет продолжают вымываться из грунта и захламлять акваторию водоемов. Запасы древесины, подлежащие освоению, очень велики, а их потери измеряются миллионами кубометров. Их можно было бы избежать, если при возведении ГЭС по соседству с водохранилищами строились лесопромышленные комбинаты с технологией, предусматривающей полную утилизацию вырубаемых деревьев, включая и так называемую аварийную плавающую древесину.
Однако, при постройке многих ГЭС вообще не предусматривалось строительство лесоперерабатывающих предприятий, а, следовательно, и возможность полноценного использования всей биомассы древесины.
Работы по лесосводке и лесоочистке начинались значительно позднее, чем строительство гидроэлектростанций. Из-за отсутствия транспортных путей к моменту затопления водохранилища, значительная часть леса оставалась на корню и даже, вырубленную и уложенную в штабеля древесину не удалось вывезти.
Строительство Зейской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской ГЭС уже велось, однако, ни одна лесная организация не получила возможности начать работы в зоне водохранилища. В районе Усть-Илимского водохранилища многомиллионные запасы древесины, подлежащие заготовке, остались на корню. На территории Братского водохранилища из-за позднего начала лесозаготовительных работ, и отсутствия необходимых транспортных средств, осталось неосвоенной около 11 млн. м древесины.
Приведенные примеры характерны для сибирских водохранилищ, расположенных в крупных лесных массивах.
Для водохранилищ, создаваемых в Европейской части СССР, очень остро стоял вопрос о сохранении водоохранных лесов. После пуска первой очереди Чебоксарской ГЭС в 1981 году до отметки 63,0 м затоплено около 10 тыс. га водоохранных лесов I группы, при этом значительная часть древостоя осталось на корню, а вырубленную и уложенную в штабеля древесину не удалось вывезти и переработать [29]. Кроме того, на прилегающих территориях, из-за повышения уровня грунтовых вод, лес начинает гибнуть и резко снижается его ежегодный прирост.
Другим не менее важным аспектом является ухудшение общей экологической обстановки в затопленных зонах водохранилищ. Резко ухудшилось качество воды, сократилось количество нерестовых рыб, стало невозможно использовать воду в качестве питьевой [27].
Ко всему прочему, возникли проблемы гидроэнергетического характера. Предполагалось, что затопленная древесина так и останется на корню до полного разложения на дне водохранилищ. Однако, подмываемая подводными течениями, она начинает всплывать и перемещаться по акватории [28,127]. Другая часть затопленной древесины непредсказуемо движется в водах водохранилища в направлении входных отверстий турбин ГЭС, перекрывая их. Кроме того, деревья, находящиеся на берегу водохранилищ, подмываются во время паводков, а также в весенний период в результате резкого повышения уровня верхнего бьефа водохранилища, оказываются в воде и в конечном итоге - у тела плотины ГЭС. По ре-
зультатам исследований, такие явления имеют место на большинстве ГЭС. Так как на сбор такой древесины обычно нет средств, она превращается в топляк, опускается на дно, усугубляя и без того не благоприятную экологическую обстановку,
В настоящее время делаются попытки решения этих проблем гидроэнергетиками. Для ликвидации плавающей древесины в акватории водохранилища Сая-но-Шушенской ГЭС эксплуатационниками предложена и реализуется схема переработки её в древесный уголь по экологически чистому методу пиролиза, для чего их силами построен деревоперерабатывающий завод. Такие решения экологических проблем в практике на сегодня пока единичны [23,92].
Возникшие экологические проблемы на водохранилищах заслуживают специального изучения как объекты хозяйственного освоения, а с учетом их специфики, как объекты естественной природной среды. В связи с этим, предмет исследования, направленный на совершенствование технологий очистки водотоков от загрязнений (ветвей, вершин, кусков древесины, целых деревьев, топляка) является актуальной с экологической точки зрения.
Цель работы. Предотвращение загрязнения акваторий водохранилищ путем совершенствования технологических процессов сбора и утилизации древесных отходов от лесосечных работ, обоснования технологических параметров и создания конструкций принципиально новых средств технологической оснастки, в частности сооружений удерживающих аварийную древесину.
Задачи исследований заключаются в разработке классификации технических средств по сбору и утилизации аварийной древесины; методики оценки состояния предмета исследований и прогнозирования его развития; методики рас-счета элементов лесозадерживающей запани; имитационно-динамической модели работы лесозадерживающей запани; предложений по применению новых технических решений для сбора аварийной древесины на водохранилищах; рекомендаций по использованию в технологическом процессе сбора и утилизации древесных отходов; программы проведения экспериментальных исследований на основе методов теории подобия; в проектировании и изготовлении комплекса лабора-
торных установок и контрольно-измерительной аппаратуры; методики обработки экспериментальных данных на основе теории планирования эксперимента; оценки экономической эффективности применения предлагаемых технических решений для использования наплавных сооружений в условиях водохранилищ ГЭС.
Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются водохранилища, образовавшиеся на лесных территориях после строительства крупных гидроузлов, где существуют проблемы сбора аварийной древесины и древесных отходов. Предметом исследований являются лесозадерживающие сооружения для сбора древесных отходов в условиях крупных водохранилищ.
Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к защите крупных водохранилищ от загрязнений на основе сбора и изолирования аварийной древесины и мусора с поверхности воды.
Для этого разработаны:
методика расчета наплавного сооружения (запани) для сбора различных загрязнений применительно к крупным водохранилищам, позволяющая производить всесторонний статический и динамический анализ в новых производственных условиях при разнообразных внешних воздействиях (волновая нагрузка, ледовая, встречная волна);
математическая имитационно-динамическая модель работы объекта в условиях крупного водохранилища с применением системного анализа, которая сокращает путь от постановки задачи до составления конкретных алгоритмов инженерных расчетов;
устройства наплавных сооружений для сбора различных загрязнений на поверхности воды, позволяющие создавать новые природоохранные технологические схемы и защищенные патентами РФ на изобретения.
технологические схемы обеспечения сбора древесных отходов на водохранилищах при осуществлении их хозяйственной деятельности в пределах водотока, отличающиеся конструктивными и технологическими особенностями, разнообразием и защищенные патентами РФ на изобретение.
Методика исследований. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений гидродинамики, теории упругости, методов математического и физического моделирования, математической статистики.
Экспериментальные исследования проводились на русловой модели в масштабах 1:500 и 1:250 с учетом положений теории и практики моделирования объектов гидромеханики.
Для численной реализации математической модели и обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики, теории планирования эксперимента, пакеты программ: MatchCad, Statistica и Eureka.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика расчета наплавного сооружения применительно к крупным водным объектам.
Имитационно-динамическая модель работы наплавного сооружения.
Методика описания технических объектов и их классификация.
Технические решения для сбора технологических отходов на поверхности воды.
Природоохранные технологические схемы обеспечения сбора различных загрязнений.
Практическая значимость. Разработанная математическая модель расчета лесозадерживающей запани и выявленные закономерности воздействия различных факторов на неё, дополняют теорию расчета наплавных сооружений и являются базой для их дальнейшего совершенствования. Математическая модель выполнена в виде прикладной компьютерной программы, которая позволяет: оценить динамические нагрузки, действующие на наплавное сооружение в зависимости от времени года; произвести оценку конструкции наплавного сооружения с позиции взаимодействия его с предметом труда - загрязнением.
Для практической реализации результатов исследований были разработаны новые технические решения, защищенные патентами, а на их основе - технологии
и рекомендации по ликвидации загрязнений на акваториях крупных водохранилищ.
Разработка новых решений, по созданию технологий для сбора загрязнений на крупных водных объектах, создала необходимую научную основу для решения экологических задач.
Результаты исследований были положительно оценены и рекомендованы к внедрению, как природоохранными организациями, так и специалистами по экологии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на науч-ных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 1987-2005); на первой и второй научно-практической конференциях «Охрана и рациональное использование водных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1996 и 1998г.г.); международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» (Иошкар-Ола,2001); республиканской научно-практической конференции "Проблемы государственного мониторинга природной среды на территории Республики Марий-Эл" (Йошкар-Ола, 2002); на расширенных заседаниях администрации Чебоксар-кого гидроузла (Чебоксары, 2004,2005).
Достоверность результатов основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и их статистической обработки с использованием ПЭВМ. Приборы, использованные при проведении экспериментальных исследований, прошли соответствующую тарировку. Научные положения и выводы, изложенные в настоящей работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых явлений. Показатели точности значений исследуемых факторов не превышали допустимых значений, а расчетные величины параметров совпадают с опытными с точностью, допустимой отраслевыми нормами.
Личное участие автора в получении результатов.
Диссертация является результатом многолетних исследований, выполненных при участии автора, который обосновал тему, определил цели и задачи исследований, разработал методику расчета наплавных сооружений применительно
к новым производственным условиям, создал имитационно-динамическую модель работы наплавного сооружения, а также новые технические решения и технологические схемы сбора древесных отходов в условиях водохранилищ.
Все работы по сбору экспериментального материала на водохранилищах, разработке методик, математическому и физическому моделированию, проведению лабораторных экспериментов, обработке материалов, анализу и обобщению результатов исследований произведены лично автором.
Реализация работы.
Результаты исследований могут быть использованы гидроцехом Чебоксарской ГЭС при разработке мероприятий по предотвращению поступления аварийной древесины и шуго - ледовых образований к телу плотины гидроузла.
По акту внедрения результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ экономический эффект одного объекта определен в сумме 93397 рублей (в ценах 1991 года). (Тема: "Разработка методов и средств обеспечивающих предотвращение поступления плавающих лесоматериалов к Саяно-ШушенскоЙ ГЭС". Заказчик: Всесоюзный проектно-изыскательский и научно - исследовательский институт Ленгидропроект им. С.Я. Жука).
Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в 9 статьях (1,7 п. л.) авторский вклад 95%, 4 авторских свидетельствах (1п. л.) авторский вклад 100%, 9 патентах на изобретение (3,1 п. л.) авторский вклад 95%, 1 монографии (8,7 п. л.) авторский вклад 100% , в том числе 17 - в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации,
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа объемом 263 стр. включает 109 иллюстраций, 51 таблицу, список использованной литературы из 189 наименований и 5 приложений на 53 страницах.
Расчет внешних силовых факторов, действующих на наплавные сооружения и запани
Рассматривая водохозяйственный комплекс в целом, применительно к задачам, которые решаются в данной работе, можно выделить лишь водный транспорт, лесосплав и частично использование водной энергии. Именно они тесно связаны между собой и оказывают существенное влияние друг на друга [57].
Однако, водохранилища ГЭС не в полной мере используются всеми отраслями народного хозяйства, степень регулирования стока определяется, в основном, требованиями энергоснабжения.
Плотины, создающие напоры на гидростанциях, образуют водохранилища, которые используют для орошения, водоснабжения городов и промышленности, воспроизводства рыбных запасов, отдыха и туризма. В тоже время создание водохранилищ приводит к затоплению ценных пойменных и луговых земель, нарушает экологическое равновесие в зоне их влияния.
Крупным водопользователем в системе народного хозяйства страны является водный транспорт, не утративший своего значения и в наши дни и имеющий наименьшую стоимость перевозок. Он тесным образом связан с комплексным освоением водных ресурсов. Вместе с тем, водный транспорт привязан к гидротехническим сооружениям. В речных гидроузлах предусматривают соответствующие судоходные сооружения. Их конструкцию и тип выбирают в зависимости от напора для обеспечения сквозного судоходства.
Повышение эффективности водного транспорта при комплексном освоении водных ресурсов способствует создание каскада низконапорных гидроузлов, повышающих уровень в пределах русла без значительных затоплений береговых зон.
Лесосплав является видом специального водопользования. Лесосплав, как и судоходство, не предъявляет требований к качеству воды, но сам является источником загрязнения водотоков затонувшей древесиной и различными отходами [131]. Лесосплав наиболее простой и самый дешевый вид транспорта леса. Водный транспорт леса разделяют на лесосплав и перевозки леса в судах. Сокращение объемов сплава леса создает предпосылки для развития судовых перевозок в первую очередь по водохранилищам.
В сложившихся условиях наблюдается дальнейшее ухудшение экологической обстановки на водохранилищах, что ведет к ухудшению качества воды, сокращению количества нерестовых рыб, изменению флоры и фауны [132,162].
Немаловажную роль в этом играют лесозаготовки, куда составной частью входит и лесосплав. Некачественно проведенные работы по очистке территорий подлежащих затоплению привели сегодня к массовому поступлению древесных отходов к гидроузлам, что неблагоприятно сказывается на их работе. Проанали зировав общую картину состояния водохранилищ, было установлено одиннадцать факторов вредного влияния иа экологическую обстановку [27], которые представлены в таблице 1.2. В данной таблице приведены показатели для Волж-ско-Камского и Восточно-Сибирского бассейнов, так как только они в России имеют одинаковые экологические проблемы после строительства гидротехнических сооружений на затопленных лесных территориях.
Общая ситуация такова: природные водные системы Волги из-за создания каскада ГЭС и цепи водохранилищ из экологически стройного целого превратились в хаотическое образование; затоплены поймы и заливные луга, надпойменные и первые террасы, гасившие разрушительные волновые процессы. По правобережью от Нижнего Новгорода до Чебоксар коренные склоны дали подвижку, сползают в сторону водохранилища вместе с лесами, полями, лугами, селами, хозяйственными строениями и памятниками истории и культуры [131].
Ежегодно в Волгу поступает около 300 млн. т. твердых веществ. Вода становится грязной и мутной. Деградируют низкие луговые и лесные прибрежные экосистемы вблизи Чебоксарского водохранилища, заболачиваются и превращаются в болота. Грунтовые воды то поднимаются, то опускаются в зависимости от работы гидроузла. Сложно приходится живым организмам приспособиться к такому воздушному и водному режиму. Вследствие чего гибнут приволжские леса.
Возникшие экологические проблемы на водохранилище заслуживают специального изучения, требуют разработки и создания новой техники и технологий для ликвидации ранее допущенных ошибок.
Предметом исследований в настоящей работе являются лесозадерживаю-щие сооружения для сбора древесных отходов от деятельности лесозаготовок в условиях Чебоксарского водохранилища. При этом есть потребность в сооружениях для сбора аварийной древесины, скапливающейся на сороудерживающих решетках ГЭС. На Чебоксарской ГЭС работа усугубляется тем, что станция работает при низкой временной отметке уровня водохранилища и при скоплении древесины на сороудерживающих решетках (СУР), турбины переходят в аварийный режим работы с последующей их поломкой. Отправной точкой в создании новых технических решений в этой области послужили наплавные сооружения, которые используются на лесосплаве.
Основные понятия о диаграммах потоков и уровней
Рассмотрим диаграмму потоков и уровней для элементарного одноуровневого контура положительной связи, представленного в структурной диаграмме рис. 3.5 первой. LEV RT С Рис. 3.5. Диаграмма потоков и уровней для элементарного одноуровневого контура положительной связи [31]
Единственный поток с темпом RT собирается в уровне LEV. С - константа пропорциональности. Темп потока прямо пропорционален уровню. В соответствии с приведенными выше правилами и обозначениями система описывается уравнением LEV.L = LEV.K + DT RT.KL, (3.1) где LEV.L - величина уровня в момент L; LEV.K - величина уровня в момент К; RT.KL - темп потока, вливающегося в уровень в течение интервала DT (от момента К до момента L). Зададимся начальными условиями LEV= 1. Уравнение темпа RT.KL=C LEV.K, (3.2) С-0,2, DT = 1.
Проведя численное моделирование, получим экспоненциальный рост уровня и темпа. Темп постоянно увеличивается, так как он пропорционален уровню. Приращение уровня за каждый интервал времени DT также увеличивается, так как оно пропорционально темпу. Значение темпа и уровня экспоненциально растут. Аналитически эту систему можно описать следующим образом LEV.L = LEV.K + DT RT.KL или LEV.L- LEV.K = DT RT.KL, но RT.KL= F LEV.K. (3.3) Подставляя это выражение в предыдущее, получим LEV.L - LEV.K = C LEV.K DT (3.4) LEV-» LEV(t) и при DT- 0 имеем d (LEV(t)) = C LEV(t) dt или d (LEV(t)/LEV(t))=C dt. Заменяя t на т и интегрируя в пределах от 0 до t WW LEV{T) получим LEV(t) = LEV(0)-e-c\ (3.5) JLEVW) TFV(T\ Л -mod(LEV(r))
Кривая экспоненциального роста характеризуется временной постоянной Т=1/С и временем удвоения - d - Временная постоянная - это время, за которое значение уровня увеличивается в б раз. Она показывает, как быстро происходит рост в системе с положительной обратной связью. Время удвоения d -это время, за которое начальное значение уровня увеличивается вдвое rd=r-ln2 0,697\ (3.6)
Поведение системы с положительной обратной связью легко понять из графика зависимости темпа RT от уровня LEV(pnc.3.6).
Любое значение уровня LEVI, отличное от нуля, дает положительное значение темпа RT1 (точка 1). За интервал времени DT поток, величина которого определяется этим темпом, вливается в уровень и увеличивает его значение до RT2 (точка 2). Но этому значению уровня соответствует темп RT2. За следующий интервал времени DT уровень вновь увеличивается из-за влившегося в него потока с темпом RT2 и т.д. Таким образом, любое начальное возмущение системы с положительной обратной связью вызывает ее рост. В реально существующих системах рост длится до тех пор, пока система может подавлять силы, замедляющие рост. Следовательно, в этих системах, имеющих контуры положительной и других обратных связей, с течением времени усиливается влияние контролирующих обратных связей так, что они подавляют экспоненциальный рост. Рассмотрим также элементарный контур отрицательной обратной связи, представленной на рис.3.7.
Этот контур в отличии от контура положительной обратной связи отличается тем, что здесь темп потока зависит от разности между фактическим и желаемым состоянием системы DISC. В представленном примере желаемое состояние - цель определяется извне. Модель описывается уравнением LEV.L = LEV.K + DT RT.KX, (3.7) где LEV - уровень (единиц); RT -темп (1/время); RT.KL= C DISC.K, С - константа пропорциональности; DISC - разность между целью и уровнем. DISC.K=GL-LEV.K Поведение системы с отрицательной обратной связью можно проследить по графику 3.8.
Проведение экспериментальных исследований
После выполнения замеров скоростей течения потока на модели результаты были сведены в таблицы и проведена статистическая обработка результатов измерений. Основной целью этой работы является определение соответствия модели натурному объекту по скоростному режиму. Алгоритм обработки данных эксперимента, основанный на статистических методах планирования эксперимента, практически реализуется путем применения средств информационных технологий [18,123,152].
В ходе проведения экспериментальных исследований было проведено 5 установочных опытов в каждой серии [59]. Для определения необходимого числа измерений определялись следующие статистические показатели [123]:
После проведенной обработки данных аппаратом математической статистики можно сделать вывод, что проведенных 5 опытов в каждой серии (табл.4.4 ...4.11) вполне достаточно для получения достоверной оценки определяемых в ходе опытов параметров, так как необходимое число наблюдений, вычисленное по формуле (4.29) имеет значение 5.
Проверка теоретических данных на адекватность, т.е. соответствие теоретической кривой экспериментальным данным, необходима во всех случаях на стадии анализа теоретико-экспериментальных исследований. Методы оценки адекватности основаны на использовании доверительных интервалов, позволяющих с заданной доверительной вероятностью определять искомые значения оцениваемого параметра. Оценка данных осуществляется сопоставлением полученной или предполагаемой теоретической функции с результатами экспериментальных измерений [18]. Для проверки однородности экспериментальных значений оценивается однородность ряда выборки с использованием критерия Фишера. Оценка адекватности уравнения регрессии производилась по F- критерию Фишера [152]. Для проверки адекватности уравнения регрессии в целом с использованием F- критерия Фишера остаточную дисперсию, рассчитанную по экспериментальным данным S yo сравнивают с остаточной дисперсией рассчитанной по значениям, полученным по аналитическому уравнению S e[152]: С2 _ Lu\Уа Уа) /л пп\ Ъ уа ; , (4.30) в ЛкіїїА (43i) где Уа" среднее значение исследуемого параметра, вычисленное по аналитическому уравнению; уэ - среднее значение исследуемого параметра, полученное в ходе экспериментального исследования; уа - аналитическое значение исследуемого параметра; уэ - экспериментальное значение исследуемого параметра. Критерий Фишера определится как [18,152] О Уа О у, Ь —&-—&-. (4.32) "л " У, В числителе дисперсия наибольшая из сравниваемых рядов. Для того чтобы уравнение регрессии адекватно описывало результаты экспериментов при коэффициенте значимости а=0,05 необходимо, чтобы табличный критерий Фишера РтабД = 5,39, определяют по таблице [152], был больше расчетного, т.е. " табя г расч. 0,0000068 =0 00М017 - S,=M11= 0 0000017б Расчетное значение критерия Фишера равно f = = і СР9 0,0000017 " 150 Расчетный критерий Фишера при доверительной вероятности 95% не превышает значение табличного критерия Фишера, что позволяет сделать вывод о пригодности, т.е. адекватности полученных регрессионных уравнений [18].
Для определения коэффициентов уравнения регрессии использовался прикладной программный пакет Eureka.
Для анализа результатов распределения продольных скоростей по живому сечению на промерных вертикалях было выбрано уравнение регрессии y = a0+a]\nht (4.33)
В приведенном уравнении h - глубина от поверхности воды до точки измерения скорости, изменяется от 0 до максимальной глубины на промерной вертикали, ац и # і - эмпирические коэффициенты, определяемые идентификацией предлагаемой модели с данными измерений.
Оценка состояния и степени загрязнения водоема
Контроль качества вод Чебоксарского водохранилища в границах Республики Марий Эл проводится каждый год. Качество вод водохранилища, за последние пять лет, существенно не изменилось и по всему водотоку сохранялось на уровне "умеренно загрязненных" - "загрязненных" (3-4 класс) [34].
Гидрохимический контроль качества вод водохранилища на участке выше п.Юрино (входной створ) и п.Ильинка (замыкающий створ) выявил следующие тенденции.
Кислородный режим данного участка реки в течение года, в целом, оставался благоприятным. В районе п. Юрино наблюдалось уменьшение содержа-ния растворенного кислорода с 13 мг/дм в зимний до 8.2 мг/дм в летне-осенний периоды. Выше и ниже г. Козьмодемьянска наблюдалось колебание содержания растворенного кислорода с 11,5 мг/дм3 до 6,4 мг/дм3. В трансграничном створе (п.Ильинка) содержание растворенного кислорода наблюдалось на уровне 8,4 мг/дм3.
Среднегодовое содержание в воде легкоокисляемых органических веществ (БПК5) в течение последних лет оставалось на уровне 2 ПДК. Исключе ниє составляет трансграничный створ (п.Ильинка), где уровень загрязнения достигал З ПДК.
Для определения экономической оценки удельного ущерба от сброса загрязняющих примесей разработаны методики, базирующиеся на оценке воздействия этих загрязнителей на здоровых людей [131].
Определение нормативов качества воды основывается на регламентировании концентрации вредных веществ в водоемах с помощью следующих основных критериев: - влияние на общий санитарный режим водоема; - влияние на органолептические свойства воды (окраска, запах, привкус); - влияние на здоровье населения.
Обоснование ПДК проводится по одному из трех лимитирующих признаков нормирования на основе экспериментальных исследований. Изучение влияния вредных веществ на общий санитарный режим водоемов направлено на предупреждение нарушения процессов самоочищения водоема в основном от органических загрязнений.
Изучение органолептических свойств воды имеет большое значение, так как ухудшение этих свойств легко обнаруживается и ведет к значительному снижению использования водоисточника. Практика показывает, что устранить эти нарушения обычными методами очистки фактически не удается.
Особое внимание при установлении ПДК, уделяется изучению влияния загрязняющих воду веществ на здоровье человека. В результате санитарно-токсилогических исследований определяются подпороговые (максимально недействующие) и пороговые (минимально действующие) дозы или концентрации вредного вещества, длительно воздействующего на организм животного. Временно допустимые концентрации вредных веществ в воде водоемов устанавливается на основе регрессионных формул, полученных при анализе экспериментальных данных, при этом в основе их лежат различные лимитирующие показатели.
Например, ориентировочный допустимый уровень (ОДУ) определяется по санитарно-токсилогическому лимитирующему показателю по формуле \%ОДУ =0.6ЫёЯД#р,,-1 . (5.33) На основе сведений о средних смертельных концентрациях значение ОДУ можно рассчитать по формуле 1Є ?ДУ = 1.7.1Ж50-2Д2. (5.34) Экономическая оценка удельного ущерба У в (руб./год) от сброса загрязняющих примесей в к -й водоем источником загрязнения определяется по формуле [131] У в = У ? к М , (5.35) где У - константа, численное значение которой рекомендуют принимать 400 руб./усл.т для сбросов в водоемы после 1985г.; "к - константа, имеющая разные значения для различных водохозяйственных участков: например, для Волги величина принимается от 0,8 до 2,6, а для Дона-от 1,62 до 3,79 и т.д. Показатель М рассчитывается по формуле N М АГт1 (5.36) І=Ї где А - показатель относительной опасности сброса; Щ - масса І-го выброса, приходящая на 1 л 3 древесины. Значение показателя определяется по формуле л = Ьг/м3 1 ПДКрЫ (5.37) МД ріхі - предельно допустимая концентрация І-го вещества в воде водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей; например, зна чение Л для взвешенных веществ составляет 0,33, для нефтепродуктов - 20, для меди- 100 и т.д.
По данным администрации Чебоксарской ГЭС каждый год в районе гидроузла скапливается порядка 200 куб. м. аварийной древесины в виде сучьев, корней, а иногда и целых деревьев. Сбор этой древесины требует определенных денежных затрат и трудовых ресурсов. По ранее принятой методике удельный ущерб У в (руб./год) от сброса загрязняющих примесей, в частности от аварийной древесины, в районе Чебоксарского гидроузла составит Ув = 400 -1,7-250 = 170000 руб . При определении экономической эффективности от предполагаемого внедрения лесоудерживающей запани данный ущерб будет учитываться как положительный фактор.
