Способ электрического моделирования экологических рисков

Способ электрического моделирования экологических рисков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к моделирующим устройствам для распределительных систем жидких потоков и может быть использовано в экологии и гидрогеологии для прогнозирования вероятностной меры опасности причинения вреда природной среде за определенный промежуток времени экологического риска, в частности для случая, когда распространение загрязнений окружающей среды подземными водами напрямую зависит от скорости ламинарной фильтрации.

Известен способ моделирования стационарной фильтрации, включающий моделирование расхода потока фильтрующейся жидкости (см. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод, М., изд-во «Недра», 1971. - 226 с.).

Недостатками данного способа является сложность моделирования на электрогидроинтеграторе с сеткой нерегулируемых сопротивлений, что ограничивает возможность оперативного воспроизведения кризисной ситуации на модели.

Наиболее близким по технической сущности является способ электрического моделирования вентиляционных и гидравлических сетей, включающий моделирование на линейных электрических элементах [см. А.с. СССР №714424, МПК⁸ G06G 7/50, опубл. БИ №5, 1980].

Недостатком данного способа является то, что он осуществлен на нерегулируемых, заранее подготовленных сопротивлениях. Данное обстоятельство ограничивает диапазон моделирования и не позволяет в кратчайшее время смоделировать развитие исследуемых событий, чтобы вовремя предотвратить кризисную ситуацию, либо уменьшить негативные последствия. При моделировании определяют перепад давлений, а не скорость, что является менее информативной характеристикой.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение диапазона моделирования скорости ламинарной фильтрации и повышение точности прогнозирования экологического риска.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе электрического моделирования экологического риска на линейных электрических элементах, согласно изобретению, определяют ламинарную скорость фильтрации по величине тока в цепи между узлами электрической модели, при этом узлы цепи соответствуют границам водопроницаемого пласта с различными коэффициентами фильтрации, а разность потенциалов на узлах электрической модели соответствует гидравлическому уклону на моделируемом участке водопроницаемого пласта, причем моделирование выполняют на регулируемых проводимостях, позволяющих моделировать весь диапазон возможных коэффициентов фильтрации водопроницаемых пластов, а критическую скорость фильтрации определяют по сигналу светодиода.

Данный способ позволит расширить диапазон моделирования скорости ламинарной фильтрации для прогнозирования экологического риска.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен водопроницаемый пласт, на фиг.2 - схема электрической модели водопроницаемого пласта.

Моделирование осуществляют по методу электрогидродинамической аналогии, где скорость фильтрации определяют по формуле:

где ν_Ф - скорость фильтрации (м/с);

k - коэффициент фильтрации (м/с);

J - гидравлический уклон (величина безразмерная, характеризуется отношением разности уровней, под действием которой происходит фильтрация к длине пути фильтрации),

а электрический ток на участке цепи определяют по формуле:

где I - электрический ток, представляет собой скорость изменения электрического заряда (А);

G - электрическая проводимость (Ом^-1);

U - разность потенциалов на концах участка цепи (В).

За аналог скорости фильтрации ν_Ф, на заданном участке грунта, принимаем скорость изменения электрического заряда I_ЭЦ на соответствующем участке электрической цепи

где - масштабный коэффициент скорости фильтрации (м/с·А).

За аналог коэффициента фильтрации на исследуемом участке грунта k принимаем электрическую проводимость на участке цепи G_ЭЦ

где m_k - масштабный коэффициент коэффициента фильтрации (м·Ом/с).

За аналог величины гидравлического уклона «J» на участке грунта принимаем величину разности потенциалов U_ЭЦ на участке цепи

где m_J - масштабный коэффициент гидравлического уклона (B^-1).

Подставив в формулу (1) значения параметров через масштабные коэффициенты, можно получить соотношение:

Следовательно, использование величины U_ЭЦ как аналога гидравлического уклона J позволяет на электрических проводимостях G_ЭЦ (аналогов участков грунта с коэффициентом фильтрации k) моделировать скорость ламинарной фильтрации через грунт.

Пример поясняется фиг.1, 2, при этом на фиг.1 изображен водопроницаемый пласт, через который фильтруется жидкость со скоростью ν_Ф, на фиг.2 изображена схема электрической модели, состоящей из регулируемой проводимости 1 (G_ЭЦ), являющейся аналогом водопроницаемого пласта с коэффициентом фильтрации k, реостата светодиода 2, сигнального светодиода красного цвета 3, который сигнализирует о наступлении критической скорости фильтрации, вольтметра 4, миллиамперметра 5 и делителя напряжения 6.

Проводимости соединяют таким образом чтобы они воспроизводили структуру исследуемого участка водопроницаемого пласта (см. фиг.1) в соответствии с требованиями топологического подобия системы.

Для этого узлы схемы подключают к делителю напряжения 6 (см. фиг.2) по величине k_i коэффициента фильтрации i-го участка грунта, определяют проводимость 1 G_{ЭЦ i} и эту величину выставляют для каждой ветви электрической цепи. Затем, изменяя падение напряжения между узлами электрической модели, с учетом масштабных коэффициентов получают величину гидравлического уклона на исследуемом участке грунта. Далее по показаниям миллиамперметра 5 на участках электрической цепи, с учетом масштабных коэффициентов определяют скорость фильтрации на соответствующем участке грунта.

Каждый узел модели присоединен к соответствующему выходу делителя напряжения 6, с помощью которого выставляют необходимую разность потенциалов в узлах схемы. Когда схема полностью собрана, добиваются выполнения первого закона Кирхгофа для узлов схемы, что соответствует балансу гидравлических потоков в реальном участке грунта.

Кроме того, в цепь добавлен сигнальный светодиод красного цвета 3. При достижении определенных значений тока, соответствующих той величине скорости фильтрации, когда распространение загрязнений подземными водами выходит за допустимые значения экологического риска, сигнальный светодиод красного цвета 3 загорится красным цветом. По расположению красных точек на схеме можно предсказать возможный путь распространения загрязнений и либо предупредить их, либо уменьшить негативные последствия.

Использование способа для электрического моделирования экологических рисков позволит по сравнению с прототипом моделировать скорость ламинарной фильтрации жидкости через водопроницаемый пласт с различными коэффициентами фильтрации, применять регулируемые электрические проводимости для моделирования всего диапазона возможных коэффициентов фильтрации. Предложенный способ моделирования обладает высокой точностью, которая зависит только от погрешностей приборов, и может быть использован для моделирования не только скорости фильтрации, но и других экологических рисков при соблюдении топологического, физического, кинематического и динамического подобия.

1. Способ электрического моделирования экологических рисков в гидравлических сетях, на линейных электрических проводимостях, при котором топологическое подобие сети и модели осуществляют по переходным масштабным коэффициентам так, что точки разветвления моделируемой сети соответствуют узлам электрической модели, питающимся от источника с регулируемым напряжением, отличающийся тем, что используют коэффициенты фильтрации на исследуемом участке и моделируют их на линейных регулируемых проводимостях, а напряжение от источника питания между узлами электрической модели определяют и устанавливают по гидравлическому уклону на каждом моделируемом участке сети, и по значению токов, определяемых в ветвях цепи, судят о величине скорости фильтрации на моделируемых участках.

2. Способ моделирования по п.1, отличающийся тем, что критическую скорость фильтрации определяют по сигналу светодиода, введенного в каждую ветвь цепи.