Simulace přítoku/odtoku a rychlosti vypařování vody ve vodním díle
Název: Simulace přítoku/odtoku a rychlosti vypařování vody ve vodním díle
Autor: Bc. Michal Šejba (sejm00)
Typ Modelu: Systémově dynamický
Contents
Definice problému
Množství hladiny (obejmu) vody ve vodním díle je ovlivněna jejím přítokem, rychlostí řízeného odtoku, ale také povrchovým odpařováním. Cílem simulace je tedy vytvořit nástroj, který úpravou parametrů umožní vytvořit model efektivního řízení přítoku pro zachování stálého objemu vody v nádrži. Variabilní proměnou ovlivňující objem odtoku může být teplota okolního vzduchu, povrch vodní plochy nebo rychlost přítoku/odtoku. Nástroj umožní pozorovat vliv odpařování vody z povrchu na celkový objem nádrže. Úkolem je také umožnit užití modelu napříč dalšími vodními stavbami od vodních nádrží po bazény.
Metoda
Cílem je efektivní řízení přítoku pro udržení stálého objemu vody v nádrži během 30 denního obodobí. Jedná se o dny 15.5. - 13.6.2021 na přehradě Orlík. Vedlejším produktem modelu je možnost zjištění množství ztracené energie díky odpařování vody do atmosféry a možsnot aplikace modelu na další vodní stavby.
Nástrojem pro simulaci se stal Vensim, na kterém budeme sledovat 30denní nebo také 720h období mezi přítok a odtokem vody z přehrady.
Model
Hned prvním diagramem je model Stock and Flow, ve kterém jsou všechny veličiny potřebné k výpočtu výparu a zároveň k zachování oscilace mezi přítokem a odtokem. Přítok se skládá z průměrného přítoku řeky a také regulovaného přítoku v závislosti na vypařené nebo odpuštěné vodě. Odtok je součtem regulovaného pravidelného odtoku (zde průměr 83,5m^3/s) řízeného centrálně Povodím Labe a samotným množstvím vypařené vody.
Proměnné modelu:
Data budou čerpána z portálu českých povodí [1], pro výpočet [2] a pro získání "saturation humidity ration a také "air humidity ratio [3], příklad plochy nádrže [4].[5]. Další data byla získána dopočítáním v excelovém souboru, který bude součástí práce File:Data Sejm00.xlsx
Data byla upravena, někdy zprůměrována, aby byla naplněna potřeba pro funkčnost simulace.
Water Dam Volume
Tvar funkce: Water dam volume+Inflow of water-Water outflow Výchozí hodnota objemu je nastavena jako Target volume a tedy 374 428 000m3 z [6].
Inflow of water
Tvar funkce přítoku vody: Average water inflow+Reserve gap
Funkce se stará, aby do nádrže přibylo dostatečné množství vody k udržení stálého objemu.
Average water inflow
Průměrný přítok jsem spočítal průměrem hodnot za 30denní období měření z dat stránek Vltavy [7] a výpočty jsem provedl v excelovém souboru. viz.
Water outflow
Tvar funkce odtoku vody: Water dam volume-(Water vaporization+Daily water draining)
Funkce se stará o odečtení regulovaně odpuštěné a neregulovaně vypařené vody z celkového objemu nádrže.
Reserve gap
Tvar funkce rezervní mezery: (SMOOTH(Target volume-Water dam volume ,72))
Úlohou funkce je odložit start doplnění vody o 3dny (interval může být i kratší), abychom dostáhli počátku pozvolné oscilace.
Water vaporization
Tvar funkce Odpaření vody: ((evaporation coefficient)*(surface area)*((maximum saturation humidity ratio in air)-(humidity ratio in air)))/1000 Výpočet se skládá z proměnných: Koeficient vypařování, plocha, úroveň maximální množství vlhkosti ve vzduchu, úroveň vlhkosti a celé nakonec vydělíme 1000, abychom převedli výsledek na m3/h.
Úkolem funkce je spočítat celkové množství odpařené vody. Vzorec pro odpaření a další data ze stránek [8]
Evaporation coefficient
Tvar funkce Koeficientu odpaření: air temperature+19*wind velocity. Výsledku dosáhneme vynásobení průměrné teploty viz.File:Data Sejm00.xlsx, a 19*rychlost větru.
Vzorec pro koeficient ze stránek [9]
Výsledky
Simulace je vytvořena z několika proměnných, které vychází z analýzy různých fyzikálně zaměřených stránek s ohledem na výpočet vypařování vody z povrchu hladiny. Samotný model není tak jednoduchý, jak vypadá. Samotné simulace chybí ještě další faktory a veličiny, které by dokreslily vývoj v delším časovém úseku. Dosazené hodnoty jsou často pouze hodnotami průměru, a tak je výsledek částečně zkreslen. V případě, kdybychom simulaci chtěli více detailní musel bychom časově oddělit data, a tak se vyhnout průměrům z měření.
Výsledkem simulace je graf vpravo a tabulka vlevo znázorňující dosažení oscilace během 30 dní/720 hodin probíhající simulace. Na grafu vidíme, že oscilace probíhala v rozmení mezi 369 a 380 miliony metrů krychlových objemu nádrže. Samotný výpar i v kombinace se spožděním, ale také v kombinaci s pravidelným upouštěním přehrady neovlivnil samotný objem vody v nádrži natolik, aby bylo potřeba razantněji měnit vývoj přítoku a odtoku.
Závěr
Z výsledků práce vyplývá, že i při nepřetržitém odpařování vody z povrchu hladiny nedojde k takové ztrátě vody, aby běžně regulovaný přítok nestačil. Simulace nám ukazuje, jak je důležité se při velkých inženýrských stavbách zaměřit i na běžně "neviditelné" detaily jako je odpařující se voda. Ačkoliv se může zdát, že přehradu to nikterak neovlivňuje výsledkem je průměrná ztráta téměř 15 000 m^3 vody za hodinu. Sledované období bylo velmi krátké a nejsou v něm započítané veličiny jako intenzita slunečního svitu na rychlost vypařování nebo alternativní scénáře, kdy by nedocházelo k průběžnému doplnění přehrady regulovaným přítokem.
