Оценка изменения водного режима р. Ангары, связанного со строительством Мотыгинской ГЭС

Construction of new hydropower stations (HPS) increases overregulation of stream canal and change of basic hydrological characteristics down the stream, such that free surface level and water discharge. This work is devoted to problem of calculation of free surface level and water discharge after HPS Motyginskaya start-up using Saint-Venant equations for unsteady flow in open channel.

Важной проблемой, решаемой при про­ектировании современных гидротехнических сооружений, в особенности плотин ГЭС, яв­ляется прогнозирование изменений водного режима, связанных с деятельностью данных сооружений. Особенно важно предсказать по­ведение рек и каналов в условиях резкой пе­ремены состояния, как связанной со штатной деятельностью гидросооружений, так и воз­никающей в случае различных естественных и антропогенных катастроф. В данной работе рассматривается подход к решению пробле­мы прогнозирования с помощью уравнений Сен-Венана, описывающих неустановившее­ся течение воды по открытому руслу [2].

В таких моделях считается, что центро­бежный эффект, связанный с извилистостью русла, пренебрежимо мал, поэтому, в част­ности, свободная поверхность принимается горизонтальной в каждом сечении. Кроме того, движение предполагается медленно из­меняющимся, что позволяет не учитывать местные потери напора (например, вслед­ствие резкого сужения / расширения русла). Исследуемый участок русла моделируется с помощью набора поперечных сечений - створов и расстояний между ними. Каждый створ представляет собой набор координат­ных точек, соответствующих отметкам дна. В результате, несмотря на одномерность, урав­нения Сен-Венана учитывают параметры се­чения русла в интегральных характеристиках, таких как площадь живого сечения и осред- ненная по ней пропускная способность русла. Эти характеристики, прежде всего, зависят от уровня свободной поверхности в сечении. Коэффициент шероховатости, описывающий сопротивление подстилающей поверхности, принимается различным в русле и при выходе воды на пойму и также осредняется по пло­щади живого сечения [1, 3-4].

При расчетах неустановившегося тече­ния в проводившихся экспериментах рас­сматривалось только докритическое течение, требующее задания по одному граничному условию в верхнем и нижнем створах. В верх­нем сечении задаются наблюдаемые значения расходов воды, а в нижнем створе - зависи­мость расхода от уровня воды. Последняя зависимость является характеристикой за­мыкающего створа, и при ее получении для реальных водоёмов используются натурные данные. Однако следует помнить, что кри­вая расходов в общем случае может менять­ся от года к году, поскольку расход воды в створе зависит не только от отметки уровня. При аналитическом задании кривой расходов можно использовать уравнение Маннинга. Анализ показывает, что для реальных русел при больших отметках уровня формула Ман- нинга дает завышенный расход, а при малых - заниженный.

Для корректной постановки задачи сле­дует также задать начальные данные по всей длине исследуемого участка русла (расходы и уровни воды в начальный момент времени). Для этого используется уравнение Бернулли, которое для открытых русел (пьезометриче­ская высота совпадает с отметкой свободной поверхности) записывается как уравнение ба­ланса для энергии в двух соседних сечениях. В результате для определения начальных от­меток свободной поверхности по длине реки, соответствующих некоторым расходам, при­

нимаемым постоянными для каждого участка и задаваемым на основе натурных наблюде­ний, решается система нелинейных уравне­ний. Для корректного решения системы сле­дует задать «граничное условие». При докри- тическом течении в качестве такового можно взять отметку уровня свободной поверхности в нижнем створе.

Заданные по длине реки расходы и со­ответствующие им отметки уровней поверх­ности, полученные с помощью уравнения Бернулли, становятся начальными данными при решении уравнений Сен-Венана. Однако сами эти данные уравнениям не соответству­ют. С целью решения этой проблемы на пер­вых шагах по времени в верхнем створе зада­ется постоянный расход, равный начальному. Таким образом, начальные данные пересчи- тываются по уравнениям модели. Количество таких подготовительных шагов должно быть достаточным для того, чтобы данные уста­новились по всей длине русла Дт. е. емкость русла наполнилась), и зависит от срдднейско- рости тече ния и длины исследукмого участка. Впрочем, следует отметить, что при наличии быстро меняющегося бокового притока по- доб ные процедуры не дают увеличения точ­ности раччета. С другой стороны, отказ от них приводит к несколько большим ошибкам расчетов в перчых оте°ациях по врчмеои. Эти ошибки теп больше, еем дальше иселедуе- мый створ от оачаоьного о чео сольное шр- тина неустановившегося течения в период, непосредственно предшествующий расчетам.

Посколькунаисследуемом участке реки имеются крупные боковые притоки, то при моделировании боковой приток задается рас­ходом воды, отнесенным к единице длины.

Оценки величины притока проводятся по ме­тоду бассейнов-индикаторов А.В. Огиевского с использованием данных о ежедневных рас­ходах воды рек-аналогов, впадающих в р. Ан­гару на рассматриваемых участках.

При дискретизации уравнений Сен- Венана используется четырехточечная не­явная разностная схема типа «ящик», приво­дящая к системе нелинейных алгебраических уравнений, которая затем линеаризуется. Таким образом, на каждом временном шаге решается система линейных алгебраических уравнений относительно приращений по вре­мени расхода AQi и отметки уровня .

Для апробации и верификации общей мо­дели рассмотрен участок р. Ангары от гидро­поста Сыромолотово (БоГЭС) до гидропоста Татарка, общей протяженностью 414 км. Ис­пользованы данные наблюдений РОСГИ­ДРОМЕТА.

Один из вариантов тестовых расчетов проводился на данных весенне-летнего сезо­н а 1989 г., как года с частыми дождевыми па­водкам и в летний период (рис.1, 2).

Рис.1. Рассчитанная и наблюдаемая динамика расходоввзамыкающемствореТатарка

 

Рис. 2. Рассчитанная и наблюдаемая динамика отметок уровня за 1989 г.в трех промежуточных створах

В ходе расчетов была доказана приме­нимость используемой модели к описывае­мым явлениям: расчетные данные оказались близки к реальным данным - максимальная ошибка расчетов не превышает 0,5 м в про­межуточных створах и 0,35 м в замыкающем створе. Эта ошибка связана со следующими не учитывающимися в модели явлениями. Во- первых, из-за большой протяженности иссле­дуемого участка русло и пойма неравномерно очищаются ото льда, вследствие чего в инте­ресующий нас период невозможно полностью исключить влияние ледовых явлений. Провер­ка показала, что в тот период, когда имеется максимальное расхождение наблюдаемых и расчетных данных (21-24 мая), в районе п. Богучан наблюдался затор. Во-вторых, ошиб­ку в ряде случаев дали локальные дождевые паводки, данные о которых плохо учтены в стоках рек-аналогов из-за значительной про­странственной изменчивости дождевого сто­ка. В-третьих, в предоставленных данных имелись несогласованности. В любом случае ошибки локальны по времени (порядка 1-3 суток) и не влияют на глобальную динамику процесса. Средняя ошибка не превышает 8 см, что составляет не более 3-4 % от общего изме­нения рассчитываемой величины, и является приемлемой для практических расчетов.

В результате численного моделирова­ния изучены: 1) динамика распространения в нижнем бьефе Богучанской ГЭС (включая водохранилище Мотыгинской ГЭС) суточных волн рабочего режима ГЭС; 2) динамика рас­пространения в нижнем бьефе Мотыгинской ГЭС суточных волн рабочего режима ГЭС, а также динамика высокого попуска.

На основе анализа численных экспери­ментов можно сделать следующие выводы:

1. При фиксации отметки уровня в замы­кающем створе водохранилища Мотыгинской ГЭС на НПУ 127 м БС и рабочем режиме Бо­гучанской ГЭС с внутрисуточными колеба­ниями расходов от 2600 м3/с в ночное время до 5175 м3/с днем в замыкающем створе Мо- тыгинского водохранилища устанавливаются суточные колебания расхода с амплитудой 895 м3/с, среднее значение расхода - 4128 м3/с, максимум и минимум составляют 3670 и 4567 м3/с соответственно. Расчеты выполня­лись без учета бокового притока.

  1. При том же рабочем режиме Богучан- ской ГЭС и «рабочем режиме» Мотыгинской ГЭС с суточным колебанием расхода от 3750 м3/с в ночное время до 4950 м3/с днем и учете бокового притока, соответствующего межени и небольшому дождевому паводку, расчетные отметки уровня водохранилища изменялись от 127,1 до 127,5 м БС. При этом происходило быстрое затухание амплитуд суточных коле­баний по длине участка.

  2. Исследование зависимости колебаний отметок уровня и расходов воды в нижнем бьефе Мотыгинской ГЭС при разных ампли­тудах ее рабочего режима с учетом бокового притока дало следующие результаты:

  • при амплитуде суточных колебаний расходов рабочего режима ГЭС 800 м3/с су­точные колебания отметок уровня составят: в верхнем створе - 0,28 м; в районе п. Моты- гино - 0,13 м, в районе п. Рыбное - 0,12 м; в замыкающем створе (п. Татарка) - 0,06 м;

  • при амплитуде суточных колебаний расходов рабочего режима 2500 м3/с в этих же пунктах амплитуда колебания отметок уров­ня составит 0,78, 0,43, 0,38 и 0,17 м соответ­ственно.

    1. Рассматривалось прохождение в ниж­нем бьефе Мотыгинской ГЭС высокого попу­ска с расходом до 5500 и 7000 м3/с. Боковой приток синхронизировался с паводком 1999 г. (высокой водностью).

При принятых расходах попуска мак­симальные отметки уровня и расхода воды в п. Татарка и Рыбное были значительно (на 2,5-1,7 м) меньше фактически наблюдаемых при естественном режиме. В реальных усло­виях в период прохождения максимальных уровней воды наблюдались ледовые явления и соответственно изменялись коэффициенты шероховатости, что в приведенных расчетах не учитывалось.

При принятых расходах попуска сумма среднесуточных расходов воды, прошедшая через замыкающий створ (п. Татарка) с 5 по 15 мая в упомянутых расчетах, равна соот­ветственно 130646 и 165960 м3/с. За этот же период 1999 г. фактическая сумма среднесу­точных расходов воды в п. Татарка равнялась 167120 м3/с, т. е. условия расчета по объемам стока заданы близкими к реальным - значи­тельным или весьма высоким - половодьям.

Библиографический список

      1. Бураков Д.А., Карепова Е.Д., Шайдуров В.В. Математическое моделирование стока: теоретиче­ские основы, современное состояние, перспективы // Вестник КрасГУ. 2006. № 4. С. 3-19.

      2. Карепова Е.Д., Федоров Г.А. Моделирование неустановившегося течения воды в нижнем бьефе Богучанской ГЭС // ЖВТ. 2008. Т. 13, спецвыпуск 2. С. 28-38.

      3. Картвелишвили Н.А. Неустановившиеся открытые потоки. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 127 с.

      4. Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 191 с.

         Бураков Д.А.1, Карепова Е.Д.2, Фёдоров Г.А.3

 1 Институт землеустройства, кадастров и природообустройства КрасГАУ, Красноярск,

Россия,daburakov@yandex.ru

2Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск, Россия, e.d.karepova@krasn.ru,

3Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия, arkin@rambler.ru

Источник http://damba.org/novosti/materialy-k-vi-mezhdunarodnoj-nauchno-prakticheskoj-konferencii-reki-sibiri-krasnoyarsk-2011-god.html

Комментарии материала:

Разместить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Другие материалы

River Angara is regulated by cascade of hydro power stations. In this case waste discharge of lower hydroelectric complex is as usually defined using discharge of upper hydroelectric complex and value of side inflow with respect to river-analogue. This ordinary approach leads to some errors of calculated values. In present paper the alternative...
Судьба Ангары в свете промышленного освоения Нижнего Приангарья На сегодняшний день Ангара является наиболее уязвимой рекой Восточной Сибири. Еще в советское время здесь было запущено в эксплуатацию три гидростанции: Иркутская, Братская и Усть-Илимская. Большая часть Ангары оказалась искусственно зарегулиро­ванной, произошли масштабные...
ООО «Технопарк» отказалось от планов строить мусорный полигон на Шиесе. Правительство Сингапура объявило о создании Sungei Buloh, национального парка площадью 400 гектаров в северной части острова. «Планетарная диета»не только поможет сделать планету более здоровой и создать более равную систему питания, но и поможет сделать вас здоровее. Эти и другие темы в новом выпуске Дайджеста Международного Социально - экологического союза от Света Забелина. Охрана природы...
Сегодня для дошкольных учреждений очень важна организация инновационной деятельности. Поэтому о детских садах, занимающихся инновациями, говорят, что они работают в режиме развития. Философский энциклопедический словарь определяет слово «развитие» как изменения – направленные, закономерные и необходимые. Соответственно изменения в детском саду «Родничок» с. Кособоково, филиал МБДОУ - детского сада «Солнышко» с. Шипуново происходят не хаотично. Вся деятел...
Только не подумайте ничего плохого, это название статьи означает лишь обмен опытом. А каким опытом и с кем меняться, узнаете прочитав её. Само название нашего нынешнего экологического проекта «Вместе мы - сила!» говорит о том, что вариться в собственном соку, работать по одиночке не совсем эффективно. У нас в крае много людей, школьных групп, которые занимаются исследованиями природы и её охраной. Общаясь с ними, узнаёшь что-то новое для себя, набираешься опыта, в конце концов заряж...
20 октября — Всемирный день ленивца. Китайская программа декарбонизации —самый амбициозный план отказа от углеродных и углеводородных источников энергии в мире. Съедобная упаковка из водорослей может заменить одноразовый пластик. Эти и другие темы в новом выпуске Дайджеста Международного Социально - экологического союза от Света Забелина. Охрана природы, проблемы окружающей среды и развития человечества. Всё важное и интересное, что произошло в России и мире на текущий день....
Сибирский кедр, или сосна сибирская кедровая, безусловно, считается царем всех деревьев тайги. Это могучее, величественное дерево является ценным промысловым объектом, а также кормовой основой для таежных птиц и зверей. А кедры на нашем пришкольном участке только готовятся стать таковыми, но уже привлекли к себе внимание общества. Новых гостей наша Тогульская школа встречала на своей территории. К нам приехали Ольга Лазарева, президент Фонда поддержки природоохранных и социально значимых проект...

Материалы данного раздела

Фотогалерея

Активность на сайте

сортировать по иконкам
1 год 16 недель назад
Марина Иванова
Марина Иванова аватар
Спелеологи Всех стран объединяйтесь!

Смотрели: 201,867 |

Спасибо за ссылку. Очень пригодилась! ...

4 года 29 недель назад
martaka maminov
martaka maminov аватар
Спелеологи Всех стран объединяйтесь!

Смотрели: 201,867 |

Обращайтесь, отличная компания http://www.ecocentrp.ru/about/actions/...

4 года 40 недель назад
Глеб савельев
Глеб савельев аватар
Спелеологи Всех стран объединяйтесь!

Смотрели: 201,867 |

нужна схема пещер с измерениями

4 года 44 недели назад
Ольга Волобуева
Ольга Волобуева аватар
Спелеологи Всех стран объединяйтесь!

Смотрели: 201,867 |

если Вы обладаете информацией , как составить топокарту пещеры, пишите нам. Очень нужна помощь в составлении паспорта объекта

1 год 49 недель назад
Надежда Бреева
Надежда Бреева аватар
Бутырский район

Смотрели: 7,091 |

Экология в Новой Москве . Поселение Щаповское.

Щапово (Александрово) — посёлок в Троицком административном округе Москвы (до 1...

размешен 28.11.20 | Тип: Новость

Новое в экологических рассылках на текущий день.

...
размешен 28.11.20 | Тип: Статью
вырубка в Винновской роще

Остановим беспредел в ООПТ «Винновская роща»

       Настоящее беззаконие происходит на особо ох...

размешен 28.11.20 | Тип: Статью

28 ноября — день рождения Дми́трия Серге́евича Лихачёва. Инициаторы кампании «Гонка к нулю» анонсировали Дорожные карты ускоренного достижения целей Парижского...

размешен 28.11.20 | Тип: Статью

С каждым годом наши города всё сильнее задыхаются от выхлопных газов стоящих в пробках автомобилей. Ресурсы города неспособны справиться со всеобщей автомобилизацией, при этом за...

размешен 27.11.20 | Тип: Новость

Новое в экологических рассылках на текущий день.

...

Подпишись на рассылку

Будьте в курсе последних новостей!

RSS-материал