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 AQ_i 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.

2. 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.

3. 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.

  4. 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

• 4. 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,

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