Construction of new hydropower stations (HPS) increases overregulation of stream canal and change ofbasic hydrological characteristics down the stream, such that free surface level and water discharge. This workis devoted to problem of calculation of free surface level and water discharge after HPS Motyginskaya start-upusing Saint-Venant equations for unsteady flow in open channel.
Важной проблемой, решаемой при проектировании современных гидротехническихсооружений, в особенности плотин ГЭС, является прогнозирование изменений водногорежима, связанных с деятельностью данныхсооружений. Особенно важно предсказать поведение рек и каналов в условиях резкой перемены состояния, как связанной со штатнойдеятельностью гидросооружений, так и возникающей в случае различных естественныхи антропогенных катастроф. В данной работерассматривается подход к решению проблемы прогнозирования с помощью уравненийСен-Венана, описывающих неустановившееся течение воды по открытому руслу [2].
В таких моделях считается, что центробежный эффект, связанный с извилистостьюрусла, пренебрежимо мал, поэтому, в частности, свободная поверхность принимаетсягоризонтальной в каждом сечении. Крометого, движение предполагается медленно изменяющимся, что позволяет не учитыватьместные потери напора (например, вследствие резкого сужения / расширения русла).Исследуемый участок русла моделируетсяс помощью набора поперечных сечений -створов и расстояний между ними. Каждыйствор представляет собой набор координатных точек, соответствующих отметкам дна. Врезультате, 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, зависятот уровня свободной поверхности в сечении.Коэффициент шероховатости, описывающийсопротивление подстилающей поверхности,принимается различным в русле и при выходеводы 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 граничномуусловию в верхнем и нижнем створах. В верхнем сечении задаются наблюдаемые значениярасходов воды, а в нижнем створе - зависимость расхода от уровня воды. Последняязависимость является характеристикой замыкающего створа, и при ее получении дляреальных водоёмов используются натурныеданные. Однако следует помнить, что кривая расходов в общем случае может меняться от года к году, поскольку расход воды встворе зависит не только от отметки уровня.При аналитическом задании кривой расходовможно использовать уравнение Маннинга.Анализ показывает, что для реальных руселпри больших отметках уровня формула Ман-нинга дает завышенный расход, а при малых- заниженный.
Для корректной постановки задачи следует также задать начальные данные по всейдлине исследуемого участка русла (расходы иуровни воды в начальный момент времени).Для этого используется уравнение Бернулли,которое для открытых русел (пьезометрическая высота совпадает с отметкой свободнойповерхности) 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 участкаи задаваемым на основе натурных наблюдений, решается система нелинейных уравнений. Для корректного решения системы следует задать «граничное условие». При докри-тическом течении в качестве такового можновзять отметку уровня свободной поверхностив нижнем створе.
Заданные по длине реки расходы и соответствующие им отметки уровней поверхности, полученные с помощью уравненияБернулли, становятся начальными даннымипри решении уравнений Сен-Венана. Однакосами 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. Количествотаких подготовительных шагов должно бытьдостаточным для того, чтобыданные установились по всей длине русла Дт. е. емкостьрусла наполнилась), и зависит от срдднейско- роститечения и длины исследукмого участка. Впрочем,следует отметить, что при наличиибыстро меняющегося бокового притока по-доб ные процедуры не дают увеличения точностираччета. С другой стороны, отказ отних приводит к несколько большим ошибкамрасчетов в перчых оте°ацияхпо врчмеои. Этиошибки теп больше, еем дальшеиселедуе-мый створот 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. Огиевскогос 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 алгебраическихуравнений, которая затем линеаризуется.Таким образом, на каждом временном шагерешается система линейных алгебраическихуравнений относительно приращений по времени расхода AQiи отметки уровня .
Для апробации и верификации общей модели рассмотрен участок р. Ангары от гидропоста Сыромолотово (БоГЭС) до гидропостаТатарка, 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 динамикарасходоввзамыкающемствореТатарка
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 оказалисьблизки к реальным данным - максимальнаяошибка расчетов не превышает 0,5 м в промежуточных створах и 0,35 м в замыкающемстворе. Эта ошибка связана со следующимине учитывающимися в модели явлениями. Во-первых, из-за большой протяженности исследуемого участка русло и пойма неравномерноочищаются ото льда, вследствие чего в интересующий нас период невозможно полностьюисключить влияние ледовых явлений. Проверка показала, что в тот период, когда имеетсямаксимальное расхождение наблюдаемых ирасчетных данных (21-24 мая), в районе п.Богучан наблюдался затор. Во-вторых, ошибку в ряде случаев дали локальные дождевыепаводки, данные о которых плохо учтены встоках рек-аналогов из-за значительной пространственной изменчивости дождевого стока. В-третьих, в предоставленных данныхимелись несогласованности. В любом случаеошибки локальны по времени (порядка 1-3суток) и не влияют на глобальную динамикупроцесса. Средняя ошибка не превышает 8 см,что составляет не более 3-4 % от общего изменения рассчитываемой величины, и являетсяприемлемой для практических расчетов.
В результате численного моделирования изучены: 1) динамика распространенияв нижнем бьефе Богучанской ГЭС (включаяводохранилище Мотыгинской ГЭС) суточныхволн рабочего режима ГЭС; 2) динамика распространения в нижнем бьефе МотыгинскойГЭС суточных волн рабочего режима ГЭС, атакже динамика высокого попуска.
На основе анализа численных экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. При фиксации отметки уровня в замыкающем створе водохранилища МотыгинскойГЭС на НПУ 127 м БС и рабочем режиме Богучанской ГЭС с внутрисуточными колебаниями расходов от 2600 м3/с в ночное времядо 5175 м3/с днем в замыкающем створе Мо-тыгинского водохранилища устанавливаютсясуточные колебания расхода с амплитудой895 м3/с, среднее значение расхода - 4128м3/с, максимум и минимум составляют 3670 и4567 м3/с соответственно. Расчеты выполнялись без учета бокового притока.
При том же рабочем режиме Богучан-ской ГЭС и «рабочем режиме» МотыгинскойГЭС с суточным колебанием расхода от 3750м3/с в ночное время до 4950 м3/с днем и учетебокового притока, соответствующего межении небольшому дождевому паводку, расчетныеотметки уровня водохранилища изменялисьот 127,1 до 127,5 м БС. При этом происходилобыстрое затухание амплитуд суточных колебаний по длине участка.
Исследование зависимости колебанийотметок уровня и расходов воды в нижнембьефе Мотыгинской ГЭС при разных амплитудах ее рабочего режима с учетом боковогопритока дало следующие результаты:
при амплитуде суточных колебанийрасходов рабочего режима ГЭС 800 м3/с суточные колебания отметок уровня составят: вверхнем створе - 0,28 м; в районе п. Моты-гино - 0,13 м, в районе п. Рыбное - 0,12 м; взамыкающем створе (п. Татарка) - 0,06 м;
при амплитуде суточных колебанийрасходов рабочего режима 2500 м3/с в этих жепунктах амплитуда колебания отметок уровня составит 0,78, 0,43, 0,38 и 0,17 м соответственно.
Рассматривалось прохождение в нижнем бьефе Мотыгинской ГЭС высокого попуска с расходом до 5500 и 7000 м3/с. Боковойприток синхронизировался с паводком 1999 г.(высокой водностью).
При принятых расходах попуска максимальные отметки уровня и расхода водыв п. Татарка и Рыбное были значительно (на2,5-1,7 м) меньше фактически наблюдаемыхпри естественном режиме. В реальных условиях в период прохождения максимальныхуровней воды наблюдались ледовые явленияи соответственно изменялись коэффициентышероховатости, что в приведенных расчетахне учитывалось.
При принятых расходах попуска суммасреднесуточных расходов воды, прошедшаячерез замыкающий створ (п. Татарка) с 5 по15 мая в упомянутых расчетах, равна соответственно 130646 и 165960 м3/с. За этот жепериод 1999 г. фактическая сумма среднесуточных расходов воды в п. Татарка равнялась167120 м3/с, т. е. условия расчета по объемамстока заданы близкими к реальным - значительным или весьма высоким - половодьям.
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...
8 мая 1959 года в Таджикской ССР был организован Государственный природный заповедник «Рамит».
Микробы известны своим воздействием на почву и наше здоровье, но они также помогают создавать облака, и их потеря из-за повышения температуры может изменить облачный покров, а вместе с ним и нашу погоду.
Власти Красноярского края ввели в регионе режим чрезвычайной ситуации на фоне массовых пожаров, в которых уже сгорело порядка 500 строений.
Эти и другие темы в новом выпуске...
30 июня 1931 года в Казахстане официально утверждены границы Нарузумского заповедника.
Ученые и общественники Томска записали видеообращение по проблемам строительства Крапивинского гидроузла и водохранилища на реке Томь.
Три общины на юге Мексики присоединились к проекту группы биологов над улучшением среды обитания животных и создали коридор для сохранения ягуаров.
Главные экологические новости в новом выпуске Обзора Международного Социально - экологического союза от Света Забелина....
Хотя на экологических активистов давят и наказывают уже по «антивоенным» статьям, они продолжают бороться - экопротесты вновь вернулись в повестку.
Расходы на помощь пострадавшим от климат-кризиса людям во всем мире увеличились на 800% за последние 20 лет.
У современной молодежи есть все основания повторить бунт если не «68-го», то хотя бы эпохи Перестройки, но пока они только сердятся, но не бунтуют.
Эти и другие темы в новом выпуске Об...
21 мая 2009 года в Закарпатской области создан Национальный природный парк «Зачарованный край».
Немецкий фермер инициировал судебный процесс против второго по величине производителя автомобилей в мире Volkswagen, чтобы заставить его сократить выпуск загрязняющих среду автомобилей.
Англия получила "супер природный заповедник водно-болотных угодий Сомерсета".
Эти и другие темы в новом выпуске Обзора эконовостей Международного Социально - экологического союза от Света...
11 июня отмечается Международный день рыси.
90% уникальной уссурийской тайги уже потеряны, некоторые ее участки пройдены рубками по 6—10 раз.
Международная коалиция ученых, защитников природы Nature Needs Half ставит перед собой цель добиться к 2030 году взятия под охрану 50% суши планеты, что должно переломить ситуацию в пользу систем жизнеобеспечения Земли.
Эти и другие темы в новом выпуске Обзора эконовостей Международного Социально - экологического союза от Света Забели...
Комментарии материала: