Новое в экологических рассылках на текущий день.
- Главная
- О нас
- Проекты
- Статьи
- Регионы
- Библиотека
- Новости
- Календарь
- Общение
- Войти на сайт
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.
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.
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.
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
Бураков Д.А., Карепова Е.Д., Шайдуров В.В. Математическое моделирование стока: теоретические основы, современное состояние, перспективы // Вестник КрасГУ. 2006. № 4. С. 3-19.
Карепова Е.Д., Федоров Г.А. Моделирование неустановившегося течения воды в нижнем бьефе Богучанской ГЭС // ЖВТ. 2008. Т. 13, спецвыпуск 2. С. 28-38.
Картвелишвили Н.А. Неустановившиеся открытые потоки. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 127 с.
Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 191 с.
Бураков Д.А.
1 Институт землеустройства, кадастров и природообустройства КрасГАУ, Красноярск,
Россия,
2Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск, Россия,
3Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия,
![]() |
|
---|---|
1 год 25 недель назад YВMIV YВMIV |
Ядовитая река БелаяСмотрели: 274,473 | |
1 год 28 недель назад Гость ![]() |
Ядовитая река БелаяСмотрели: 274,473 | |
1 год 28 недель назад Гость ![]() |
Ядовитая река БелаяСмотрели: 274,473 | |
2 года 4 недели назад Евгений Емельянов |
Ядовитая река БелаяСмотрели: 274,473 | Возможно вас заинтересует информация на этом сайте https://chelyabinsk.trud1.ru/ |
1 год 28 недель назад Гость ![]() |
Ситуация с эко-форумами в Бразилии Смотрели: 6,154 | |