Таглави совершенствование методов разработки сценариев управления эксплуатацией водохранилищ на реках с обильным стоком наносов

На правах рукописи

Сами Хассан Эльсайед Таглави

Совершенствование методов разработки сценариев управления эксплуатацией водохранилищ на реках

с обильным стоком наносов

Специальность: 05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва-2010 г.

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» на кафедре гидрологии, метеорологии и регулирования стока

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

кандидат технических наук

Зейлигер Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Асарин Александр Евгеньевич,

ОАО «Институт Гидропроект»

кандидат технических наук, доцент

Волынов Михаил Анатоливич,

ВНИИГиМ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации)

Ведущая организация: ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 18 октября 2010 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета. Д 220.045.02 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, ауд. 201/1

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан « ».09.2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Евдокимова И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований

Процесс заиления действующих водохранилищ и возникающие при этом проблемы уменьшения их полезного объёма в бассейне р. Нил являются чрезвычайно злободневными. В то же самое время, интенсивный рост площадей эксплуатируемых оросительных систем, наряду с уменьшением полезных емкостей водохранилищ приводит к увеличению рисков недоподачи воды, необходимой для орошения, и, как следствие, недополучения запланированного урожая, а, следовательно, к снижению рентабельности оросительных систем и удлинению срока их окупаемости.

Планирование и реализация управления водными ресурсами и движением наносов в трансграничном бассейне р. Атбара, являющейся притоком р. Нил и протекающей по территории Эфиопии, Судана и Египта, представляет собой важную и актуальную политическую, социальную, экономическую и техническую задачу. Многогранность этой задачи связана с чётко выраженным сезонным характером стока р. Атбара, когда её русло в течение каждого года пересыхает на несколько месяцев, а также с происходящим в бассейне этой реки социальным и экономическим развитием, требующим бесперебойного водоснабжения сельскохозяйственного орошения, гидроэнергетики, а также промышленности. Для удовлетворения этих потребностей в 60-е годы 20го столетия в Судане было построено и введено в эксплуатацию водохранилище сезонного регулирования стока Хашм Эль-Гирба для целей водоотведения на построенную оросительную систему Новая Хальфа. Водохранилище образовано за счёт поперченного перегораживания русла р. Атбара плотиной. Мозаика ортокосмоснимков Landsat 2003-2007 г.г. представлена на рис. 1.

Объект исследований

Объектом исследований, проведённых в рамках настоящей диссертации, является многофункциональное водохранилище Хашм Эль-Гирба на р. Атбара (Судан). Это водохранилище было введено в эксплуатацию в 1965 г. для сезонного регулирования стока с подачей воды на оросительную систему Новая Хальфа (площадь 440 000 га, объём водозабора 1890 млн. м3), а также для выработки электроэнергии в объёме 62,980,000 кВт/ч.

В 1965 г. в момент начала эксплуатации водохранилища проектная величина его полезного объёма составляла 1300 млн. м3 (6% объёма среднемноголетнего годового стока р. Атбара), а длина - около  60 км. Через несколько лет проектной эксплуатации водохранилища Хашм Эль-Гирба была выявлена высокая скорость заиливания водохранилища в результате поступления с речным стоком с Эфиопского плато большого количества взвешенных наносов. Высокое содержание этих наносов с течением времени привело в конце 80-х годов к заиливанию более половины проектного полезного объёма (рис. 2), что оказало существенное влияние на планы дальнейшего социально-экономического развития близлежащих территорий, включая строительство новых оросительных систем.

Для выхода из создавшегося положения было принято решение об изменении режима работы водохранилища с включением в этот режим периодических промывок через имеющиеся в составе гидроузла донные водосбросы (рис. 2). Последующими батиметрическими исследованиями было показано замедление скорости заиления водохранилища, которое, однако, не удалось приостановить.

В результате проведённых мероприятий темп заиления водохранилища уменьшился, однако к 2000 г. полезный объём водохранилища уже составлял только 1/3 от первоначального объёма или 468 млн. м3 в абсолютном исчислении (рис 3). Такое уменьшение полезного объёма привело к появлению периодов с дефицитами подачи воды на оросительную систему Новая Хальфа.

Предмет исследований

Предметом исследований являются режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба, а также гидрологические характеристики внутригодового распределения стока р. Атбара, способы расчёта батиграфических характеристик и характеристик испарения с зеркала водохранилища, характеристик стока поступающих наносов, гидравлических характеристик водосбросных сооружений, а также параметры гидравлических промывок наносов.

Цель исследований

Целью исследований является совершенствование методов разработки сценариев работы водохранилищ, позволяющие стабилизировать, а в ряде случаев и увеличить их текущий полезный объём.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели решались следующие гидрологические, батиграфические и водохозяйственные задачи:

• рассчитать гидрографы внутригодового распределения притока к водохранилищу Хашм Эль-Гирба различной заданной обеспеченности по гидрологическим рядам наблюдений;

• рассчитать интенсивность и объёмы испарения с водной поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба по данным метеорологических наблюдений;

• сделать прогноз изменения объёмной характеристики и характеристики площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба в результате заиления при существующем режиме его работы;

• оценить объём выноса отложившихся наносов в результате гидравлической промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба;

• разработать имитационную балансовую модель режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба при изменении его полезного объёма;

• провести математическую имитацию сценариев работы водохранилища Хашм Эль-Гирба в годы различной водности при различной степени его заиления.

Методика исследований

Методика исследований включала разработку и использование различных математических моделей и расчётных методов, позволяющих:

• рассчитать по данным наблюдений внутригодовое распределение стока для лет различной водности;
• рассчитать интенсивность и объём испарения с водной поверхности водохранилища по данным метеонаблюдений;
• рассчитать батиграфические характеристики водохранилища и тренды их изменения;
• оценить влияние гидравлической промывки водохранилища на его полезный объём;
• моделировать сценарии режимов работы водохранилища с учётом отложения наносов, а также его промывки.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит из следующих положений:

• разработаны и протестированы способы расчёта площади зеркала по объёмной характеристике водохранилища Хашм Эль-Гирба;
• получена локализованная модель расчёта объёма испарения с поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба Хашм Эль-Гирба по данным метеонаблюдений;
• получена откалиброванная модель оценки влияния промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба на его полезный объём;
• разработана и протестирована модель расчёта режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба для случая изменения его полезного объёма в результате отложения и промывки наносов;
• рассчитаны сценарии работы водохранилища Хашм Эль-Гирба с различной степенью заиленности в годы различной водности, позволяющие стабилизировать полезный объём водохранилища, а в ряде случаев и увеличить его.

Практическая значимость работы

Практическая значимость результатов проведённых исследований позволяет:

• формировать по архивным данным набор входных характеристик, необходимых для расчёта режима работы водохранилища;
• рассчитать режимы работы водохранилища с учётом его промывки.

Достоверность исследований

Достоверность исследований обоснована тем, что исходными материалами для проведения исследований послужили данные изысканий, а также проектные и архивные данные наблюдений и исследований гидрологических, метеорологических, батиграфических, гидравлических и водохозяйственных характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба, а также применением научно-обоснованной методики численного расчета, тестированием разработанной им программы расчетов, реализованной на известных аналитических решениях в среде Ms Excel & VBA.

Положения, выносимые на защиту:

• результаты гидрологических расчётов внутригодового распределения речного стока р.Атбара (Судан) в створе плотины Хашм Эль-Гирба;
• методика и результаты расчётов площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба по его объёмной характеристике;
• результаты прогноза изменения батиграфических характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба при существующем режиме его работы;
• модель расчёта интенсивности испарения с поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба;
• балансовая модель расчёта режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба при изменении его полезного объёма;
• результаты имитации сценариев работы и промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба при различной степени заиленности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и выбор объекта исследований, а также формулируются задачи исследований.

В первой главе “ География, климат, экономика и водные ресурсы государства Судан” проанализированы географические, климатические, ландшафтные, геологические, гидрографические и гидрогеологические характеристики Судана, а также зоны месторасположения водохранилища Хашм Эль-Гирба. Приводится информация о проблемах и перспективах использования водных ресурсов для развития орошаемого земледелия.

Территория Судана составляет 2.5 млн. км2 и располагается между 3°28' и 22°00' с.ш., 21°49' и 38°35' в.д. в тропическом и субэкваториальном климатических поясах. По природным условиям Судан делится на три географические области. На севере простираются пустыни и полупустыни; население и сельскохозяйственные угодья, расположенные здесь, сосредоточены в основном в узкой долине р. Нил. Центральную часть страны пересекает широкий пояс сухих саванн. Юг Судана, называемый «страной рек», представляет собой высокотравную саванну с тропическими лесами. На большей части территории Судана климат переходный от экваториального муссонного в южной части страны к тропическому - в северной. Если на юге страны климат жаркий и влажный, продолжительность сухого периода всего два месяца, а годовое количество осадков достигает 2000 мм в год, то в северной части сухой сезон длится более 10 месяцев, а осадков выпадает в 20 раз меньше, чем на юге.

Единственной речной системой Судана, пересекающей территорию страны с юга на север, является р. Нил. Эта речная система образуется в месте слияния двух притоков р. Нил - Белого и Голубого Нила у столицы Судана г. Хартум. Река Атбара, впадающая в р. Нил в 320 км ниже Хартума, полноводна лишь в период дождей.

Аграрный сектор составляет основу экономики Судана, а динамика сельскохозяйственного производства во многом определяет темпы развития национального хозяйства в целом. Судан располагает значительными земельными угодьями: площадь обрабатываемых земель составляет около 12.5 млн. га, однако орошаемые угодья занимают только 1.9 млн. га или 15% всей обрабатываемой площади. Более 90% общего объёма экспорта Судана составляет сельскохозяйственное сырьё и продовольствие, призводимое в этой стране. Около 70% самодеятельного населения связано с земледелием и животноводством. В районе Эль-Гезиры, находящемся в междуречье Белого и Голубого Нила имеются крупные ирригационные объекты. Подобным объектом также является оросительная система Новая Хальфа (площадь 440000 га), расположенная на землях в бассейне р.Атбара близ водохранилища Хашм Эль-Гирба, снабжаемая водой из этого же водохранилища.

Во второй главе «Гидрологические и климатические характеристики р. Атбара водохранилища Хашм эль- Гирба» приведены обзор и анализ методов интерпретации архивной информации, а также результаты расчёта характеристик, необходимых для имитации сценариев работы водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Водный режим р. Атбара (площадь водосборного бассейна - 112 400 км2, общая длина - 880 км, основные притоки - р. Сетит и р.Верхняя Атбара), начинающейся на северо-западной части Эфиопского высокогорья имеет сезонный характер, период паводка продолжается с июля по ноябрь, а безводная межень - с января по апрель.

Исследованием водного режима и режима наносов водохранилища Хашм Эль-Гирба занимались Абдалла А.А.С, Абдел Ати Х.А., Эльдисоги М.Эли, Имад Бабикер Иед, Хуссин Е.А., Ибрахим Саиед Насир, Мухаммид Ахмед Эли, Сурбо Г.М., Сиям А.М., Тадж Эльсир Ахмед и другие.

Для получения входных статистических данных гидрологического режима стока с целью их последующего использования в имитационных расчётах режима работы водохранилища была проведена обработка исторических данных подекадных объёмов речного стока, полученных на гидрометрическом посту у г. Эльшавак (80 км выше створа плотины) за период с 1966 по 2001 г.г. Для этого в электронных таблицах MS Excel на языке VBA была составлена программа, позволившая сформировать ряды годовых и месячных объёмов речного стока, подобрать функции их распределения, а также рассчитать параметры внутригодового распределения стока в годы 25%, 50% и 75% обеспеченности (рис. 4).

В расчётах внутригодового распределения стока для помесячного распределения был использован метод компановки, а для подекадного распределения - расчётные значения помесячного распределения (рис. 4).

Проведён сопоставительный анализ существующих методов оценки испарения с водной поверхности: метода водного баланса; метода испарителей и испарительных бассейнов; метода теплового баланса; метода турбулентной диффузии; метода эмпирических формул. Этот анализ привел к заключению, что при расчёте испарения с зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба наиболее приемлем метода эмпирических формул.

Среди формул этого метода широко известны зависимости А.П. Браславского, З.А. Викулиной, В.И.Кузнецовым, В.С.Голубевым, Т.Г.Федоровой, В.А. Рымши, Р.В. Донченко, С.Н. Нургалиева и других.

В этом классе зависимостей оценки месячных сумм испарения с поверхности водоёмов, независимо от их размеров, часто и успешно используется выражение с различными значениями входящих в него коэффициентов, которое в общем виде для объёмов месячного испарения с водной поверхности можно представить как:

, (1)

где: е0 - среднемесячное значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мбар; е200 - среднемесячное значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200см, мбар; u200 - среднемесячное значение скорости ветра над водоемом на высоте 200 см, м/с; i - число суток в расчетном интервале времени; A и B – эмпирические коэффициенты.

Учитывая, что это уравнение и наборы соответствующих коэффициентов были получены в основном для условий России, была выдвинута гипотеза о применимости структуры этой зависимости и набора, содержащихся в ней параметров, для условий водохранилища Хашм Эль-Гирба. С целью локализации этого уравнения для этого водохранилища была произведена подборка значений входящих в него эмпирических коэффициентов по имеющимся данным мониторинга 1997 – 2000 г.г.. Для этого были использованы инструменты программного комплекса SigmaPlot, позволяющие проводить оптимизацию эмпирических параметров аналитических функций по параллельным рядам метеорологических наблюдений (температура воздуха, скорость ветра, относительная влажность воздуха, испарение с зеркала водохранилища и.т.д.). В результате оптимизационных расчётов были найдены значения эмпирических коэффициентов А=0,69 и В=0,1132 (с коэффициентом корреляционных отклонений R=0.91 и относительной среднеквадратической ошибкой  =1.51%). Результаты проведенной локализации выражения (1) для условий водохранилища Хашм Эль-Гирба представлены на рис. 5. Эти результаты свидетельствуют о тесноте полученной связи, что позволило использовать полученные расчётные данные испарения с зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба для последующих расчётов режима работы этого водохранилища.

В третьей главе « Изменение батиграфических характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба вследствии его заиления» приведены результаты анализа и моделирования изменения объёмной характеристики и характеристики площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба в результате его заиления.

За прошедшие с момента строительства водохранилища 45 лет было проведено семь исследований изменения его батиграфических характеристик (1965 – 2000 г.г.). Однако в архиве удалось обнаружить в полном комплекте лишь все семь объёмных характеристик за 1965, 1975, 1980, 1985, 1990, 1995 и 2000 г. и лишь одну характеристику площади зеркала водохранилища за 1975 г. (рис. 6).

Известно, что обе батиграфические характеристики (Н) и V(H) связаны между собой выражением (2) и (3). Для выбора способа реализации расчёта площади зеркала по объёмной характеристике было проведено тестирование конечно-разностных моделей «М-1» и «М-2» и полиноминальных аппроксимационных моделей «М-3» и «М-4» с использованием обеих имеющихся характеристик за 1975 г.

Отличие последних двух моделей друг от друга состоит в разбиении моделью «М-4» объёма водохранилища на два составляющих объёма, первый из которых ниже отметки 460 м существенно не изменился после 1975 г., а второй - выше отметки 460 м - претерпел существенное уменьшение. Результаты расчётов, приведенные на рис. 7, показывют, что модели «М-1» и «М-2» не позволили, а модели «М-3» и «М-4» позволили получить удовлетворительную сходимость измеренной и рассчитанной характеристик площади зеркала. При этом было показано, что увеличение степени полинома свыше 3-х не приводит к улучшению результатов расчётов. Сравнение же последних обеих моделей между собой показало, что модель «М-4» позволяет получить несколько лучшие результаты.

Таблица 1