Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математические модели и расчеты суточного притока в водохранилища сибирских ГРЭС

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Жоров, Виктор Алексеевич

Введение.

- Глава I. Краткий обзор методов расчёта суточного притока воды в водохранилища.

1.1 Уравнение водного баланса водохранилища.

1.2 Способы расчёта и трансформации основного притока.

1.3 Методы расчёта неизученного притока.

1.3.1 Метод водного баланса.

1.3.2 Метод гидрологической аналогии.

1.3.3 Применение статистических методов.

1.4 Составляющие полезного притока.

Глава 2. Разработка моделей расчёта полезного притока.

2.1 Математическая Модель расчёта бокового притока

2.2 Математическая модель трансформации бокового притока.

2.2.1 Оценка моментов кривой добегания на бесприточном участке русла.

2.2.2 Существующие способы оценки моментов кривой добегания бокового притока.

2.2.3 Разработка модели для оценки моментов кривой добегания бокового притока воды в водохранилище

2.3 Математические модели подземных компонентов полезного притока.

2.3.1 Подземная аккумуляция.

2.3.2 Подземный приток.

Глава 3. Расчёты притока в Красноярское водохранилище.

3.I Физико-географические особенности и водный режим рек бассейна Красноярского водохранилища.

3.2 Анализ элементов водного баланса водохранилища

3.2.1 Поверхностный приток.

3.2.2 Сбросы Красноярской ГЭС.

3.2.3 Аккумуляция в ложе водохранилища.

3.2.4 Прочие компоненты баланса.

3.3 Примеры расчёта полезного притока в Красноярское водохранилище.

3.3.1 Схема расчёта.

3.3.2 Оптимизация параметров модели.III

3.3.3 Результаты расчётов полезного притока в Красноярское водохранилище.

Глава 4, Уточнение методики расчёта притока воды к створу

Саяно-Шушенской ГЭС.

4.1 Бассейн Саяно-Шушенского водохранилища.

4.1.1 Гидрологическая изученность.

4.1.2 Физико-географические особенности и водный режим Верхнего Енисея.

4.1.3 Районирование бассейна бокового притока.

4.2 Результаты расчётов притока воды в Саяно-Шушенекое водохранилище и к створу ГЭС.

4.2.1 Расчёты приточности к створу ГЭС.

4.2.2 Расчёты притока воды в водохранилище.

Глава 5. Разработка методики расчёта суточного притока воды к створу Богучанской ГЭС.

5.1 шизико-географические особенности бассейна Ангары на участке от Усть-Илимской до Богучанской ГЭС и водный режим рек.

5.2 Расчёты притока к створу Богучанской ГЭС.

Введение Диссертация по географии, на тему "Математические модели и расчеты суточного притока в водохранилища сибирских ГРЭС"

За последние годы доля ГЭС в общей выработке электроэнергии заметно возрасла. Бурный рост гидроэнергетики в развивающихся районах Сибири привёл к тому, что от эффективности работы этой важнейшей отрасли всё в большей мере стало зависеть развитие народного хозяйства в целом. В связи с дальнейшим ростом гидроэнергетики, усилением её роли в энергообеспечении народного хозяйства, всё более повышаются требования к качеству и оперативности её гидрометеорологического обслуживания. Прежде всего это касается расчётов и прогнозов притока воды в водохранилища.

Дня нормальной эксплуатации крупных водохранилищ необходимы долгосрочные прогнозы притока воды в них. Исследования в области долгосрочного прогнозирования притока в водохранилища сибирских ГЭС выполнены И.П.Дружининым и его школой [23]. Если на основании долгосрочных прогнозов задаётся общий режим работы ГЭС на длительный период, то данные о суточном притоке и краткосрочные его прогнозы служат основой её эксплуатации, оперативного планирования и корректировки диспетчерских графиков.

Практика гидрометеорологического обеспечения ГЭС требует заблаговременной разработки и внедрения методик расчёта, по которым с момента начала заполнения водохранилища должен подсчитываться приток. Потребителей си, в первую очередь, энергетиков; интересует, как правило, не просто величина поверхностного притока, а полезный приток. Для его расчёта необходимо определять практически все компоненты водного баланса водохранилища (осадки, испарение, подземный приток и т.д.). Поэтому в дальнейшем, по мере заполнения водохранилища и появления в его балансе новых компонентов, а также выявления определённых невязок, существующие методики нуждаются в уточнении.

Методики расчёта составляющих водного баланса озёр и водохранилищ за короткие интервалы времени в настоящее время являются ещё недостаточно разработанными. Многие компоненты для суточных периодов либо вообще не рассчитываются, либо определяются с большими погрешностями. Между тем потребителей всё чаще уже не удовлетворяет та точность, с которой мы можем оценить величину полезного притока в водохранилище. Сейчас все крупные гидроэлектростанции связаны в единую энергосистему, зачастую работают в каскадах. Планирование их работы производится с учётом удовлетворения самых различных, порой противоречивых требований многочисленных отраслей народного хозяйства. В этой связи разработка новых приёмов расчёта суточного притока и совершенствование уже имеющихся становится одной из важнейших задач на ближайший период. Особую актуальность эта проблема приобретает в малообжитых и недостаточно изученных в гидрометеорологическом отношении районах Сибири, где строятся и проектируются крупнейшие гидроэлектростанции.

На территории деятельности Красноярского УГКС в настоящее время работают три крупнейшие ГЭС - Красноярская, Саяно-Шушенекая и Хантайская, строятся три новые - Майнская, Курейская, Богучанская. В перспективе строительство ещё целого ряда гидроэлектростанций ( Средне-Енисейской, Туруханской и др.) . Бассейн Енисея становится уникальным по выработке электроэнергии гидроузлами. Уже к настоящему времени доля её составляет здесь 50/6, в то время как в целом по стране не превышает 16%. Не случайно поэтому в Красноярском УГКС накоплен большой опыт гидрометеорологического обслуживания этой важнейшей отрасли народного хозяйства. Настоящая работа является итогом многолетних исследований автора и посвящена целям усовершенствования способов расчёта ежедневного притока воды в водохранилища, разработки рекомендаций по их дальнейшему уточнению, а также обобщения опыта, вытекающего из результатов испытаний различных методов расчёта для крупнейших водохранилищ Сибири. В работе изложены результаты исследований на примере Енисейского каскада ГЭС (Красноярской и Садао-Шушенекой) и Богучанской ГЭС на р.Ангаре. Предложенные схемы расчёта могут быть рекомендованы для других водохранилищ, особенно в слабоизученных в гидрометеорологическом отношении районах страны.

Достижение поставленных целей реализуется решением следующих задач:

1) изучить достоинства и недостатки существующих способов расчёта суточного притока, а также особенности их применения в условиях Сибири;

2) разработать математические модели для расчёта полезного притока воды в водохранилища;

3) с учётом реализации этих моделей для водохранилищ Красноярской, Саяно-Шушенской и Богучанской ГЭС уточнить существующие способы расчёта суточного полезного притока.

Методической основой работы являотся методы водного баланса, и гидрологической аналогии. Оба метода в настоящее время широко применяются в практике гидрологических расчётов. Для оценки параметров разработанных моделей в диссертации используются математические методы ( множественной линейной регрессии, оптимизации). Все расчёты выполнялись на ЭВМ ЕС-1022 и БЭСМ-6. Разработанная методика представлена в виде системы программ для ЭВМ на языке "Фортран".

Исследуемая территория расположена в верхнем и среднем течении Енисея, нижнем течении Ангары и включает в себя горные системы Западного и Восточного Саянов, межгорные котловины в пределах Красноярского края и Тувинской АССР, а также юго-западную часть Средне-Сибирского плоскогорья. Она представляет собой площадь, на которой формируется боковой приток в Красноярское, Саяно-Шушенское и Богучанское водохранилища.

Исходные данные. В основу настоящей работы положены данные гидрометеорологических наблюдений сети станций и постов Красноярского и Иркутского УГКС, отчёты Ленгидропроекта, материалы полевых гидрометрических работ на малых реках, проведённых в Красноярском УГКС под руководством автора, крупномасштабные топографические карты, а также многочисленные литературные источники. Научная новизна» Впервые в практике расчётов притока:

1) произведены расчёты суточного полезного притока на основе совместного использования метода водного баланса, метода гидрологической аналогии и математических методов;

2) получены новые расчётные формулы для оценки моментов кривых добегания бокового притока, позволяющие с определённой схематизацией учитывать неравномерность распределения модулей стока и величины притока в русловую сеть по длине основной реки и вдоль боковых притоков, частичную трансформацию притока в русловую сеть расчётного бассейна русловой сетью бассейна-аналога, а также дифференцировать параметры кривых добегания для основной реки и боковых притоков;

3) разработана схема, позволяющая учитывать изменение коэффициентов стоковой приводки рек-аналогов в зависимости от изменения их водности и распределения модулей стока по высоте в расчётном бассете;

4) получена формула для расчёта аккумуляции в ложе водохранилища за суточные интервалы времени;

5) разработаны приближённые модели расчёта подземной аккумуляции и подземного притока, позволяющие вести расчёты за суточные интервалы времени и использующие информацию только о колебаниях уровня водохранилища.

Впервые для исследуемого района:

1) произведено гидрологическое районирование бассейна бокового притока Сашо-Шушенского водохранилища, учитывающее расположение основных горных хребтов и распределение по площади густоты речной сети;

2) исследованы причины возникновения систематических погрешностей учёта стока в русловых гидростворах, показаны пути их устранения, произведена увязка стока в нижнем бъефе Красноярской ГЭС;

3) осуществлены расчёты элементов водного баланса Краснощекого водохранилища за суточные интервалы времени и произведён анализ ежедневных невязок баланса;

4) получены приближённые эмпирические формулы, произведены расчёты пойменного регулирования и потерь стока на пойме для участка Верхнего Енисея от г.Кызыла до с.Чаа-Холь ;

5) показана возможность срезки заторных пиков гидрографа р.Ангары у с.Сыромолотово.

Практическая ценность диссертационной работы определяется её направленностью на разработку методик расчёта полезного притока в водохранилища ГЭС. Результаты работы рассмотрены на технических семинарах Красноярского гидрометцентра, технических советах Красноярского УГКС, приняты к внедрению и используются в оперативной практике отдела гидропрогнозов и сетевых подразделений Красноярского УГКС. Кроме того в настоящее время в отделе гидропрогнозов Краснощекого УГКС под руководством автора ведутся работы по уточнению схемы расчёта суточного притока в Хантайское водохранилище в соответствии с основными принципами, изложенными в диссертационной работе. В перспективе намечено планами отдела гидропрогнозов проведение подобных разработок для всех проектируемых в бассейне Енисея гидроэлектростанций.

Разработанные способы расчёта полезного притока с наибольшей эффективностью могут использоваться для расчётов приточности в водохранилища, расположенные в слабоизученных в гидрометеорологическом отношении районах. Проведённые испытания этой методики дают возможность сделать вывод о её перспективности и практической актуальности для гидрометеорологического обслуживания гидроузлов.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на технических семинарах бюро погоды и Красноярской ГМО, а затем гидрометцентра Красноярского УГКС, на технических советах КУГКС, конференциях молодых учёных и специалистов ЗапСибНИИ (Новосибирск, 1981,1983), Всесоюзном совещании "Гидрометеорологическое обеспечение народного хозяйства Сибири" (Новосибирск,1983), Всесоюзной конференции "Научные и практические основы управления техническим состоянием ангарских водохранилищ" (Братск, 1984 ), заседаниях кафедры гидрологии суши Томского госуниверситета, а также на международных высших гидрологических курсах ЮНЕСКО ( Москва,1983).

Данная работа является составной частью научно-исследовательских работ кафедры гидрологии суши Томского госуниверситета по теме "Гидрология Западной Сибири" (П- 79035305 ) и научных исследований гидрометцентра Красноярского УГКС, выполняющихся в соответствии с заданиями Госкомитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды (тема № III.21.04 - "Усовершенствование методов расчёта основных элементов водного баланса и гидрометеорологического режима озёр и водохранилищ") и планами Красноярского УГКС по темам: "Уточнение составляющих водного баланса Красноярского водохранилища (№ 10), "Уточнение схемы расчёта притока воды к створу Саяно-Шушенской ГЭС" (№ 9), "Уточнение схем расчёта притока воды в водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС на р.Енисее и Богу-чанской ГЭС на р.Ангаре (№ 3.1).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объём работы 211 страниц, из них 129 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 15 таблиц. Приложение

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Жоров, Виктор Алексеевич, Томск

1. Аверьянова Т.А,,Петров Г.Н. Плотность гидрографической сети Среднего Поволжья.-Изв.Казанского фил.АН СССР,сер,энерг. и водн.х-ва,1961,вып.2,с.79-95.

2. Антипов А.Н. ,Корытный Л.М, Географические аспекты гидрологических исследований.-Новосибирск:Наука, 1981,-177 с .

3. Антонова Т.С. Уточнение методики расчёта водного баланса Верхнетуломского водохранилища.-Сб.работ по гидрологии,1979, Р 15,0.66-80.

4. Асатур К,Г. О неустановившемся движении грунтовых вод, притекающих к водохранилищу.-ДАН СССР,1954,т.ХСУ,№ 2,с.233-236.

5. Будаговский А.И. К вопросу о тахиграфических кривых и их применимости к расчётам речного паводка.-Метеорология и гидрология, 1949, № 5,0.88-97.

6. Бураков Д.А. Вероятностный анализ в приближённой теории перемещения водных масс.-Метеорология и гидрология, 1973,№ 4 ,с . 52-58.

7. Бураков Д.А. Кривые добегания и расчёт, гидрографа весеннего половодья,-Томск:Изд-во Томского госуниверситета,1978.-130 с ,

8. Бураков Д.А. К ои;енке параметров уравнений, аппроксимирующих. кривую руслового добегания.-Водные ресурсы,1978,№4,с.22-34.

9. Бураков Д.А. Расчёты речных паводков с применением аналогов.- - 157 --Метеорология и гидрология,1982,Р 10,с.79-88.

10. Бураков Д.А, ,1оров В,А. Расчёты полезного притока в водохранилища сибирских ГЭС.-В кн,:Научные и практические основы управления техническим состоянием ангарских водохранилищ (тез.докл. к конференции).-Братск:1984,с.23-24.

11. Бураков Д,А.,Й1ишев Н.Г. Аппроксимация кривой добегания стока с использованием статистических распределений.-Метеорология и гидрология,1976,Р 12,с.73-82.

12. Вентцель Е.С, Теория вероятностей,-М.:Физматгиз,1958.-458 с .

13. Вольфцун И.Б, Расчёты элементов баланса грунтовых вод.-Л,: Гидрометеоиздат,1972.-272 с .

14. Вострякова Н.В. Уточнение методики расчёта притока воды в водохранилище Красноярской ГЭС.-Труды ЗалСибШИГМИ, 1976,вып. 28,0.39-47.

15. Вострякова Н.В,,Мельникова А,А. К методике определения притока воды в Крапивинское водохранилище на р,Томи.-Труды Зап-СибРНИГМЙ,1977,вып.35,с.72-77.

16. Викулина 3,А, Водный баланс озёр и водохранилищ Советского Союза.-Л.:Гидрометеоиздат,1979.-175 с , .

17. Виноградов В.Л. Формирование и увязка стока в верховьях р, Амударьи,-Труды ГГИ,197б,вып.234,с.5-16.

18. Виноградов В.Л, Определение расходов воды в створах ГЭС с использованием характеристик гидроагрегатов.-Труды ГГИ, 1978, вып.256,с.65-71.

19. Виноградов В.Л,,Фёдоров Н,Н. К вопросу увязки стока воды в створах ГЭС и на русловых гидростворах,-Гидротехническое строительство ,1978,Р 12,с.23-24.

20. Гета Р.И, Водный баланс Братского водохранилища,-Новосибирск: Наука, 1978,-134 с .

21. Дружинин И.П,,Хамьянова Н,В,,Лобановская Ю.А. Прогноз гидро- - 158 -метеорологических элементов (с годовой заблаговременностью). -Новосибирск :Наука, 1977. -168 с . .

22. Железняк И.А. Регулирование паводочного стока,-Л,:Гидрометео- издат, 1965.-326 с ,

23. Жоров В,А, Способ расчёта приточности в водохранилища ГЭС (на примере Саяно-Шушенского водохранилища).-В кн.:Гидрометеорологическое обеспечение народного хозяйства Сибири (тез. докл.Всесоюзн.совещания).-Новосибирск:1983,с.92-95.

24. Жоров В,А. К расчёту бокового притока в Красноярское водохранилище , -Труды ЗапСибНИИ, 1983, вып. 56, с.55-57.

25. Жидиков А.П.,Левин А,Г.,Нечаева Н.С. Расчёт и оценка ежедневного бокового притока воды в водохранилище,-Труды Гидрометцентра СССР, 1974, вып. 131,0.73-103.

26. Жидиков А.П.,Левин А.Г.,Нечаева Н.С,Попов Е.Г. Методы расчёта и прогноза половодья для каскада водохранилищ и речных систем.-Л. :Гидрометеоиздат, 1977,-128 с, .

27. Захаров В,В,,Поляковская И.Д, ,Хаскина М.И, Расчёт притока воды к Красноярской ГЭС.-Труды Гидрометцентра СССР, 1975,вып, 168,0.65-76.

28. Инишев Н,Г, Применение вероятностной модели времени добега- ния для расчёта гидрографа половодья (на примере р,Чулым),--Метеорология и гидрология,1981,Р 9,с,94-100.

29. Калинин Г,П.,Милюков П.И. Приближённый расчёт неустановившегося движения водных масс,-Труды ЦШ, 1958,вып,66.-70 с

30. Карасёв И.Ф, методы и оценка точности гидрометрического учёта стока,-Труды ГГИ, 1976,вып.234,с,52-71.

31. Корень В.И.,Чернова Н,П. Учёт распределённого бокового притока при расчётах неустановившегося движения воды.-Труды Гидрометцентра СССР,1982,вып.240,с.67-73.

32. Методы изучения режима водных объектов.-Л,:Гидрометеоиздат, 1982.-392 с .

33. Мишон В,М. Практическая гидрофизика,-Л,:Гидрометеоиздат, 1983.-176 с .

34. Наблюдения на гидрологической сети СССР: определение понятий гидрометеорологических элементов и оценка точности наблюдений, -Л.: Гидромете оиздат, 1970, -92 с . .

35. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам,вып.6, ч. 1.-Л. гП-тдроме те оиздат, 1978.-384 с . .

36. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды.-Л. :Гидрометеоиздат,1971.-47б с .

37. Нежиховский Р.А. Методы подсчёта притока воды в водохранилище (критический обзор и предложения).-Труды ГГИ,1972,вып.197, с. 102-III.

38. Не}киховский Р.А. Гидрологические расчёты и прогнозы при эксплуатации водохранилищ.-Л.гГидрометеоиздат, 1976.-191 с .

39. Никитин A.M.,Лукина Н.К. Определение составляющих водного баланса Талпюнтского водохранилища.-Сб. трудов Ташкентского госуниверситета, 1976,Р 523,с.40-51.

40. Огиевский А.В. Бассейны-индикаторы.-Труды НИУ ГУГМС, 1947,сер. IV,вып.26.-184 е . .

41. Панов Б.П. Количественные характеристшш речной сети.-Труды ГГИ, 1948,вып.4(58),с. 122-149.

42. Петров Г.Н. Меженный сток и его изучение.-Изв.Казанского фил. АН СССР,сер.энерг. и водн.х-ва,1956,вып.I,с.29-53.

43. Попов Е.Г. Вопросы теории и практики прогнозов речного стока. -М.:Гидрометеоиздат,1963.-394 с . .

44. Попов О.В. Подзегшое питание рек.-Л,:Гидрометеоиздат,1968.- -291 с .