авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

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

-- [ Страница 1 ] --

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



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.