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, энергетиковинтересует, 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- 79 035 305) 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.

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:Гидрометеоиздат, 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 добегания 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 .