Введение к работе
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.
