CC BY
132
УДК 556.166, 556.013 Д.А. Бураков, Л.А. Путинцев
МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗА ЕЖЕДНЕВНОГО БОКОВОГО ПРИТОКА В БОГУЧАНСКОЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ
Авторами статьи на основе данных о стоке рек-аналогов произведен расчет и разработан метод краткосрочного прогноза ежедневного бокового притока в водохранилище Богучанской ГЭС. Прогноз бокового притока выполнен с применением программного обеспечения физико-математической модели Д.А. Буракова.
Ключевые слова: весеннее половодье, боковой приток воды, реки-аналоги, гидрологические прогнозы.
D.A. Burakov, L.A. Putintsev
THE CALCULATION AND THE FORECASTMETHODS OF THE DAILY SIDE INFLOWINTOBOGUCHANRESERVOIR
The calculation is made and the method of the short-term forecast of the daily side inflow intotheBoguchan hydroelectric power station reservoir is developedby the authors of the article on the basis of the river-analogs flow-ingdata. The side inflow forecast is done with the application of the physical-mathematical modelsoftware by D.A. Burakov.
Key words: spring flood, waterside inflow, hydrological forecasts.
Введение. Летом 1988 г. обильные ливневые дожди обусловили быстрое наполнение Красноярского водохранилища, что привело к наводнению на Енисее, ущерб от которого составил около 60 млн долл. Если предположить, что боковой приток в Богучанское водохранилище достигнет однопроцентной обеспеченности (6100 м3/с), то с учетом сбросов Усть-Илимской ГЭС Богучанское водохранилище за сутки может быть заполнено на четверть своей полезной емкости. Таким образом, в условиях ограниченной регулирующей емкости водохранилища краткосрочные прогнозы бокового притока исключительно важны, так как на их основе осуществляется регулирование сбросов воды через плотины каскада ангарских ГЭС, обеспечивающих предотвращение переполнения Богучанского водохранилища в многоводные периоды.
Этот и другие примеры доказывают актуальность разработки методов гидрологических прогнозов, необходимых для своевременного предупреждения об опасных и неблагоприятных гидрологических явлениях.
Цель исследований. Усовершенствование способов расчета и прогноза бокового притока в Богучанское водохранилище.
Задачи исследований. Изучить достоинства и недостатки существующих способов расчета бокового притока, а также условия их применения в условиях Сибири; разработать модель для расчета бокового притока в водохранилище с учетом расчетов для водохранилища Богучанской ГЭС; найти способы краткосрочного прогноза бокового притока.
Материалы и методы исследований. Основными методами исследований являются методы водного баланса и гидрологической аналогии, которые в настоящее время широко применяются в практике гидрологических расчетов.
Результаты исследований и их обсуждение. В основу настоящей статьи положены данные гидрометеорологических наблюдений сети станций и постов Среднесибирского и Иркутского УГМС, фондовые материалы, публикации, крупномасштабные топографические карты.
Ангара - крупнейший приток Енисея, уникальной реки нашей страны. Её отличительной чертой является естественная зарегулированность речного стока озером Байкал. Это обстоятельство, а также благоприятные топографические и экологические условия, приводят к тому, что каскад ГЭС на Ангаре по технико-экономическим показателям является наиболее эффективным в России.
Боковой приток в рассматриваемое водохранилище формируется с площади 47000 км2 на участке между плотинами Усть-Илимской и Богучанской ГЭС. Отметка нормального подпорного уровня водохранилища составляет 208,0 м, расчетный напор при НПУ - 65,5 м, площадь зеркала при НПУ - 2326 тыс. км2. Водохранилище осуществляет суточное регулирование стока Ангары и сезонное регулирование боковой приточности, колебания уровня водохранилища в течение года не превысят 1 м.
ВестникКрасГАУ. 2015. № 1
Богучанское водохранилище располагается на территории Кежемского административного района Красноярского края и Усть-Илимского района Иркутской области. Диапазон высот в бассейне бокового притока водохранилища от 208 до 650 м, преобладают высоты 208-400 м. Возвышенная часть бассейна располагается на востоке водохранилища, между Ангарой и Подкаменной Тунгуской, высота водораздельной линии колеблется от 400 до 600 м. По правобережью р. Ковы (левый приток р. Ангары) тянется Ковинский кряж с высотами до 650 м. Южнее к Ковинскому кряжу примыкает Бирюсинское плато с высотами 450-550 м.
Рассматриваемая территория характеризуется холодными зимами с преобладающей малооблачной безветренной погодой. Лето в среднем теплое, короткое. Климат резко континентальный. В среднем по бассейну выпадет около 400 мм осадков в год. В северо-восточной части района на наветренных склонах Заангарского плато (верхнее течения р. Чадобец) выпадает наибольшее количество осадков в бассейне (450-500 мм). Годовой ход сумм месячных осадков хорошо выражен: наименьшее количество выпадает в феврале и марте (10-20 мм), наибольшее - в августе (около 60 мм). Средняя за многолетний период высота снежного покрова на левом берегу Ангары не превышает 50 см, в пределах правобережья она достигает 75-80 см.
Исследуемая территория находится в пределах Приангарского плато, в зоне южной тайги, с преобладанием светлохвойного леса с наибольшим распространением сосны [1]. Только в северо-западной части бассейна встречается темнохвойная тайга, представленная еловыми, кедровыми и пихтовыми лесами. В бассейне Богучанского водохранилища самыми значительными реками являются Кова, Тушама, Ката и Едарма. Методика расчета и прогноза притока воды в Богучанское водохранилище, разработанная в отделе гидпологических прогнозов Среднесибирского УГМС в 80-х гг., требует коренной переработки ввиду закрытия за последние 20 лет большинства гидрометеорологических пунктов наблюдений.
В основу ретроспективного расчета бокового притока положены материалы наблюдений за расходами воды малых рек за 1977-1987 гг., бассейны которых располагаются непосредственно на площади водосбора бокового притока. В пределах этой площади выделено три района (рис. 1). В каждом районе определены реки-аналоги, бассейны которых можно рассматривать в качестве ландшафтно-гидрологических индикаторов в соответствующих районах («бассейны-индикаторы» по А.В. Огиевскому).
Рис. 1. Районы и бассейны рек Богучанского водохранилища
Коэффициенты приведения стока бассейнов-аналогов к величинам стока районов определялись через отношения площади районов к соответствующим площадям бассейнов. Исходя из принятой схемы, суточные величины бокового притока в водохранилище Богучанской ГЭС за 1977-1987 годы рассчитаны по формуле:
Об ок (1) = О№Кода
/1
1 у
)
Едарма
-РС)
Тушама
К
/ + /3
■ О^Ката
1 3
3 у
/4
■ 300,
(1)
Ч-/ 4 у
где Обок(1) - расход воды бокового притока; П, Р2, Р3 - площади районов; И, !2, !3, !4 - площади водосборов рек-аналогов; ОЩкода, 0&)Етрш1,0&)Тушвш1 О^Ката - расходы воды бассейнов-аналогов: р. Кода - 7 км от
устья, р. Едарма - д. Едарма, р. Тушама - д. Тушама, р. Ката - д. Ката.
Формула (1) учитывает дополнительное подземное питание реки Ангары подземными водами за счет превышения вреза её речной долины по сравнению с менее глубоким врезом долин малых рек. На основе расчета баланса расходов воды с использованием наблюдений в створе Усть-Илимской ГЭС и у пос. Сыро-молотово (створ плотины Богучанской ГЭС) и наблюдений по рекам-аналогам, средний суточный расход воды дополнительного подземного притока принят равным 300 м3/с. Рассчитанные таким образом за 10 лет величины суточных расходов воды бокового притока Qбок(t) являются исходными в дальнейшем анализе.
В настоящее время наблюдения за расходами воды проводятся только на двух малых реках: 1) Qч(t) -р. Чадобец - пос. Яркино; 2) Qм(t) - р. Мура - пос. Ирба. Рассмотрим ландшафтно-гидрологические характеристики этих бассейнов.
Река Мура (левый приток р. Ангары) берет свое начало в пределах Бирюсинского плато. Восточная часть бассейна имеет общую водораздельную линию с бассейном Богучанского водохранилища. Высота у истоков реки составляет около 450 м, в районе устья - 150 м. Средняя высота водосбора 320 м. В среднем и нижнем течении располагается Мурская низина, граничащая с бассейном Ковы. В бассейне реки Мура 85 % площади занимают массивы темнохвойной тайги. Почвы в бассейне в основном дерново-позолистые. Механический состав разнообразен. В верхнем и среднем течении до впадения р. Чудоба (правый приток р. Муры) распространены песчаные и легкосуглинистые почвы, ниже по течению они сменяются хрящеватыми. Растительность представлена преимущественно сосновыми средне- и южнотаежными лесами. Безлесные участки составляют 15 %, они встречаются в районе пос. Ирба и у устья р. Чудоба.
Река Чадобец (правый приток р. Ангары) имеет площадь бассейна 13 700 км2. Берет начало в восточных склонах Тунгусского хребта близ истоков р. Подкаменной Тунгуски. В районе истока высоты составляют около 600 м, в устье 150 м, средняя высота водосбора 390 м. Юго-восточная граница бассейна имеет общий водороздел с бассейном Богучанского водохранилища. Высоты на этом участке составляют 350-550 м. Почвы в бассейне в основном дерново-позолистые, в верхнем течении преобладают мерзлотно-таежные. Механический состав представлен хрящеватыми (щебнистыми) почвами, залегающими на древних аллюви-ально-делювиальных отложениях. Основным типом растительности являются темнохвойные леса, которые занимают около 95 % бассейна.
Бассейны рек Мура и Чадобец располагаются на небольшом удалении от бассейна бокового притока в Богучанское водохранилище (рис. 2) и характеризуются подобными ландшафтно-гидрологическими условиями, что послужило основанием рассматривать их в качестве бассейнов-аналогов. Действительно, используя материалы наблюдений по стоку рек Мура и Чадобец, удалось получить достаточно тесную корреляционную зависимость с расходами воды бокового притока, рассчитанного по формуле (1).
Рис. 2. Схема расположения рек-аналогов: 1 - бассейн реки Чадобец; 2 - бассейн реки Мура
Вестник^КрасТЯУ. 2015. № 1
В результате получено уравнение, позволяющее рассчитывать боковой приток с использованием материалов наблюдений по указанным рекам:
Qбок(t)=3,07xQм (0 + 1,64^ч(Ц+1,2х[^ч(Ц - Qч(t-1)]+349> (2)
где Qбок - среднесуточный расход воды бокового притока в Богучанское водохранилище; Qм, Qч - среднесуточные расходы воды соответственно на г/п: р. Мура - пос. Ирба, р. Чадобец - пос. Яркино. Поясним, что выражение - Qч(t-1)] в уравнении (2) характеризует тенденцию (изменение за сутки) расходов воды реки Чадобец, учет которой повышает тесноту связи.
Коэффициент множественной корреляции полученной зависимости Р равен 0,966; Статистики коэффициентов регрессии превышают 9,0, т.е. стандартные ошибки коэффициентов регрессии существенно меньше значений этих коэффициентов.
Другой способ расчета бокового притока основан на уравнении квазиустановившегося движения воды [2], устанавливающего связь между расходами воды верхнего и нижнего створов на заданном участке реки. В этом случае уравнение для прогноза суточного притока Qбок(t) получает вид:
Ь
Qбок(t) = I Ч<Я = Qн(t) - Qв(t-т), (3)
0
где Qн(t) - расход воды (м3/с) в створе плотины Богучанской ГЭС (пос. Сыромолотово, нижний створ); Qв(t-т) - сбросы Усть-Илимской ГЭС (верхний створ); я - элементарный боковой приток на единицу длины в единицу времени на участке реки Ангары между плотинами Богучанской и Усть-Илимской ГЭС (мз/мхс); 1_ - длина участка Ангары между Усть-Илимской и Богучанской ГЭС; т - сдвижка на время добегания.
Рассчитанный за 1977-1987 гг. по уравнению (3) суточный боковой приток сопоставлен с полученными выше значениями притока по формуле (1). Оказалось, что сдвижка на время добегания т составляет 4 сут, что примерно равно времени добегания на участке реки Ангары от плотины Усть-Илимской ГЭС до пос. Сыромолотово (360 км). Заметим, что весенние расходы воды при подвижках льда и во время ледохода не учитывались из-за низкой точности подсчета стока в пос. Сыромолотово при наличии ледовых явлений.
Расходы бокового притока, определенные по формулам (1) и (3), практически совпали, что вытекает из подобия условий формирования водного режима рассматриваемых рек-аналогов и подтверждает надежность расчета бокового притока по формулам (1)-(2). Итак, формула (2) может использоваться для расчета бокового притока за период 1977-2012 гг. и в последующие годы.
Разработка методики прогноза бокового притока предусматривает оценку бокового притока по материалам многолетних наблюдений; адаптацию программного обеспечения математической модели прогноза, используемой в сибирских УГМС (модель Д.А. Буракова [3]). Прогноз бокового притока выполнен с применением программного обеспечения математической модели. Принципы построения модели и ее структура показаны на рис. 3-4 [3].
Принципы построения модели
( "I
В бассейне выделяются ландшафтно-гидроло-гические районы и высотные зоны
т
В районах и высотных зонах пространственная неравномерность снегонакопления и емкостного поглощения учитываются с применением вероятностных распределений
г* >
Русловое добегание воды рассчитывается с применением функции плотности распределения времени добегания элементарных объемов воды и теоретических формул моментов
Рис. 3. Принципы построения модели прогноза 57
Использовались данные о запасах воды в снежном покрове по результатам снегомерных съемок, показатель осеннего увлажнения (сток р. Чадобец за октябрь в предшествующем году), наблюдения за температурой воздуха.
Расчет снегонакопления по районам и высотным зонам бассейна
Общая структура модели формирования стока
т
Расчет снеготаяния и площади снегового покрытия
Расчет водоотдачи бассейна от талых вод и жидких осадков с учетом поглощения и задержания воды
Расчет динамичного запаса воды на склонах и притока воды в русловую сеть
Расчет руслового до-бегания воды к замыкающему створу
Рис. 4. Структура модели прогноза
Оптимизация неизвестных параметров модели выполнялась по данным многолетних наблюдений, что позволило установить значение скоростей добегания, параметров поглощения и задержания талой и дождевой воды в бассейне, коэффициенты стаивания, высотные градиенты температуры воздуха и осадков и др.
Заключение. Применение модели краткосрочного или среднесрочного прогноза считается эффективным, если средняя квадратичная ошибка прогноза (S) меньше среднего квадратичного отклонения (а) предсказываемой величины за период заблаговременности прогноза. Приемлемой считается методика прогноза, для которой соотношение S/a не превышает 0,8, причем при S/a <0,5 качество методики «хорошее», при 0,5-0,8 - «удовлетворительное». При S/a от 0,8 до 1,0 методика «неудовлетворительная». Расчеты, выполненные по материалам независимых наблюдений, дали критерии качества S/a от 0,38 до 0,50 при заблаговременности прогноза от 1 до 5 сут, что указывает на «хорошую» оценку качества методики прогнозов.
Выводы
1. Бассейны рек Мура и Чадобец по условиям формирования стока являются репрезентативными аналогами для бассейна бокового притока в Богучанское водохранилище.
2. Используя материалы наблюдений по стоку этих рек, удалось получить ежедневный боковой приток в водохранилище и адаптировать концептуальную математическую модель его краткосрочного прогноза.
3. Полученные оценки качества модели прогноза позволяют рекомендовать её для использования в оперативной практике Гидрометцентра Среднесибирского УГМС.
Литература
1. Раковская Э.М., Давыдова М.И. Физическая география России. - М.: Владос, 2001. - Ч. 2. - 174 с.
2. Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 418 с.
3. Бураков Д.А., Адамович А.А. Долгосрочные прогнозы притока воды в водохранилища енисейских ГЭС с применением математической модели // Метеорология и гидрология. - 2006. - № 1. - С. 95-105.
