CC BY
19
УДК 536.2:532.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ БЕЛОВСКОЙ ГРЭС С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ
Марина Владимировна Крайнева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Анатолий Александрович Леженин
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Олег Викторович Климов
Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, кандидат географических наук, зам. директора института, тел. (383)222-41-39, e-mail: [email protected]
Для изучения процессов теплового загрязнения Беловского водохранилища используется гидродинамическая модель. Приведены результаты исследования параметров гидротермического режима Беловского водохранилища при различных гидрометеорологических ситуациях. Показано, что определяющую роль в переносе теплых вод в водохранилище играют стоковые течения, характеристики которых определяются расходами впадающих рек, неравномерной работой ГРЭС, дрейфовыми течения и метеорологическими условиями.
Ключевые слова: водохранилище, тепловое загрязнение, численное моделирование.
STUDYING THE HYDROTHERMAL REGIME OF THE BELOVSKAYA REGIONAL POWER STATION COOLING POND USING A NUMERICAL MODEL
Marina V. Kraineva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, junior scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Elena N. Golubeva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., leading scientist, tel. e-mail: [email protected]
Anatoly A. Lezhenin
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. e-mail: [email protected]
630090, Russia, (383)330-64-50,
630090, Russia, (383)330-64-50,
Oleg V. Klimov
Siberian Regional Hydrometeorological Research Institute, The Federal Service for Hydrometeoro-lody and Environmental Monitoring, 630099, Russia, Novosibirsk, 30 Sovetskay St., Ph. D., Depute Director, tel. (383)222-41-39, e-mail: [email protected]
A hydrodynamic model to study the thermal pollution processes of the Belovo Reservoir is proposed. The results of studying the parameters of the hydrothermal regime of the Belovo reservoir under various hydrometeorological conditions are presented. It is shown that the flowing currents play the key role in the transfer of warm waters into the reservoir, whose characteristics are determined by the water discharge of the flowing rivers, the uneven operation of the regional power station, drift currents and certain meteorological conditions.
Key words: reservoir, calefaction, thermal pollution, numerical simulation.
Введение. Гидротермический режим в водоеме-охладителе в большой степени определяется сбросом подогретых вод ГРЭС. Поступление дополнительного тепла в водохранилище формирует термический режим, который не свойственен водоемам в данной природной зоне [1]. При этом повышение температуры воды существенно изменяет ее свойства (вязкость, испарение, растворимость солей и газов и другие), а также определяет иной характер протекания химических, физико-химических, биохимических и других процессов в водной среде и в донных отложениях.
Объект исследования. Для охлаждения подогретых сбросных вод Белов-ской ГРЭС зарегулированием стока реки Иня у г. Белово Кемеровской области в 1964 году был создан водоем. Это равнинное водохранилище руслового типа сезонного регулирования. Створ плотины находится на 547 км от устья, в 116 км от истока реки Иня и замыкает площадь водосбора 1 760 км2, что составляет около 10 % общей водосбора этой реки. Длина водоема 10 км, максимальная ширина 2,3 км, минимальная - 1,0 км, максимальная глубина 12,0 м, средняя - 4,4 м. Объем водных масс 60 млн. м3. Площадь зеркала при нормальном подпорном уровне (НПУ) 13,6 км2, площадь мелководий до 2,0 м при НПУ - 5,4 км2, протяженность береговой линии - 91 км. Объем стока 50 % обеспеченности за год 0,27 км3, за половодье 0,25 км3(91 %). Объем стока 95 % обеспеченности за год 0,13 км3, за половодье 0,12 км3(89 %) [2]. Одна из особенностей Беловского водохранилища, как и других водоемов-охладителей с оборотной системой водоснабжения - большая интенсивность внутреннего водообмена (около 25 раз в год) по сравнению с внешним (около 3 раз). Морфо-метрические особенности Беловского водохранилища рассмотрены в работе [3].
Гидродинамическая модель. Постановка задачи. Для проведения исследования влияния сброса подогретых вод ГРЭС на состояние водохранилища использовалась трехмерная численная модель, построенная на основе гидродинамической модели ИВМиИГ СО РАН, разработанной для исследования циркуляции океана и шельфовых морей [4, 5].
Модельная область аппроксимирует Беловское водохранилище с численной сеткой, имеющей равномерное разрешение 35 м по горизонтали и 1 м по
вертикали. Два основных численных эксперимента, представляемых в данной работе, относятся к летнему периоду. При проведении экспериментов использовалась информация, полученная на основе климатических данных наблюдений: данные о преобладающем направлении и скорости ветра (южный ветер, скорость 2,1 м/с, и северный ветер, скорость 2,3 м/с), температуре и расходе воды р. Ини (24 оС, 3,3 м3/с). В качестве начального распределения температуры воды рассматривалось однородное фоновое поле с температурой, равной температуре р. Ини. На сбросном канале, согласно данным наблюдений, для июля месяца температура воды принималась равной 31 оС. На заборном и сбросном каналах значения расходов воды задавались в соответствии с мощностью работающих агрегатов, число которых при расчетах равнялось двум, четырем или шести, при мощности одного - 25 000 м3/час.
Результаты и обсуждения. Численные расчеты по модели при разных значениях метеорологических параметров и конденсационных нагрузках электростанции проводились для оценки их влияния на процессы переноса тепла в водохранилище. Основной формирования потока в водоеме является поступление вод р. Ини на юге (цифра 1 на рис. 2) и сток вод в северной части области (цифра 2 на рис. 2). Топография дна водоема включает основное русло реки и мелководную часть, циркуляция которой в значительной степени определяется направлением и скоростью ветра. Результаты численных экспериментов показали, что южный ветер способствует усилению основного течения и переносу нагретых вод, поступающих из сбросного канала, на север (рис. 1). Основной сигнал теплового загрязнения распространяется в поверхностном слое.
2 4 6 °Г
Рис. 1. Распространение теплового сигнала при южном ветре для двух, четырех и шести работающих агрегатов
При преобладающем северном ветре наиболее теплые воды концентрируются в районе сбросного канала, а также проходят вдоль левого берега южнее сброса (рис. 2).
2 4 6 °С
Рис. 2. Распространение теплового сигнала при северном ветре для двух, четырех и шести работающих агрегатов
В центральной части водоема отмечается небольшое повышение температуры в соответствии с основным направлением руслового потока. Следует отметить, что при северном ветре численная модель показывает проникновение теплового загрязнения до дна водоема. Во всех вариантах расчетов интенсивность распространения и значение аномалий тепла существенно зависит от мощности сброса.
Заключение. Полученная в результате расчетов картина распространения теплового сигнала, поступающего в водоем из сбросного канала, определяется температурой и мощностью сброса и направлением преобладающего ветра. Максимальные горизонтальные градиенты температуры, отмечающиеся непосредственно вблизи устьевых участков теплых каналов, колеблются в пределах 0,5-0,2 °С/100 м. Площади зон теплового загрязнения для поверхностного слоя, выявленные относительно температур 1 %-ной обеспеченности, достигают в районе Беловской ГРЭС - 4 км2. В периоды максимального прогрева поверхностных вод в водохранилище площадь подогрева прослеживается в направлении основного потока и может составлять около 40 % от общей площади водоема.
Математическая модель, разработанная для расчета полей течений и температур, зон теплового загрязнения Беловского водохранилища, в целом, учитывает все основные теплофизические и гидродинамические процессы, обусловливающие распространение подогретых вод в водоеме.
Дальнейшее совершенствование численной модели водохранилища-охладителя будет направлено на решение задач оптимизации схем эксплуатации агрегатов ГРЭС, с учетом всех факторов, определяющих температуру воды в подогреваемом водоеме.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дрижюс М. Р. Гидротермальный режим водохранилищ-охладителей. - Вильнюс : Мокслас, 1985. - 166 c.
2. Правила использования водных ресурсов Беловского водохранилища / ООО «Прострой-100». - М., 2001. - 35 с.
3. Казьмин С. П., Климов О. В. Морфометрические особенности Беловского водохранилища и экологическая оценка прилегающей территории // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 4. - С. 217-221.
4. Golubeva E. N., Platov G. A. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. - 2007. - V. 112. - C04S05. doi:10.1029/2006JC003734
5. Голубева Е. Н. Численное моделирование динамики Атлантических вод в Арктическом бассейне с использованием схемы QUICKEST // Вычислительные технологии. - 2008. -Т. 13, № 5. - C. 11-24.
© М. В. Крайнева, Е. Н. Голубева, А. А. Леженин, О. В. Климов, 2017
