CC BY
22
УДК 502/504:556.16 Б01 10.26897/1997-6011/2020-2-99-104
Г.Х. ИСМАЙЫЛОВ, А.В. ПЕРМИНОВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева», г. Москва, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ КАСКАДА ГИДРОУЗЛОВ ВЕРХНЕВОЛЖСКОЙ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ
В статье на примере Верхневолжской водохозяйственной системы (ВХС) проводится анализ и даётся оценка функционирования этой системы в изменяющихся природных и хозяйственных условиях. Выявлены основные особенности управления водными ресурсами в современных условиях. Для решения задачи поиска оптимальных режимов работы Верхневолжского каскада гидроузлов разработан специальный алгоритм (модельный комплекс), работающий в имитационном режиме и использующий принципы многокритериальной оптимизации справедливых уступок. Объектом исследования является Верхневолжская ВХС. Функционирование системы описано уравнениями на каждом расчетном отрезке времени. Результаты имитационного эксперимента показывают, что используемая модель «IMIT-BALANS» позволяет реализовать режимы работы Верхневолжского каскадов гидроузлов как в маловодные годы, так и в годы средней и высокой водности.
Гидроузел, водохранилище, каскад водохранилищ, водность сезона, режим наполнения, холостой сброс, навигационный уровень, уровень сработки водохранилища.
Введение. Анализ использования водных ресурсов Верхневолжской ВХС выявил особенности управления водными ресурсами:
- дефицит водных ресурсов в отдельные промежутки времени, а также ухудшение их качества ведут к обострению водохозяйственных проблем;
- значительный ущерб, наносимый окружающей природной среде, при возрастании антропогенного воздействия на водные ресурсы в зоне формирования, транспортировки и использования стока, что противоречит условиям функционирования водохозяйственные системы (ВХС), включающих себя каскад водохранилищ.
Исходя из перечисленного, возникает необходимость усовершенствования методики анализа и оценки эффективности управления водными ресурсами рассматриваемого речного бассейна. В ходе применения модельного комплекса «1М1Т-БЛЬЛКС» выполнен анализ режима работы Верхневолжского каскада водохранилищ и оценена эффективность работы этой водохозяйственной системы. [1, 2, 3, 4].
Объектом исследования является Верхневолжский ВХС, являющимся одной из ступени Волжско-Камского каскада, состоящий из следующих гидроузлов — Иваньковский, Угличский, Рыбинский, Горьков-ский (Нижегородский), Чебоксарский. Взаимное расположение гидроузлов показано на рисунке 1. Основные характеристики
Верхневолжских водохранилищ приведены в таблице 1.
Рис. 1. Верхневолжская водохозяйственная система
Иваньковское водохранилище. Площадь водосбора 40,57 тыс. км2, среднемно-голетний сток 9,63 км3 в год, сток весеннего половодья 4,71 (49%) км3. Отметка минимального навигационного уровня водохранилища равна 121,7 м, отметка ФПУ 124,2 м. Отметка сработки водохранилища в период навигации допустима до 121,7 м. Отметка предполоводной сработки водохранилища выполняется до 118,0 м, при наступлении маловодного половодья — до 120-121 м.
Угличское водохранилище. «Площадь водосбора составляет 60,04 тыс. км2, среднемноголетний сток 13,59 км3 в год, сток весеннего половодья 6,2 км3. Отметка уровня навигационной сработки водохранилища равна 111,0 м, фактически же водохранилище срабатывается до отметки 110,5-110,6 м, а в маловодные годы до отметки 112,0 м.»
Таблица 1
Основные характеристики Верхневолжских водохранилищ
Водохранилище Годы заполнения Объём, км3 Площадь зеркала при НПУ, км2 Отметка уровня воды при УМО, м Отметка уровня воды при НПУ, м
полный полезный
Верхневолжское 1845,1944 0,52 0,47 183 203,00 206,50
Иваньковское 1937 1,12 0,81 327 119,50 124,00
Угличское 1939-1943 1,25 0,81 249 107,50 113,00
Рыбинское 1940-1949 25,42 16,67 4550 97,10 102,00
Горьковское 1955-1957 8,82 3,90 1591 82,00 84,00
Чебоксарское* 1981 4,60/12,60 0/5,40 1080/2170 63 63/68**
*числитель — современный подпорный уровень, знаменатель — проектный уровень. ** Проектный уровень.
Рыбинское водохранилище: «Подпор водохранилища распространяется от г. Рыбинска по р. Волге до Угличского гидроузла, по р. Шексне - до Череповецкого гидроузла и по р. Мологе — до п. Попчиха. Отметка уровня навигационной сработки водохранилища — 99,5 м. Отметка предполо-водной сработки при прогнозе многоводных и средних половодий — 98,0 м, а при прогнозе маловодных половодий — 99,0-100,0 м. Минимальный допустимый уровень в зимний период (УМО) — 97,1 м. Нормальный напор на гидроузле 18,4 м.»
Горьковское водохранилище. «Напор на гидроузле при НПУ 15 м. Отметка уровня навигационной сработки 83,6 м. Минимальный допустимый предполоводный уровень 81,0 м. Расчетный минимальный навигационный уровень в нижнем бьефе гидроузла, предусмотренный «Основными правилами» равен 67,25 м, а зимний — 66,30 м. Полезный объём Горьковского водохранилища составляет всего 2,8 км3, поэтому возможно осуществлять только недельное и суточное регулирование стока. Нормальный режим попусков воды в нижний бьеф гидроузла при 90% обеспеченности 1100 м3/с, гарантированный с обеспеченностью около 100% — 850 м3/с. В интересах водного транспорта в начальный период навигации через Горьковский гидроузел могут сбрасываться расходы 1500-2500 м3/с.»
Чебоксарское водохранилище. «В настоящее время гидроузел эксплуатируется при промежуточной отметке 63,0 м. Отметки уровней на водохранилище в течение навигации стабильные, навигационной сработки не предусматривается. В период весеннего половодья допускается повышение уровня воды у плотины до отметки 63,75 м с последующей сработкой до НПУ. Регулирование Чебоксарского водохранилища суточное и недельное.» [5]
Методика исследований. Принимая в расчет многокомпонентность задачи функционирования каскада водохранилищ, для изучения данного процесса наиболее подходящим является метод машинной имитации с использованием блочной структуры. Основное назначение блочной структуры — разукрупнение изучаемого процесса функционирования каскада водохранилищ на ряд составных процессов, в частности, речь идет о формировании критерия эффективности функционировании системы и математических уравнений, определяющих поведение системы при переходе из одного состояния в другое. В конечном итоге получаем структуру элементов рассматриваемой схемы. Фазовые координаты рассматриваемой структуры определяются такими системами уравнениями как: динамики воды в водохранилище в момент времени 1 и уравнения кинетики процессов смешения солей в водохранилище в момент времени В качестве такой системы для исследования режима работы Верхневолжской ВХС использован нами модельного комплекса «1М1Т-БЛЬЛКС» [1, 2, 3, 6].
Результаты исследований. Анализ фактических данных показал, что временные ряды климатических и гидрологических характеристик Верхней Волги содержат циклы колебаний, характеризующиеся некоторой повторяемостью, но различающиеся по своим параметрам, что формирует концепцию, включающую в себя антропо-генно-обусловенное (нестационарное) изменение речного стока [7, 8, 9].
Результаты исследования показали, что при 5%-м уровне значимости подавляющее число стоковых рядов бассейна Верхней Волги являются стационарными. Нестационарность же выявлена во временных рядах весеннего половодья и летне-осеннего и зимнего межени.
Для оценки результатов имитационной модели послужили следующие критерии:
- отметка предполоводной сработки водохранилища;
- дата начала половодья;
- срок наполнения до отметки НПУ;
-выдерживание отметок минимального навигационного уровня (МНУ):
В статье приведены результаты имитационной модели для лет со средней водностью (Р = 40-60%), графики показаны только для части каскада водохранилищ Верней Волги, а именно Иваньковского и Угличского. Модель реализована на примере двухлеток — модельный ансамбль лет водности с заданными параметрами обеспеченности.
126,00 125,00 124,00 123,00 122,00 121,00 . 120.00 119,00 118,00 ■ 117,00 116,00 115,00 114,00 113,00 112,00 111,00
Иваньковское водохранилище 1941/42-1942/43 гг. (рг: 51/54%, рв: 14/28%), (рг: 56/56%, рв: 37/47%)
!—* И т =12 4,0< 1 >го '=12 4,2(
/ \ У!
1/ ЛТР ГУ= 171 70
е- — — ) — К- е- : с < // — — г— — к- —
ч \ у / (- > / ЛО- =ш \
\ * -) ■—» е- *
а
г/ \ \\
\ ;
• '/
/
Ьь ■т МИ* / м т чЧ А И и М
3000
2000 ^
<ЙЧ Ф 4е5 ^Ч* ф ^ ъ4 О4 <йЧ <ЙЧ <йЧ ^ ^ ^ ^Ч Л <йЧ ^ ^ <йЧ <ЙЧ (5Ч О4 <йЧ
ФПУ МНУ -Расчетный уровень Санитарный попуск
НПУ период
• Верхняя граница зоны гарантпр. отдачи •Х- ■ • общий приток
Забор в канал им. Москвы
УМО
■ Нижняя граница зоны гарантпр. отдачи 1 Требуемый попуск -Расчетный попуск
Рис. 2. Результаты имитационного эксперимента в период средней водности Иваньковского водохранилища 1941/1942 и 1942/1943 гг. (Р В : 51/54%Р В В : 14/28%)
х год Волги год Верх. Волги '
114,00 113,00 112,00 111,00 110,00 109,00 ■ 108,00 107.00 106,00 • 105,00 104,00 103,00 102,00 101,00 100,00 99,00
Угличское водохранилище 1941/42-1942/43 гг. (рг: 51/51%, рв: 14/14%), (рг: 56/40%, рв: 37/38%)
1 1 _ Н1Г У=113.С о Ф11 У=1 13,40
/1
/ \11 [У= 111 00
ю= 109 00
XI 7 \\
(
\ И \ \ V* V и —
Л -$—< < — >— :• > — —V — — Н? -* ¡=4 И И — П /ч ани тар ИЫ1 по пус N г-? л
5000
2000 Ь
-¡? ^ ^ <ач ^ о4 о4 ъ4 о4 о4 о4 о4 <Йч <5- ф ^ ° ^ о4 о4
Период
ФПУ НПУ УМО
МНУ • Верхняя граннца зоны гарантпр. отдачи —* * Нижняя граница зоны гарантпр. отдачи
* Расчетный уровень •••Ж*--общий приток —* • Требуемый попуск в Санитарный попуск ■ Расчетный попуск
Рис. 3. Результаты имитационного эксперимента в период средней водности Угличского водохранилища 1941/1942 и 1942/1943 гг. (Р В : 51/51%, Р В В : 14/14%)
год Волги год Верх. Волги
В годы средней водностью, как видно из рисунка 2, в весенний период наполнение Иваньковского водохранилища начинается со второй декады апреля (от отметки пред-половодной сработки 119,5 м) до регламентируемой отметки НПУ (124,0 м) на конец первой декады апреля. Для последующего года начало наполнения несколько позднее — отметка на конец первой декады апреля существенно не отличается от предпо-ловодной, а уровень НПУ устанавливается в первых числах мая. Уровень отметок НПУ (для первого года) поддерживается с первой декады мая до начала июля. Начиная с этого момента водохранилище начинает свою сра-ботку до начала октября, затем подъем уровня воды до отметок НПУ на месячный срок, далее следует понижение уровня вплоть до установления к 1 апреля (начало следующего водохозяйственного года) отметки близкой к 119,5 м в соответствии с обеспеченностью следующего половодья. Самые большие объемы попусков в нижние бьефы осуществляются в период весеннего половодья, максимальный сброс в Угличское водохранилище составил 2040 м3/с в год 51%-й обеспеченности, для года 56%-й обеспеченности составил 1710 м3/с. В период летне-осенней межени в отдельные годы попуски снижаются до 15 м3/с, а затем в зимние месяцы и в период предполоводной сработки увеличиваются до 225 м3/с. Минимальный Навигационный уровень выдерживается как для первого, так последующего года ансамбля лет.
На водохранилище Угличского гидроузла рисунок 3 во время половодья отметка НПУ = 113,0 м устанавливается уже ко второй декаде апреля и с небольшими колебаниями поддерживается вплоть до предполоводной сработки. К 1 апреля следующего водохозяйственного года уровень верхнего бьефа достигает отметки УПС (уровень предполоводной сработки) = 109,0 м. Так же, как и на Иваньковском гидроузле, наибольшие среднесуточные расходы подавались в НБ во время половодья, максимальный из них составил для первого года 2900 м3/с, максимальный сброс в нижний бъеф для последующего года составляет 2700 м3/с, что не превышает суммарную пропускную способность гидротурбин Угличской ГЭС. Характер попусков в период межени можно оценить так: наблюдается снижение попусков до 30 м3/с и во время предполоводной сработки емкости водохранилища сбросной расход составляет 300-600 м3/с. Отметки
МНУ выдерживаются со второй декады апреля до конца навигационного периода, как для первого, так и последующего года.
Необходимо отметить, что во все периоды водности водопотребление и подача воды в канал им. Москвы обеспечиваются полностью без перебоев.
Выводы
Результаты численного эксперимента с применением имитационной модели «1М1Т-БЛЬЛК8» показывают, что при определении режимов сработки и наполнения системы водохранилищ Верхневолжской ВХС в годы с пониженным стоком рассматриваемая модель позволяет удовлетворить требования основных водопользователей бассейна реки с учетом особенностей формирования водных ресурсов в данном районе. Результаты имитационного эксперимента для двух и трехлетки дали удовлетворительный результат, что позволяет обеспечить достоверной информацией лиц, принимающих решения при назначении режимов функционирования Верхневолжского каскада водохранилищ.
Библиографический список
1. Перминов А.В. Имитационно-балансовая модель функционирования системы водохранилищ многоцелевого назначения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — М.: 2000. — 189 с.
2. Исмайылов Г.Х., Перминов А.В., Смирнова М.А. Применение модели «1М1Т-БЛЬЛК8» для определения режимов работы верхневолжского каскада водохранилищ // Природообустройство. — 2019. — № 3. — С. 83-88.
3. Смирнова М.А., Перминов А.В. Имитационное моделирование системы водохранилищ на примере Верхней Волги / Проблемы управления водными и земельными ресурсами. Мат-лы междун. научного форума. В 3-х ч. Ч. 1. — М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2015. — 482 с.
4. Смирнова М.А. Оценка изменения гидрологических характеристик бассейна Верхней Волги при современном климате. Проблемы комплексного обустройства тех-ноприродных систем / Мат-лы междун. на-учно-практ. конф. ч. V. Мониторинг водных объектов. — М.: МГУП, 2013. — С. 218-225.
5. Водохранилища Верхней Волги. Верх-не-Волжское бассейновое водное управление
Федерального агентства водных ресурсов — Н-Новгород: 2008, 156 с.
6. Исмайылов Г.Х., Перминов А.В. Имитационная модель функционирования систем водохранилищ многоцелевого назначения на примере Волжско-Камского каскада / Мат-лы междун. юбилейной научно-практ. конф. Проблемы развития сельскохозяйственных мелиораций и водохозяйственного комплекса на базе цифровых технологий. — М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2019. — С. 88-94.
7. Исмайылов Г.Х., Ваганов Г.А. Моделирование режимов работы камского каскада водохранилищ с использованием модели «1тй-Ба1апс» // Природообустрой-ство. — 2017. — № 5. — С. 26-34.
8. Исмайылов Г.Х., Муращенкова Н.В. Оценка речного стока в бассейне реки Волги // Природообустройство. — 2014. — № 2. — С. 65-69.
9. Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов. — М.: МПР РФ, 2007. — 40 с.
Материал поступил в редакцию 21.02.2020 г.
Сведения об авторах Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока; ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; 127434, Москва, ул. Прянишникова, д. 19; e-mail: gabil-1937@mail.ru Перминов Алексей Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока; ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; 127434, Москва, ул. Прянишникова, д. 19; e-mail: alexperminov@gmail.com
G.KH. ISMAIYLOV, A.V. PERMINOV
Federal state budgetary educational institution of higher education «Russian state agrarian university — MAA named after C.A. Timiryazev», Moscow, Russian Federation
MODELING OF THE OPERATING MODE
OF THE HYDRAULIC UNITS CASCADE
OF THE UPPER VOLGA MANAGEMENT SYSTEM
Using the example of the Upper Volga water management system (WMS), the article analyzes and assesses the functioning of this system under the changing natural and economic conditions. The main features of water resources management under the modern conditions are revealed. To solve the problem of searching for optimal operating regimes of the Verkhnevolzhsky cascade of waterworks, a special algorithm (model complex) has been developed that works in a simulation mode and uses the principles of multi-criteria optimization of fair concessions. The object of study is the Verkhnevolzhsky WMS. The functioning of the system is described by equations on each calculated time interval. The results of the simulation experiment show that the IMIT-BALANS model used allows us to implement the operating modes of the Verne-Volga cascades of hydroelectric facilities both in dry years and in medium and high water years.
Hydraulic unit, water reserve, cascade of water reserves, seasonal water content, filling mode, idle water discharge, navigation level, reservoir drawdown level.
References
1. Perminov A.V. Imitatsionno-balanso-vaya model funktsionirovaniya sistemy vodo-hranilishch mnogotselevogo naznacheniya. Dissertatsiya na soiskanie uchenoj stepeni kan-didata tehnicheskih nauk. - М.: 2000. - S. 189.
2. Ismaiylov G.Kh., Perminov А/V., Smir-nova М.А. Primenenie modeli «IMIT-BALANS» dlya opredeleniya rezhimov raboty Verhne-volzhskogo kaskada vodohranilishch // Prirodo-obustrojstvo. - 2019. - № 3. - S. 83-88.
3. Smirnova М.А., Perminov А-V. Imita-tsionnoe modelirovanie sistemy vodohranilishch
na primere Verhnej Volgi. / Problemy upravle-niya vodnyml i zemelnymi resursami. Mat-ly mezhdun. nauchnogo foruma. Ch. 1. - М.: Izd-vo RGAU-MSHA, 2015. - 482 s.
4. Smirnova М.А. Otsenka izmeneniya gidrologicheskih harakterisrik bassina Verh-nej Volgi pri sovremennom climate. Problemy kompleksnogo obustrojstva tehnoprirodnyh system / Mat-ly mezhdun. nauchno-prakt. konf. ch. V. Monitoring vodnyh objektov. - M.: MGUP, 2013. - S. 218-225.
5. Vodohranilishcha Verhnej Volgi. Verh-ne-Volzhskoe bassejnovoe vodnoe upravlenie
Federalnogo agentstva vodnyh resursov. -N-Novgorod: 2008, 156 s.
6. Ismaiylov G.Kh., Perminov А. V Imi-tatsionnaya model funktsionirovaniya sistem vodohranilishch mnogotselevogo naznache-niya na primere Volzhsko-Kamskogo kas-kada / Mat-ly mezhdun. yubilejnoj nauch-no-prakt. konf. Problemy razvitiya selskoho-zyajstvennyh meliortatsij i vodohozyajstven-nogo kompleksa na baze tsifrovyh tehnologij. М.: Izd-vo RGAU-MSHA, 2019. - S. 88-94.
7. Ismaiylov G.Kh., Vaganov G.A. Mo-delirovanie rezhimov raboty kamskogo kas-kada vodohranilishch s ispolzovaniem modeli «Imit-Balans» // Prirodoobustrojstvo. - 2017. -№ 5. - S. 26-34.
8. Ismaiylov G.Kh., Murashchenko-va N.V. Otsenka rechnogo stoka v bassejne reki Volgi // Prirodoobustrojstvo. - 2014. -№ 2. - S. 65-69.
9. Metodika rascheta vodohozyajstvennyh balansov vodnyh objektov. — M.: MPR RF, 2007. — 40 s.
The material was received at the editorial office
21.02.2020
Information about the authors Ismaiylov Gabil Khudush ogly, doctor oftechnical sciences, professor, head of the chair «Hydrology, hydrogeology and runoff regulation» FSBEI HE RSAU-MAA named after C.A. Timiryazev; 127550, Moscow, ul. Prya-nishnikova, d. 19; e-mail: gabil-1937@mail.ru Perminov Alexej Vasiljevich, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Hydrology, hydrogeology and runoff regulation» FSBEI HE RSAU-MAA named after C.A. Timiryazev; 127550, Moscow ul. Pryanish-nikova, d. 19; e-mail: alexperminov@gmail.com
УДК 502/504:627.157 Б01 10.26897/1997-6011/2020-2-104-111
Г.Ю. ТОЛКАЧЕВ1, Б.И. КОРЖЕНЕВСКИЙ1, Е.Н. САМАРИН2
1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костикова», г. Москва, Российская Федерация
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ ГОРОДСКИХ ПРОИЗВОДСТВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ РЕК В БАССЕЙНЕ р. КЛЯЗЬМА
В настоящее время состояние водных объектов определяется техногенными факторами. С точки зрения техногенной нагрузки наиболее опасными загрязняющими веществами являются микроэлементы Ид, Сё, Zn, РЬ, Си, Сг, Со, N1, Ев, Мп, Ая. При этом исследования донных отложений водоёмов позволяют установить неблагополучные участки и определить источники загрязнения. В настоящей работе в качестве показателей загрязнения рассматриваются индексы загрязнённости перечисленными микроэлементами донных отложений рек: р. Клязьмы - от г. Владимира до впадения в р. Оку - и р. Пекша, притока р. Клязьмы. Оценка велась без учета конкретных предприятий-загрязнителей, из отложений выделялась фракция менее 0,020 мм, определялось содержание указанных элементов и полученные значения ранжировались по классификации классов загрязнения (игео-классы), уровням техногенной нагрузки и суммарному показателю токсического загрязнения. На исследуемом участке Клязьмы расположены города Ковров (140 тыс. чел), Вязники (36 тыс. чел) и Гороховец (13 тыс. чел). Представлена общая картина загрязнения донных отложений Клязьмы ниже г. Владимира, из которой можно сделать вывод, что, несмотря на имеющиеся источники загрязнения, говорить об опасной нагрузке на сегодняшний день не приходится. Наивысший уровень загрязнения Пекши отмечен в верхнем течении, на выходе из города Кольчугино (40 тыс.чел)). Вниз по течению уровни загрязнения значительно снижаются - происходит самоочищение ввиду отсутствия активных источников загрязнения. Сопоставление с загрязнением донных отложений р. Клязьмы в месте впадения р. Пекши указывает на отсутствие загрязнения со стороны Пекши, поскольку уровень загрязнения Клязьмы выше.
Техногенная нагрузка, донные отложения, тяжелые металлы, загрязнение, река
Клязьма, река Пекша, игео-классы, сорбирующая фракция, экологический мониторинг.
№ 2' 2020
104
