WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Ел саиед ахмед али моделирование режимов попусков из ассуанского водохранилища с учетом требований природно-хозяйственного комплекса нижнего течения р. нил

На правах рукописи

ЯССЕР Махемоуд Раафат Ел Саиед Ахмед Али

Моделирование режимов попусков из Ассуанского водохранилища с учетом требований природно-хозяйственного комплекса нижнего течения р. Нил

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Гидрология, метеорология и регулирование стока»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Исмайылов Габил Худушевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Хранович Иосиф Лазаревич

кандидат технических наук, доцент

Раткович Лев Даниилович

Ведущая организация: ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 08 Октября 2007 г. в 1500 ч. на заседании диссертационного совета

Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан «….» ……………. 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук И.М. Евдокимова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При использовании водных ресурсов характерным является столкновение интересов общества и окружающей природной среды. Интересы общества выражаются в виде требований, предъявляемых к источникам природных вод, с целью удовлетворения потребностей в свежей воде. На этом фоне интересы окружающей природной среды проявляются в виде сохранения объема, режима и естественного состава природных вод близкими к естественным условиям.

Наиболее реально столкновение интересов общества и природы проявляется при создании и функционировании водохранилищ комплексного назначения, осуществляющих коренное преобразование водных ресурсов во времени и пространстве.

К числу таких водохранилищ относится и водохранилище Асуанского гидроузла на р. Нил – одно из крупнейших водохранилищ мира. С созданием этого водохранилища резко изменился водный режим и сток наносов в нижнем течении и дельте р. Нил. До сооружения высотной Асуанской плотины на участке Асуан – вершина дельты безвозвратные потери стока составляли 10-20 куб. км/год и в дельту поступало 60-70 куб. км/год и до 60 млн. куб. м. наносов. В настоящее время в силу интенсивного использования водных ресурсов не только в низовьях р. Нил, но и в ее верхнем и среднем течении, приток в дельту и сток в Средиземное море резко сократился (до 3-5 куб. км в год в маловодные годы). Это способствовало интрузии морских вод в водотоки дельты, увеличивая минерализацию воды в них до 1 г/л. Все это существенно ухудшило экологическую ситуацию в нижнем течении и дельте р. Нил. Кроме того, ликвидация затопления пойменных земель лишила их естественного источника удобрений в виде отложений плодородного ила, что потребовало дополнительных затрат для повышения плодородия возделываемых земель.

Одновременно создание столь значительного водохранилища (полный объем 168 куб. км, а площадь водного зеркала около 6500 кв. км.) в условиях аридной зоны сопряжено со значительными потерями воды на испарении с его водной поверхности, достигающими 20 куб. км в год. Немаловажное значение приобретают в этих условиях и вопросы заиления чаши водохранилища за период его эксплуатации. Следует отметить, что опыт эксплуатации водохранилищ Центральной Азии показывает, что наряду с гидрометеорологическими условиями на величину потерь на испарение и динамику заиления оказывает режим работы водохранилища.

В связи с этим исследование режимов функционирования водохранилища Асуанского гидроузла и на этой основе создание комплексной методики определения рационального попускового режима для удовлетворения требований населения и хозяйства Египта с учетом улучшения экологической обстановки в нижнем течении и дельте р. Нил является весьма своевременным и актуальным.

Цель и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается, во-первых, в исследовании закономерностей функционирования водохозяйственного комплекса водохранилища Асуанского гидроузла и, во-вторых, в совершенствовании методики выбора рационального режима попуска из водохранилища, обеспечивающего устойчивое функционирование природно-хозяйственного комплекса нижнего течения и дельты р. Нил. Для реализации поставленных целей потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:

  • анализ современных методов управления водными ресурсами водохранилищ многоцелевого назначения;
  • анализ и оценка межгодовой изменчивости стока р. Нил с целью обоснования расчетного притока воды в водохранилище;
  • анализ и оценка потерь воды на испарение с водной поверхности и разработка методики его определения для условий водохранилища Асуанского гидроузла;
  • оценка стока наносов и растворенных веществ в нижнем течении и дельте р. Нил;
  • разработка имитационной модели функционирования Асуанского водохозяйственного комплекса;
  • моделирование попускового режима водохранилища Асуанского гидроузла в изменяющихся природно-хозяйственных условиях.

Методика и объект исследования. Общим методическим положением является теория системного анализа и современные подходы к моделированию режимов функционирования сложных водохозяйственных систем речных бассейнов аридной зоны. Задача моделирования попускового режима водохранилища Асуанского гидроузла формулируется как задача управления большими системами с учетом всех внешних и внутренних связей. В качестве математического аппарата используется принцип имитационного моделирования, реализующий алгоритм максимального потока в сетях. В качестве критерия при этом используется так называемый критерий справедливых уступок.



Объектом исследований является водохозяйственный комплекс (ВХК) водохранилища Асуанского гидроузла на р. Нил.

Научная новизна. В методической части работы исследованы особенности ВХК речного бассейна аридной зоны с позиции системного подхода. Выявлены особенности условий функционирования сложных водохозяйственных систем (ВХС) и установлены существующие взаимосвязи между ВХС и обществом, с одной стороны, и с природной средой, с другой.

Конкретно научная новизна работы заключается в следующем:

  • установлены отличительные черты современного подхода к задачам определения рациональных режимов работы водохранилищ многоцелевого назначения;
  • выявлены социально-экономические и эколого-водохозяйственные функции, обеспечивающие устойчивое функционирование ВХС речного бассейна;
  • разработана методика оценки приточности речных вод в водохранилище, учета потерь воды на испарение и динамики заиления;
  • впервые для ВХК водохранилища Асуанского гидроузла разработана имитационная модель его функционирования для обоснования принятия решений по назначению комплексного попуска в его нижний бьеф, учитывающего интересы общества и природы;
  • проанализирована и дана оценка эффективности комплексного попуска в условиях различной водности при разных начальных наполнениях водохранилища и уровнях развития водопотребления.

Практическая ценность работы. На основе полученных результатов разработана методика расчета режимных параметров, включая режим попусков, ВХК водохранилища Асуанского гидроузла. Данная методика представляет собой инструмент для моделирования режимов функционирования в изменяющихся природно-хозяйственных условиях. Предложенная методика может быть использована для построения диспетчерских правил управления водными ресурсами водохранилища Асуанского гидроузла.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных моделирования и материалов наблюдений, а также использованием современных подходов имитационного моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы, одна из которых опубликована в журнале «Мелиорация и водное хозяйство», входящим в список ВАК.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях:

"1st International conference of civil engineering science" 7-8 October, Assiut - Egypt 2003; "Second international conference on great rivers attractors for local civilization " 12-14 October, Assiut - Egypt 2003; "Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России" 21-23 Апреля, Москва 2005 г.; "Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем" 17-20 Апреля, Москва 2006 г.; "Роль обустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК" 23-25 апреля, Москва 2007 г. и научных семинарах кафедры гидрологии, метеорологии и регулирования стока МГУП.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 264 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунок, 18 таблицу и список литературы из 139 наименований.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов и структура работы.

Первая глава посвящена анализу существующих, и используемых в настоящее время, методов моделирования сложных водохозяйственных комплексов (ВХК). Изложено современное состояние вопроса определения основных параметров функционирования водохранилищ в изменяющихся природно-хозяйственных условиях.

Установлено, что функции, которые выполняет ВХК, сложны и разнообразны: распределение водных ресурсов между участниками комплекса, обеспечение санитарных, рыбохозяйственных, транспортных и других попусков воды из водохранилищ, управление работой водопропускных и водозаборных сооружений, контроль качества воды. В последние годы на первый план выдвигаются еще и такие функции, как охрана окружающей среды, предотвращение загрязнения и нарушения экологического равновесия, рекреация.

В сложных условиях взаимодействия природы и общества при создании ВХК и переходе к интенсивному комплексному использованию водных ресурсов нельзя рассматривать управление водохранилищем только как управление изолированным гидротехническим сооружением, необходимо рассмотрение и анализ функционирования ВХК как системы, отражающей сложные взаимосвязи хозяйственной деятельности, использования для этого водных ресурсов и последствия этой деятельности (включая и строительство водохранилищ) на окружающую природную среду. Но все же главной задачей управления ВХК является построение правил управления водохранилищем, как наиболее сложным объектом системы.

В связи с развитием орошения и зарегулированием стока рек аридной зоны (Нил, Тигр, Евфрат, Сырдарья, Амударья и др.) резко уменьшаются паводковые разливы, особенно на их нижних участках. Этот процесс, с одной стороны, способствует уменьшению непроизводительных затрат речного стока, а с другой — приводит к повышению аридности климата низовьев, усилению иссушения, исчезновению озер, опустыниванию почв и потере их продуктивности. С уменьшением поступления речных вод, в низовьях твердый сток уменьшился, соответственно снизилось и поступление питательных веществ (фосфора, азота и гумуса). За счет повышения минерализации речной воды низовья рек перестают быть областью аккумуляции твердого и биогенного стока и превращаются в приемник солей, выносимых из верхней и средней частей бассейнов. В связи с изменением гидрологических и гидрогеологических условий в низовьях рек качественно трансформируется и эволюционирует почвенный покров.

В решении вопроса об управлении ВХК достигнуты значительные успехи, это, прежде всего исследования по теории регулирования речного стока, исследования физико-географических аспектов комплексного использования водных ресурсов, различные аспекты применения математических методов для решения задач рационального использования водных ресурсов. Однако реальный процесс управления водными ресурсами характеризуется следующими недостатками: недостаточная системность подхода к управлению и недостаточное исследование ресурсов как элемента окружающей среды; неполный учет стохастичности гидрометеоусловий при выборе эффективного управления; отсутствие критерия, позволяющего сравнивать различные режимы эксплуатации; отсутствие объективных (экономических) критериев для рационального вододеления в период дефицита водных ресурсов; отсутствие единого методического подхода, свободного от отраслевых интересов к оценке ущербов от дефицита воды; трудность формализации ВХК из-за различного состава потребителей, особенностей их территориального расположения, сложности их взаимодействия, взаимодействия самого ВХК с территориально-производственным комплексом рассматриваемого региона; недостаточная оценка влияния водохозяйственных мероприятий на водные и наземные экосистемы; и, недостаточное научное обоснование управления водными ресурсами, которое способствовало бы решению общих задач природопользования в целом.

Анализируя опыт применения экономико-математических моделей оптимизации, можно отметить, что эти методы успешно применяются при решении задач оценочного характера, а также в области разработки частных специализированных моделей отдельных отраслевых ВХК, т.е. при решении задач, для которых могут быть четко сформулированы экономические критерии. Работы Воропаева Г.В., Исмайлова Г.Х., Кардаша В.А., Мечитова И.И., Кисарова О.П., Пряженской В.Г., Храновича И.Л. и др. посвящены оптимизации оросительных систем. Задача определения оптимальных режимов ГЭС как для изолированных водохранилищ, так и каскада в целом была рассмотрена в работах Великанова А.Л., Елаховского С.Б., Воропаева Г.В., Исмайылова Г.Х., Обрезкова В.И., Пряженской В.Г., Храновича И.Л. и др.

Задача определения рационального распределения водных ресурсов ВХК водохранилища Асуанского гидроузла сводится к определению оптимальных режимов работы Асуанского водохранилища. Соответственно такой постановке, задача сводится к нахождению оптимального режима попусков в нижний бьеф водохранилища Асуанского гидроузла.

Поставленная задача усложняется тем, что при моделировании попускового режима необходимо иметь: модель притока речных вод в водохранилище Асуанского гидроузла; модель оценки дополнительных потерь на испарение, фильтрацию и шлюзование; модель трансформации наносов в верхнем бьефе; батиграфические и объемные зависимости водохранилища.

Вероятностная природа основного ресурса — речного стока придает функционированию ВХК стохастический характер. Учет стохастического характера водных ресурсов при их распределении принципиально может быть осуществлен двумя разными подходами. Первый подход основан на использовании календарных последовательностей стока (наблюденных или смоделированных). Для каждого наблюденного (смоделированного) стокового ряда решается задача оптимального распределения водных ресурсов для различных вариантов структуры ВХК. После этого осуществляется статистическая обработка результатов, и определяются обобщенные характеристики, при помощи которых устанавливается вероятностная картина водообеспеченности применительно к той или иной структуре ВХК.

Второй подход основывается на использовании метода композиции кривых обеспеченности полезной отдачи водохранилищ, их наполнения, холостых сбросов и других характеристик.

Вторая глава посвящена анализу и оценку межгодовой изменчивости притока речных вод в водохранилище Асуанского гидроузла, оценку испарения с водной поверхности и сток наносов и качества воды р. Нил.

В бассейне Нила, как и в бассейнах всех рек аридной зоны Земли, выделяются зоны формирования и потерь стока. Зона формирования его стока охватывает территорию бассейнов Белого и Голубого Нила, а зона потерь - от впадения р. Атбары до моря. В зоне формирования стока водный режим Нила обусловливается выпадающими здесь обильными дождями. В экваториальной части бассейна Белого Нила наблюдаются два максимума осадков - весенний (март-июнь) и осенний (сентябрь-ноябрь), что, обусловливает повышенную водность реки, как летом, так и зимой. Годовой сток Белого Нила в среднем составляет 15 км3/год. В Судане и бассейнах Голубого Нила и Атбары дожди идут летом (июнь-сентябрь). В Судане Белый Нил, сильно разливаясь летом вследствие муссонных дождей в пределах области Сэдд, теряет здесь 2/3 своих вод на испарение с водной поверхности, транспирацию водной растительности и аккумуляцию воды в понижениях рельефа. В питании Нила главную роль играет Голубой Нил, приносящий летом до 70% воды и обеспечивающий подъем воды в Ниле. Для периода условно-естественного режима (до сооружения высотной Асуанской плотины) среднемноголетний объем годового стока р. Нил у г. Асуан составлял 82,8 км3/год с колебаниями от 34,8 км3/год (1913 г.) до 142,0 км3/год (1878 г.). Межгосударственным соглашением 1959 г. объем стока 84 км3/год был разделен для использования в следующем соотношении: Египту – 55,5 км3/год, Судану – 18,5 км3/год и 10 км3/год оставались на потери на испарение и фильтрацию. В зоне потерь стока на участке от г. Асуан до вершины дельты на водозабор, испарение и фильтрацию расходовалось 10 – 20 км3/год и, таким образом, в дельту Нила поступало в среднем 64-74 км3/год.

На рис.1. приведен график колебаний годовых объемов притока в водохранилище Асуанского гидроузла за рассматриваемый период. Как видно, колебания годового стока характеризуются последовательным чередованием лет (или групп лет) различной водности. В то же время видно, что, начиная с 1968/69 гг., наблюдается явное снижение годовых объемов стока в сравнении с предшествующим периодом. Более наглядно характер динамики годового стока р. Нил проявляется при рассмотрении его разностной интегральной кривой (рис.2.). При этом выделяются два макропериода в динамике годового стока:

1) 1871/72 - 1968/69 гг. (n=98 лет) - период повышенного стока;

2) 1969/70 - 2004/05 гг. (n=36 лет) - период пониженного стока.

Кроме того, первый из выделенных периодов подразделяется на два подпериода с 1871/72 по 1898/99 гг. (n=28 лет) и с 1899/00 по 1968/69 гг. (n=70 лет), различающихся средней величиной годового стока.

 Многолетние колебания годового стока р. Нил у г. Асуан за 1871/1872 --0

Рис.1.Многолетние колебания годового стока р. Нил у г. Асуан

за 1871/1872 - 2004/2005 гг.

(1) Условно - естественный сток (2) Зарегулированный сток

 Разностная интегральная кривая годового стока р. Нил за 1871/1872 --1

Рис.2. Разностная интегральная кривая годового стока р. Нил

за 1871/1872 - 2004/2005 гг.

В таблице 1. приведены выборочные оценки основных статистических параметров исходного временного ряда годовых объемов стока р. Нил и выделенных характерных периодов в его динамике. При рассмотрении данных этой таблицы, прежде всего, обращает на себя внимание отличие оценок параметров последнего из выделенных характерных периодов в сравнении с параметрами исходного ряда. Так, средний сток за период 1969/70 – 2004/05 гг. меньше среднемноголетнего стока на 22,7 км3 /год (27%), а его дисперсия составляет всего лишь 38% от дисперсии всего ряда. Бросается в глаза также резкое отличие коэффициентов автокорреляции годового стока – 0,13 и 0,51.

Таблица 1.

Выборочные оценки основных статистических параметров годового притока

р. Нил в водохранилище Асуанского гидроузла, км3/год

№ п/п Период Число лет (n) Статистические параметры
Среднее (Wср) Среднее ква- дратическое отклонение (w) Коэффициент вариации (Cv) Коэффициент автокорре- ляции R(1) Размах колебаний A=Wmax-Wmin
1 1871/72–2004/05гг. 134 82,8 21,1 0,26 0,508 107,6
2 1871/72–1898/99гг. 28 102,4 17,1 0,17 -0,070 74,7
3 1899/1900–1968/69гг. 70 86,6 14,7 0,17 0,097 86,8
4 1969/70–2004/05гг. 36 60,1 13,2 0,22 0,129 54,6




Анализ динамики годового притока к нижнему течению р. Нил (нижний бьеф высотной Асуанской плотины), суммарных затрат стока на участке высотной Асуанской плотины - г. Каир и притока воды к вершине дельты за период 1969/70 - 2004/05 гг. позволил получить следующие уравнения

[WЗАТ ] = 0,465 WНТ + 2,2 км3/год (1)

[WВД ] = 0,481 WНТ + 0,9 км3/год (2)

Существенна также и взаимосвязь составляющих годового водного баланса смежных лет [R(1)= 0,634-0,644]. Для рассматриваемого периода характерно также наличие положительного линейного тренда в динамике составляющих водного баланса, аппроксимируемого следующими уравнениями:

[WНТ] = 0,125t+54,7 км3/год (3)

[WЗАТ] = 0,099t+26,8 км3/год (4)

[WВД] = 0,023t+28,0 км3/год (5)

где t- временной индекс, изменяющийся от 1 до 40; Wнт- приток к нижнему течению; Wзат- суммарные затраты стока; Wвд- приток к вершине дельты. Коэффициенты корреляции составляют соответственно 0,38, 0,52 и 0,13. Наличие тренда обусловлено некоторым увеличением годового притока в конце рассматриваемого периода. Сохранится ли он в дальнейшем, будет зависеть как от режима попусков в нижний бьеф ВАП, так и от роста безвозвратных затрат стока в нижнем течении и дельте Нила.

Одним из самых значимых видов потерь воды из водохранилища является испарение с его водной поверхности. Особенно велики потери на испарение в условиях жаркого, сухого климата. Именно в таких условиях находится рассматриваемое в работе водохранилище Асуанского гидроузла. Площадь водного зеркала водохранилища составляет порядка 6500 км2. Длина водохранилища 500 км, средняя ширина 12 км. Поэтому неудивительно, что при проектировании этого водохранилища высказывались серьезные опасения, что из-за больших потерь на испарение и фильтрацию водохранилище трудно будет наполнить. Значительные объемы потерь воды на фильтрацию, имевшие место в первые годы наполнения водохранилища, практически прекратились. Поэтому в настоящее время основным источником потерь является испарение с его водной поверхности.

Величины температуры поверхности воды и воздуха, упругости водяного пара и скорости ветра над водоемом на высоте 200см принимались средними за месяц и усреднялись для всех точек наблюдений над водоемом. На предварительном этапе исследований был осуществлен анализ исходной информации за рассматриваемый расчетный период (1997-2003гг.), проведена оценка изменения метеоэлементов в пределах акватории водохранилища (рис. 3).

Как видно из рисунка, значения температуры поверхности воды, воздуха на высоте 200см над водной поверхностью и упругости водяного пара также на высоте 200см над водной поверхностью, достаточно близки между собой в среднем за рассматриваемый период (1997 - 2003гг.). Однако в отдельные годы рассматриваемого периода на северной и южной частях акватории водохранилища наблюдаются довольно существенные различия в величинах метеоэлементов. Связь между метеоэлементами в северной и южной частях акватории достаточно тесная. Коэффициенты корреляции между температурой водной поверхности в северной и южной частях составляют 0,91, а между температурой воздуха над водной поверхностью на высоте 200 см – 0,96. Также довольно тесная связь наблюдается между значениями упругости водяного пара на высоте 200 см над водной поверхностью, коэффициент корреляции равен 0,72. Наименьшая теснота связи характерна для скорости ветра, коэффициент корреляции равен 0,54. При этом измеренные на испарительных плавучих установках значения испарения в северной и южной частях акватории очень близки между собой, они практически одинаковы, за исключением случайного выброса нескольких точек.

В данной работе определение испарения с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла при наличии данных наблюдений выполнены на основе уравнения (6). Учитывая, что уравнение (6) получено для условий России, нами также использованы несколько его модификаций, различающихся коэффициентами при переменных (7-10).

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

где e0 - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мб; e200 - среднее значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200см, мб; u200 - среднее значение скорости ветра над водоемом на высоте 200см, м/с; i - число суток в расчетном интервале времени (месяц).

 Изменение метеорологических характеристик для северной и-7  Изменение метеорологических характеристик для северной и-8  Изменение метеорологических характеристик для северной и южной-9  Изменение метеорологических характеристик для северной и южной-10

Рис.3. Изменение метеорологических характеристик для северной и южной частей акватории водохранилища Асуанского гидроузла за 1997-2003 гг.

Испарение с водной поверхности было рассчитано в месячном разрезе за период 1997-2003 гг., используя уравнения (6-10). Сопоставление рассчитанных величин испарения с измеренными на плавучей установке, показало достаточно хорошее соответствие для северной части акватории водохранилища Асуанского гидроузла. Коэффициент корреляции измеренных и рассчитанных значения испарения составляет 0,8. Менее тесная связь наблюдается для южной части акватории, коэффициент корреляции равен 0,52. Однако, следуя логике формирования испарения с водной поверхности, следует признать достоверность расчетных значений испарения в южной части акватории.

При расчете испарения по уравнению (7) его величины отличаются для северной и южных частей акватории, хотя они достаточно тесно связаны между собой (коэффициент корреляции равен 0,74). Значения испарения с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла очень велики. Их годовые значения изменяются от 2400 мм до 4000 мм (рис.4), составляя в среднем за рассматриваемый период для северной части акватории 2579 мм, а для южной – 3229 мм. Увеличенные значения испарения в южной части акватории в 2001г. по сравнению с северной можно объяснить чрезвычайно высокими значениями температуры воды в жаркие месяцы, обусловившими повышенные градиенты упругости водяного пара, а соответственно и увеличенные значения испарения. К сожалению, в 2001г. отсутствовали данные измерений испарения на промежуточных плавучих установках. При этом следует отметить, что данные измерений на промежуточных плавучих установках носят фрагментарный характер и, на наш взгляд, не отличаются высокой достоверностью. В заключение отметим, что полученные результаты были использованы для предварительной оценки испарения с водной поверхности в пределах Асуанского водохозяйственного комплекса (глава 4).

 Изменение испарения с водной поверхности для северной и южной частей-11

Рис.4. Изменение испарения с водной поверхности для северной и южной частей акватории водохранилища Асуанского гидроузла.

Однако они требуют уточнения с привлечением данных метеорологических наблюдений по береговым метеостанциям и на водохранилище за более продолжительный период, а также дополнительной информации о состоянии самого объекта, включая состояние мелководной зоны.

Создание высотной Асуанской плотины (ВАП) привело к двум главным последствиям. Первое состоит в снижении максимальных расходов с 10000 до 2500 м3/с в период паводков, а второе заключается в том, что сток наносов р. Нил почти полностью аккумулируется в чаше водохранилища Асуанского гидроузла.

Средний годовой сток наносов до зарегулирования р. Нил водохранилищем Асуанского гидроузла составлял в створе водохранилища около 60 млн. м3 при средней мутности 1900-2000 г/м3. Мутность воды у г. Каира (вершина дельты) вследствие осаждения наносов в пойме снижалась до 600-700 г/м3. В настоящее время до 90% наносов осаждается в водохранилище, преимущественно в его хвостовой части, со скоростью около 110 млн. м3/год. Ниже плотины наносы практически отсутствуют. При таком ежегодном объеме отложения наносов можно полагать, что за период его 40-летней эксплуатации в нем отложилось около 4,5 км3 наносов, что составляет около 14% мертвого объема водохранилища (Vмо= 31 км3).

Анализ динамику отложения наносов (съемок 1964, 1977, 2000 и 2004гг.) показывает, что фронт заиления за 40 - летней период эксплуатации водохранилища Асуанского гидроузла продвинулся на 200 км, а отметки дна в хвостовой части водохранилища существенно увеличились. Зарегулирование стока р. Нил, кроме того, повлияло на характер русловых процессов в нижнем течении и дельте реки. На всем расстоянии от Асуана до моря падение отметок дна составляет около 80 м на 950 км или 0,08 м/км. В связи с этим без значительных наводнений, имевших место до создания ВАП, река имеет мало энергии для транспорта наносов или размыва берегов.

Развитие регулярного орошения и переход к масштабному использованию минеральных удобрений, а также рост промышленного производства обусловили повсеместную тенденцию к ухудшению качества вод р. Нил в пределах Египта. На протяжении от Асуана до Средиземного моря в настоящее время имеется около 88 точек сброса возвратных вод орошения и промышленно-коммунальных сточных вод. Для оценки влияния этих сбросов на качество воды р. Нил в настоящее время в Египте используется «Индекс качества речных вод» (WQI), представляющий собой отношение i-го показателя качества воды, наблюдаемого в той или иной точке по длине реки, к стандарту его содержания в воде. На всем протяжении нижнего течения р. Нил индекс качества изменяется от 5% у г. Луксор до 90-108% на участке от Наг-Хамади до Сухаг. В целом же приблизительно 90% участков имеют индекс ниже 50%, что свидетельствует о относительно высоком качестве воды р. Нил. В целом же можно констатировать, что в настоящее время качество вод р. Нил в нижнем бьефе водохранилища Асуанского гидроузла близко к нормативному. Тем не менее, дальнейший рост населения страны и промышленного производства, несомненно приведут к ухудшению качества речных вод, что потребует, либо очистку сбросных и стока возвратных вод до надлежащей качеству, либо дополнительного количества воды из водохранилища Асуанского гидроузла в виде специального санитарного попуска, позволяющего снизить риск загрязнения речных вод. Кроме того, следует иметь в виду, что при увеличении водозабора в дельте реки на фоне повышения уровня Средиземного моря минерализация речных вод здесь может увеличиться до 500-800 мг/л, что потребует соответствующих мероприятий по ее снижению, в том числе и за счет увеличения объемов попусков из водохранилища Асуанского гидроузла.

Третья глава посвящена построению имитационной модели Асуанского ВХК для моделирования режимов попусков из него с учетом интересов природных комплексов нижнего течения и дельты р. Нил. Задача функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла сформулирована следующий образом. Рассмотрим водохозяйственный комплекс водохранилища Асуанского гидроузла, состоящий из высотной Асуанской плотины с гидроэлектростанцией мощностью 3,1 млн.кВТ и среднегодовой выработкой 10 млрд. кВТ.час, низконапорной старой Асуанской плотины, и шести низконапорных гидроузлов (баражей) в нижним течении и дельте реки, осуществляющих подачу воды в магистральные каналы. Участники ВХК удовлетворяют свои требование на воду за счет комплексного попуска из водохранилища в нижний бьеф и водозабора непосредственного из водохранилища на орошение впадины Тошка. Комплексный попуск включает попуски на ирригацию, гидроэнергетику, промышленно-коммунальное водоснабжении, судоходство, санитарный и экологический попуски. Период регулирования [0, Т] разбивается на n равных (или неравных) отрезков с помощью моментов времени таких, что. Выбор зависит от вида регулирования речного стока в пределах одного водохозяйственного года с увязкой его со следующим годом, а продолжительность расчетного интервала полагается равной одному месяцу, декаде или пентаде. Учитывая важность водоснабжения населения, а также малую долю промышленного водоснабжения (не более 5% от общего водопотребления), в рамках данной постановки предусматривается их полное обеспечение и соответственно их требования в модель включаются в виде ограничения. Предполагается также, что все ирригационные и неирригационные потребители , расположенные вдоль реки, формируют загрязненные сбросные и возвратные воды. Сброс этих вод в русло реки прежде всего ухудшает показатели качества речной воды, это в свою очередь сопряжено с ухудшением почвенно-мелиоративных условий и, как следствие этого, со снижением продуктивности орошаемых земель. В связи с этим предполагается, что каждая ирригационная система на выходе имеет накопители (искусственные или естественные), позволяющие в зависимости от ассимилирующей способности реки перераспределять во времени и в пространстве сток возвратных вод и тем самым сохранять нормативы показателей качества речной воды. Основным требованием к накопителям является максимум их опорожнения в конце водохозяйственного года (в зависимости от водности года) при сохранении в некоторых контрольных створах водотока, расположенных ниже по течению, концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) в речной воде, не превышающей предельно допустимую. В соответствии с принятыми условиями требуется определить оптимальный режим попусков из водохранилища с учетом сохранения надлежащего качества речной воды на всем протяжении реки до впадения в Средиземное море. Математическая постановка рассматриваемой задачи такова: требуется минимизировать функционал

(11)

(12)

(13)

(14)

при где -вектор наполнения, -вектор попусков из водохранилищ, -оптимальное значения попусков, -вектор притока речных вод, -текущее время, А и В-матрицы системных условий.

Решение задачи управления ВХК водохранилища Асуанского гидроузла в постановке (11)-(14) требует использования прямых методов стохастического программирования. Учитывая неполноту вероятностной характеристики исходной информации, исключительную трудоемкость расчетов (особенно при динамической постановке задачи) для решения поставленной задачи (11)-(14) строится имитационная модель функционирования каскада водохранилищ многоцелевого назначения.

В настоящей работе для решения задачи управления ВХК водохранилища Асуанского гидроузла, в постановке (11) — (14) использована имитационная модель, приведенная в работе Г.В. Воропаева, Г.Х. Исмайылова, В.М. Федорова «Проблемы управления водными ресурсами Арало-Каспийского региона. М.: Наука, 2003». Соответственно ограничение (12) применительно к водохранилищу Асуанского гидроузла описывается следующей системой уравнений:

- Qi (t) + i(t)+Ui(t)+ ri(t)= 0, Vi(t0)=Vi0, (15)
Vi = Vi (Qi, Hi),

где t - время, Vi(t) - объем воды в i-ом водохранилище в момент t, Qi (t) = - объем главных и боковых притоков к водохранилищу, включая сток возвратных вод из накопителей в момент t, (t), U(t), r(t) - соответственно водопотребление, попуск из водохранилища, потеря воды на испарение, фильтрацию и ледообразование из водохранилища в момент t, Vi0 - начальный объем водохранилища в момент t0, Нi - глубина водохранилища.

Уравнение кинетики процессов смешения солей в водохранилище в момент времени t может быть описано в следующем виде;

- - mдн,i(t) + i(t)Ci(t) + + Ui(t) Ci(t) + iVi(t) Ci(t) = 0, Mi(t0)=Mi0, , (16)

где Mi(t)=Ci(t)Vi(t)-масса солей в i-ом водохранилище в момент t, Cij - минерализация притока, Ci - минерализация воды, вытекающей из водохранилища, mдн,i(t) - количество солей, поступающих в момент времени t в водохранилище с подземным стоком через донные отложения, -параметр, учитывающий самоочищение, Mi0 - масса солей в водохранилище в момент .

Динамику воды в накопителе в момент t можем описать следующим дифференциальным балансовым уравнением:

-qic(t)+Uic(t)+ric(t)=0, Vic(t0) = Viс0, (17)
Vic =Vic(qic, Нiс),

где Vic(t)-объем воды в i-ом накопителе в момент t, qic(t) - объем возвратных вод, поступающих в накопитель в момент t, Uic(t), ric(t) - соответственно попуск и потери воды на испарение и фильтрацию из накопителя в момент t, Нic - глубина воды в накопителя; Vico - начальный объем накопителя в момент t0.

, (18)

где Cc - концентрация консервативного вещества в сбросных и коллекторно-дренажных водах, - фоновая концентрация того же вещества в речной воде выше выпуска коллекторно-сточных вод.

С учетом гидролого-водохозяйственных особенностей ВХК водохранилища Асуанского гидроузла задача управления режимом попусков и минерализаций речной воды формулируется следующим образом. При заданной структуре русловой части ВХК водохранилища Асуанского гидроузла и требованиях внерусловых участников комплекса, найти такие объемы и режимы попусков из водохранилища, при которых обеспечивается надежное снабжение водой пользователей и надлежащая минерализация речной воды ( 1 г/л), ирригационной ( 1,5 г/л) и промышленно-питьевой (1 г/л) воды при соблюдении комплексного попуска по всей длине реки.

Четвертая глава посвящена апробации имитационной модели Асуанского ВХК для моделирования режимов попусков из него с учетом интересов природных комплексов нижнего течения и дельты р. Нил. Прежде всего, был выделен расчетный период для валидации разработанной имитационной модели ВХК водохранилища Асуанского гидроузла. В качества такого выбран период с 1977/78 – 1987/88 гг. (n = 11 лет).

Этот период является крайне маловодным со средним многолетнем объемом притока в водохранилище Wср. = 51,20 км3/год. В качестве требований на воду принять фактические попуски в нижний бьеф водохранилища, которые меняются от 52,90 до 61,80 км3/год. Условно этот вариант принят в качестве нулевого (Вариант 0), основное назначение которого убедиться в работоспособности модели. Также, сформулированы варианты для исследования режимов попусков в нижний бьеф с целью обеспечения требований всех участников ВХК водохранилища Асуанского гидроузла. Вариант I (многоводные годы): 1871/72 - 1885/86 гг.(n=15 лет), Wприток = 101 км3/год, Wпопуск = 62 км3/год; Вариант II (средневодные годы): 1930/31 - 1944/45 гг.(n=15 лет), Wприток = 83,50 км3/год, Wпопуск = 62 км3/год; Вариант III (маловодные годы): 1969/70 - 1983/84 гг.(n=15 лет), Wприток = 59,20 км3/год, Wпопуск = 62 км3/год; Вариант IV (маловодные годы): 1969/70 - 1983/84 гг. (n=15 лет), Wприток = 59,20+9,50 = 68,70 км3/год, Wпопуск = 70 км3/год; Вариант V (крайне маловодные годы): 1979/80 - 1983/84 гг.(n=5 лет), Wприток = 50,00 км3/год, Wпопуск = 55,00 км3/год; Вариант VI (ср. маловодные годы): 1992/93 - 1994/95 гг.(n=3 года), Wприток = 66,70 км3/год, Wпопуск = 70 км3/год.

Численная реализация разработанной модели включала, во-первых, проверку степени адекватности модели реальным условиям функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла и, во-вторых, в проведении серии вариантных расчетов для оценки и выбора рационального режима попусков из водохранилища. Следует отметить, что заполнение водохранилища началось в 1964/65 г. и продолжалось вплоть до 1977/78 г, когда уровень воды в водохранилище стал близок к НПУ (177-178 м. абс.) (рис. 5). Средний годовой приток воды в водохранилище за этот период составил 51,4 км3/год при крайних значениях 34,8 и 65,4 км3/год. Соответственно, объемы попуска в нижний бьеф составили 57,1 и от 55,2 до 61,7 км3/год.

Рис. 5. Фактический режим работа водохранилища Асуанского гидроузла

за период 1964/65 - 2004/05 гг.

На рисунке 6 приведены результаты сопоставления расчетного и фактического режима работы водохранилища Асуанского гидроузла за рассматриваемый период. Как видно из этого рисунка, имеется весьма хорошее совпадение расчетных и фактических уровней воды в водохранилище. Лишь в отдельных случаях имеются отклонения расчетных параметров от фактических, но и они находятся в пределах допустимой погрешности (табл.2).

Таким образом, проведенное сопоставление расчетных и фактических характеристик режима работы водохранилища Асуанского гидроузла свидетельствует об адекватности разработанной модели его функционирования реальному режиму его работы.

Таблица 2.
Сопоставление фактических и расчетных модельных значений
уровня и объема воды в водохранилище Асуанского гидроузла
                 
Год Конечные объемы   Конечные уровни  
  млн.м3 =[Vк(р) - Vк(ф)]/ м.абс. =[Hк(р) - Hк(ф)]/
  Факт. Расч. Vк(ф)*100 Факт. Расч. Hк(ф)*100
1977/78 108844 108800 -0,04 172,52 172,50 0,01
1978/79 111300 111350 0,04 173,04 173,00 0,02
1979/80 103115 103300 0,18 171,27 171,30 -0,02
1980/81 102485 102900 0,40 171,13 171,20 -0,04
1981/82 99148 99800 0,66 170,36 170,50 -0,08
1982/83 81032 81700 0,82 165,87 166,10 -0,14
1983/84 72940 73500 0,77 163,60 163,80 -0,12
1984/85 51462 52000 1,05 156,37 156,60 -0,15
1985/86 53698 54600 1,68 157,23 157,60 -0,23
1986/87 47260 48200 1,99 154,65 155,00 -0,23
1987/88 40670 41700 2,53 151,70 152,20 -0,33
 Фактические и расчетные значения уровней воды (Н, м.абс.) в-42 Рис.6. Фактические и расчетные значения уровней воды (Н, м.абс.)
в верхнем бьефе
Фактические Расчетные

Для анализа и выбора предпочтительных вариантов режима работы водохранилища Асуанского гидроузла и соответственно рациональных режимов попуска в нижний бьеф с учетом требований нижнего течения и дельты р. Нил проведена серия расчетов для выбранных вариантов гидрологических и водохозяйственных условий. Во всех этих вариантах принимались три значения начального наполнения водохранилища: 61,0; 105,0; 149,5 км3.

Рассмотрим результаты модельных расчетов для каждого из принятых вариантов.

Вариант I. В этом варианте среднемноголетний приток воды в водохранилище составил 101,0 км3/год (P=19%) при крайних значениях 68,2 (P=76%) и 142,4 (P=0,7%) км3/год, т.е. данная выборка соответствует многоводному периоду. При этом необходимо иметь в виду, что говоря о притоке конкретного календарного года во всех случаях подразумеваем его в качестве модельного притока. Требуемый объем комплексного попуска, отвечающий современным условиям, составил 62,0 км3/год.

При выполнении водохозяйственных расчетов учитывалось, что водохранилище Асуанского гидроузла осуществляет не только сезонное, но и многолетнее регулирование стока. В связи с этим требовалось обеспечить не только требуемый попуск в размере 62 км3/год, но и наполнение водохранилища в конце водохозяйственного года в диапазоне от 85,75 до 159,12 км3 в зависимости от притока воды в водохранилище. С учетом сказанного, в результате модельных расчетов установлено, что во все годы этого периода заявленный попуск удовлетворяется полностью. При этом уровень воды в водохранилище колеблется в диапазоне 176,6 и 183,0 м. абс., т.е. водохранилище в отдельные годы наполняется до форсированного подпорного уровня (ФПУ) и срабатывается не ниже 176,6 м. абс. Исключение составляют начальные годы рассматриваемого периода, в течение которых происходило первоначальное наполнение до ФПУ (1-4 года в зависимости от начального наполнения). Поддержание таких высоких отметок уровня водохранилища хотя и обеспечивает высокую надежность удовлетворения заявленных требований к режиму попусков и максимальную выработку электроэнергии ГЭС, но как показывают результаты численных расчетов, в этом случае имеют место значительные непроизводительные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища (до 20,4 км3/год). Чтобы уменьшить непроизводительные потери на испарение, был осуществлен расчет с введением ограничения на наполнение водохранилища в конце водохозяйственного года не больше 85,75 км3. Как видно из рисунка 7, в этом случае диапазон наполнения водохранилища составляет 161,5-173,2 м. абс. Соответственно уменьшается площадь водной поверхности водохранилища. Так, для модели притока по 1879/80 г. в первом случае (линии 1-3, рис. 7) площадь водного зеркала в конце водохозяйственного года составляет 6267 км2, а во втором (линия 4, рис.7) – 3677 км2. В результате потери на испарение уменьшаются с 20,41 до 12,0 км3/год (табл. 3 и 4). Наряду с уменьшением потерь на испарение в многоводные годы создается возможность осуществлять повышенные попуски в зависимости от водности конкретного года. Так, например, при притоке обеспеченностью P=1% попуск достигает 124 км3/год при фактическом 62км3/год.

Рис.7. Режим работы водохранилища Асуанского гидроузла в многоводный период (Вариант I)

1-Vн = 61,0 км3, 2- Vн = 105,0 км3, 3- Vн = 149,5 км3, 4- Требуемый минимальный объем воды в водохранилище на конец водохозяйственного года Vк(т) 85,75 км3

Следовательно, численный имитационный эксперимент показывает, что при наличии некоторого прогноза о возможном притоке и его ошибке, можно найти такой режим попусков, реализация которого создает условия не только для обеспечения заявленных требований на воду, но и создает условия для дополнительного обводнения поймы и дельты р. Нил с целью улучшения их экологического состояния.

Вариант II. В качестве модели притока выбран период с 1930/31 по 1944/45 гг. (n=15 лет), для которого среднемноголетний годовой приток в водохранилище Асуанского гидроузла равен 83,5 км3/год (P=53%) при крайних значениях 69,8 (P=73%) и 105 (P=15%) км3/год. Таким образом, этот период в целом соответствует условиям средней водности. Требуемый объем комплексного попуска, как и в варианте I принят равным 62 км3/год.

Как показывают результаты численных машинных экспериментов, в зависимости от начального объема заполнение водохранилища до НПУ растягивается в отличие от Варианта I, до 4-8 лет. После этого водохранилище наполняется и срабатывается в диапазоне отметок от 173,9 до 183,0 м. абс. При этом за весь рассматриваемый период комплексный попуск в размере 62 км3/год полностью обеспечивается. Потери на испарение с водной поверхности водохранилища и в этом варианте остаются высокими, изменяясь от 10 до 19,5 км3/год. В связи с этим с целью снижения потерь на испарение было ослаблено ограничение, накладываемое на конечное наполнение водохранилища в конце водохозяйственного года (Vк > 58,58 км3). В результате удается уменьшить потери на испарение до 9-10 км3/год. Наряду с экономией ресурсов воды одновременно удается увеличить комплексный попуск с 62 до 96 км3/год.

Вариант III. В качестве модели притока в водохранилище принят период с 1969/70 по 1983/84 г.г. (n=15 лет), для которого среднемноголетний годовой приток равен 59,2 км3/год (P=84%) при крайних значениях 40,6 (P=98,5%) и 81,6 (P=56%), т.е. данный период в целом является маловодным. На рис.8. приведен режим работы водохранилища Асуанского гидроузла, полученный в результате численного машинного эксперимента. Как видно, в отличие от предыдущих вариантов, в условиях маловодья при различных начальных наполнениях динамика уровня воды в водохранилище описывается тремя непересекающимися линиями в диапазоне уровня от ФПУ до 153,3 м. абс. Характерной особенностью режима уровня воды в водохранилище являются:

- при начальном объеме Vн=VНПУ=149,5 км3 водохранилище в течение трех первых лет периода наполняется и срабатывается в диапазоне от ФПУ (183,0 м. абс.) до 176,3 м.абс. В остальные годы периода уровень водохранилища остается ниже НПУ и в конце периода снижается до 159,4 м. абс.;

- при начальном наполнении Vн=105,0 км3 уровень воды в водохранилище находится в диапазоне от 176,4 до 156,7 м. абс.;

- при начальном наполнении Vн=61,0 км3 уровни изменяются в диапазоне от 173,0 до 153,3 м. абс.;

- независимо от начального наполнения, во все годы комплексный попуск в размере 62 км3/год удовлетворяется полностью;

- потери на испарение в зависимости от начального наполнения различны и в основном составляют 9-16 км3/год.

Рис.8. Режим работы водохранилища Асуанского гидроузла в маловодный период (Вариант III)

1- Vн = 61,0 км3, 2- Vн = 105,0 км3, 3- Vн = 149,5 км3, 4- Требуемый минимальный объем воды в водохранилище на конец водохозяйственного года Vк(т) 41,2 км3

Отличительной особенностью маловодного периода является необходимость поддерживания наполнения водохранилища в конце водохозяйственного года не ниже чем средний уровень воды, равный 164,0 м. абс. Это вытекает из условия сохранения благоприятных условий для гидроэнергетического участника комплекса. Хотя следует отметить, что если мы ослабим это ограничение в сторону более низких отметок, то получим дополнительную экономию воды за счет снижения потерь на испарение.

Соответственно увеличивается комплексный попуск в нижний бьеф до 84,3 км3/год.

Вариант IV. Отличается от предыдущего варианта тем, что приток воды в водохранилище увеличивается на 9,5 км3/год за счет мероприятий по снижению потерь воды в области Сэдд посредством создания канала Джонджли. В результате ресурсы воды увеличиваются до 68,7 км3/год в маловодные годы, а комплексный попуск достигает 70 км3/год.

В результате численного машинного эксперимента установлено, что режим работы водохранилища Асуанского гидроузла оказывается идентичным режиму работы, полученному по варианту III.

Вариант V. В этом варианте рассматривается в качестве модели стока период с 1979/80 по 1983/84 г.г. (n=5 лет), являющийся крайне маловодным – средний объем притока равен 50,0 км3/год (P=91%) при крайних значениях 40,6 (P=98,5%) и 56,2 (P=88%) км3/год.

На рис.9. приведен режим работы водохранилища Асуанского гидроузла для этого варианта при попуске 55,0 км3/год. При начальном объеме Vн=61,0 км3 уровень воды в водохранилище во все годы не поднимается выше 168,2 м. абс. Значительное улучшение наблюдается при Vн=VНПУ=149,5 км3. Это ещё раз свидетельствует о важности того, что с каким начальным наполнением мы приходим к началу маловодного и очень маловодного периода.

Как показывают численные машинные эксперименты, ослабление ограничения на конечное наполнение водохранилища в конце водохозяйственного года (Vк(т)= 50,0 км3) позволяет увеличить попуск в нижний бьеф с 55,0 км3/год до 76,8 км3/год.

Вариант VI. В качестве модели притока выбран среднемаловодный период с 1992/93 по 1994/95 г.г. (n=3 года) при среднем стоке 66,7 км3/год (P=80%). Комплексный попуск в соответствии с требованиями на ближайшую перспективу увеличен до 70 км3/год. Результаты численного машинного эксперимента показывает, что при начальном наполнении Vн=61,0 км3 уровни воды колеблются в диапазоне от 168,3 до 159,2 м. абс., попуск удовлетворяется полностью, а потери на испарение составляют 9,5 - 10,2 км3/год. При повышенном начальном наполнении и ослаблении ограничения на наполнение водохранилища в конце водохозяйственного года становится возможным увеличить комплексный попуск до 103,0 км3/год.

Рис.9. Режим работы водохранилища Асуанского гидроузла в крайне маловодный период (Вариант V)

1- Vн = 61,0 км3, 2- Vн = 105,0 км3, 3- Vн = 149,5 км3, 4- Требуемый минимальный объем воды в водохранилище на конец водохозяйственного года Vк(т) 50,0 км3

Заключение

1. Особенности задачи управления ВХК водохранилища Асуанского гидроузла - сложные функциональные зависимости между большим количеством взаимосвязанных гидролого-водохозяйственных, социально-экономических и экологических факторов, обусловливают множество связей между отдельными участниками комплекса. Другой немаловажной, а иногда решающей является стохастичность притока воды в водохранилище и многокритериальность при обосновании правил управления его водными ресурсами. Все это предопределило постановку задачи управления водными ресурсами Асуанского ВХК как потоковую задачу и для ее решения использовался алгоритм максимального потока, реализующий принцип сохранения баланса воды и вещества в системе.

2. Выполнены анализ современного состояния проблемы управления водными ресурсами водохранилища Асуанского гидроузла требует, с одной стороны, учета нестационарности притока речных вод и потерь воды на испарение с водной поверхности, а с другой, учета социально-экономических и экологических условий в нижнем течении и дельте р. Нил, как в настоящее время, так и в ближайшей перспективе.

3. Учитывая тот факт, что водохранилище Асуанскоого гидроузла осуществляет глубокое многолетнее регулирование стока, проведен анализ межгодовой и внутригодовой изменчивости притока речных вод в водохранилище. Установлено, что колебания годового стока р. Нил характеризуются последовательным чередованием лет (или групп лет) различной водности. Кроме того, начиная с 1968/69 г. наблюдается снижение годовых объемов стока в сравнении с предшествующим периодом. Так, средний сток за период 1969/70 – 2004/05 гг. меньше среднемноголетнего стока на 22,7 км3/год (27%), а его дисперсия составляет всего лишь 38% от дисперсии всего ряда. Имеет место так же резкое отличие коэффициентов автокорреляции годового стока (соответственно 0,51 и 0,13). Таким образом, этот период в динамике годового стока р. Нил статистически значимо отличается по своим параметрам от предшествующего периода. Внутригодовой режим притока речных вод в водохранилище характеризуется наличием двух четко выраженных периодов: повышенного стока с августа по октябрь и пониженного стока с ноября по июль. На первый период приходится 55-70% годового стока, в зависимости от водности года, а на период низкого стока приходится 30-45% от годового объема стока.

4. Потери на испарение в условиях жаркого и сухого климата, свойственного территории Египта особенно велики. В связи с этим были проведены исследования для получения математической модели испарения с водной поверхности с определяющими его факторами (температура поверхности воды и воздуха, влажность воздуха и скорость ветра). В результате для оценки потерь воды на испарение с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла предложена эмпирическая зависимость, связывающая испарение со средним значением максимальной упругости водяного пара, вычисленной по температуре поверхности воды, средним значением упругости водного пара на высоте 200 см и средним значением скорости ветра на высоте 200 см. Для оценки величины испарения с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла при расчете его водного баланса используется график зависимости суммарных потерь на испарение от площади водного зеркала водохранилища, для различных месяцев. Сопоставление расчетных и наблюденных значений испарения с водной поверхности показало, что средняя ошибка составляет 6,30% при крайних значениях 1,0-18,0%. Это позволяет рекомендовать уравнение (7) для оценки потерь на испарение с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла при водохозяйственных расчетах.

5. Разработана имитационная модель функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла в русловой части реки, где выделены два участка: собственно водохранилище и не зарегулированный участок р. Нил в его нижнем течении и дельте. Каждый участок характеризуется соответствующим балансовым дифференциальным уравнением воды и вещества. Учитывая многокомпонентность функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла, для моделирования режима попусков из него используется имитационная модель с блочной структурой. Кроме балансовых уравнений и системных ограничений, в качестве критерия выбора предпочтительных вариантов режима попусков принимается минимизация максимального отклонения расчетных попусков от оптимальных. При этом попускам, назначенным для улучшения экологических условий в нижнем течении и дельте р. Нил, отдается предпочтение. В условиях маловодья, когда не имеется возможности удовлетворить всех участников комплексного попуска, применяется правило справедливых уступок, заключающееся в последовательном ущемлении интересов более приоритетных участников ВХК с целью поднятия нижней границы до технологического или экологического минимума требований на воду менее приоритетных участников.

6.Численная реализация разработанной имитационной модели функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла включила, во-первых, проверку степени адекватности модели реальным условиям и, во-вторых, в проведении серии вариантных расчетов для оценки и выбора рационального режима попусков из водохранилища. Проведенное сопоставление расчетных и фактических характеристик режима работы водохранилища Асуанского гидроузла свидетельствует об адекватности разработанной модели его функционирования реальному режиму его работы. В целом результаты численного машинного эксперимента позволяют сделать следующие выводы:

  • независимо от водности р. Нил во всех рассматриваемых вариантах полностью обеспечивается требуемый комплексный попуск в размере 62 (современный уровень) и 70 км3/год (ближайшая перспектива);
  • в многоводные годы создается возможность увеличить попуск до 77-124 км3/год, что создает благоприятные санитарно-экологические условия в нижнем течении и дельте р. Нил;
  • в средние и маловодные годы, благодаря поддержанию наполнения водохранилища на отметке 164 м. абс., создается возможность не только уменьшить непроизводительные потери воды на испарение, но и увеличить попуск в нижний бьеф до 103,0 км3/год по сравнению с требуемым попуском 62 км3/год;

7. Численный машинный эксперимент создает реальную возможность рассмотреть достаточно большое количество вариантов функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла, связанных как с возможным изменением климатических условий в зоне формирования стока р. Нил и в зоне его использования, так и стратегии развития экономики Египта;

8. Учитывая большую роль гидроэнергетики в ВХК водохранилища Асуанского гидроузла, в дальнейшем необходимо в функциональную структуру разработанной имитационной модели включить блок режима работы ГЭС с последующим определением водноэнергетических показателей (мощность, выработка, напор). Этот блок тем более важен, что позволяет установить допустимые минимальные уровни сработки водохранилища, не ущемляя сильно интересы гидроэнергетики;

9. Как видно из численных экспериментов, поддержание высоких уровней воды в водохранилище сопряжено с большими потерями воды на испарение и некоторым ущемлением дополнительных попусков из водохранилища с целью улучшения санитарно-экологических условий в его нижнем бьефе.

Основное положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Влияние водохозяйственного комплекса водохранилища Насер на р. Нил на качество окружающей среды. //Природообустойство и рациональное природопользование – необходимые условия социально – экономического развития России. Сборник научных трудов. Часть 1. - М.: МГУП, 2005. С. 325-330.

2. Обоснование метода расчета испарения с водной поверхности и адаптация его к условиям водохранилища Асуанского гидроузла //Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования в развития экосистем». Часть II. – М.: МГУП, 2006. С. 89-93.

3. Оценка межгодовой изменчивости притока речных вод в водохранилище Асуанского гидроузла (в соавторстве) // Мелиорация и водное хозяйство, 2007. №1. С. 53-55.

4. Моделирование режимов попусков ВХК водохранилища Асуанского гидроузла. //Доклады международной научно-практической конференции «Роль обустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК».М : МГУП, 2007 (в печати, в соавторстве).

® Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак. № Тираж 100


 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.