На правах рукописи

Сами Хассан Эльсайед Таглави
Совершенствование методов разработки сценариев управления эксплуатацией водохранилищ на реках

с обильным стоком наносов

Специальность: 05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва-2010 г.

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» на кафедре гидрологии, метеорологии и регулирования стока

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

кандидат технических наук

Зейлигер Анатолий Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Асарин Александр Евгеньевич,

ОАО «Институт Гидропроект»

кандидат технических наук, доцент

Волынов Михаил Анатоливич,

ВНИИГиМ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации)

Ведущая организация: ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 18 октября 2010 г. в 15⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета. Д 220.045.02 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, ауд. 201/1

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

Автореферат разослан « ».09.2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Евдокимова И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований

Процесс заиления действующих водохранилищ и возникающие при этом проблемы уменьшения их полезного объёма в бассейне р. Нил являются чрезвычайно злободневными. В то же самое время, интенсивный рост площадей эксплуатируемых оросительных систем, наряду с уменьшением полезных емкостей водохранилищ приводит к увеличению рисков недоподачи воды, необходимой для орошения, и, как следствие, недополучения запланированного урожая, а, следовательно, к снижению рентабельности оросительных систем и удлинению срока их окупаемости.

Планирование и реализация управления водными ресурсами и движением наносов в трансграничном бассейне р. Атбара, являющейся притоком р. Нил и протекающей по территории Эфиопии, Судана и Египта, представляет собой важную и актуальную политическую, социальную, экономическую и техническую задачу. Многогранность этой задачи связана с чётко выраженным сезонным характером стока р. Атбара, когда её русло в течение каждого года пересыхает на несколько месяцев, а также с происходящим в бассейне этой реки социальным и экономическим развитием, требующим бесперебойного водоснабжения сельскохозяйственного орошения, гидроэнергетики, а также промышленности. Для удовлетворения этих потребностей в 60-е годы 20^го столетия в Судане было построено и введено в эксплуатацию водохранилище сезонного регулирования стока Хашм Эль-Гирба для целей водоотведения на построенную оросительную систему Новая Хальфа. Водохранилище образовано за счёт поперченного перегораживания русла р. Атбара плотиной. Мозаика ортокосмоснимков Landsat 2003-2007 г.г. представлена на рис. 1.
Объект исследований

Объектом исследований, проведённых в рамках настоящей диссертации, является многофункциональное водохранилище Хашм Эль-Гирба на р. Атбара (Судан). Это водохранилище было введено в эксплуатацию в 1965 г. для сезонного регулирования стока с подачей воды на оросительную систему Новая Хальфа (площадь 440 000 га, объём водозабора 1890 млн. м³), а также для выработки электроэнергии в объёме 62,980,000 кВт/ч.

В 1965 г. в момент начала эксплуатации водохранилища проектная величина его полезного объёма составляла 1300 млн. м³ (6% объёма среднемноголетнего годового стока р. Атбара), а длина - около  60 км. Через несколько лет проектной эксплуатации водохранилища Хашм Эль-Гирба была выявлена высокая скорость заиливания водохранилища в результате поступления с речным стоком с Эфиопского плато большого количества взвешенных наносов. Высокое содержание этих наносов с течением времени привело в конце 80-х годов к заиливанию более половины проектного полезного объёма (рис. 2), что оказало существенное влияние на планы дальнейшего социально-экономического развития близлежащих территорий, включая строительство новых оросительных систем.

Для выхода из создавшегося положения было принято решение об изменении режима работы водохранилища с включением в этот режим периодических промывок через имеющиеся в составе гидроузла донные водосбросы (рис. 2). Последующими батиметрическими исследованиями было показано замедление скорости заиления водохранилища, которое, однако, не удалось приостановить.

В результате проведённых мероприятий темп заиления водохранилища уменьшился, однако к 2000 г. полезный объём водохранилища уже составлял только 1/3 от первоначального объёма или 468 млн. м³ в абсолютном исчислении (рис 3). Такое уменьшение полезного объёма привело к появлению периодов с дефицитами подачи воды на оросительную систему Новая Хальфа.
Предмет исследований

Предметом исследований являются режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба, а также гидрологические характеристики внутригодового распределения стока р. Атбара, способы расчёта батиграфических характеристик и характеристик испарения с зеркала водохранилища, характеристик стока поступающих наносов, гидравлических характеристик водосбросных сооружений, а также параметры гидравлических промывок наносов.

Цель исследований

Целью исследований является совершенствование методов разработки сценариев работы водохранилищ, позволяющие стабилизировать, а в ряде случаев и увеличить их текущий полезный объём.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели решались следующие гидрологические, батиграфические и водохозяйственные задачи:

• 
  рассчитать гидрографы внутригодового распределения притока к водохранилищу Хашм Эль-Гирба различной заданной обеспеченности по гидрологическим рядам наблюдений;
  

• 
  рассчитать интенсивность и объёмы испарения с водной поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба по данным метеорологических наблюдений;
  

• 
  сделать прогноз изменения объёмной характеристики и характеристики площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба в результате заиления при существующем режиме его работы;
  

• 
  оценить объём выноса отложившихся наносов в результате гидравлической промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба;
  

• 
  разработать имитационную балансовую модель режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба при изменении его полезного объёма;
  

• 
  провести математическую имитацию сценариев работы водохранилища Хашм Эль-Гирба в годы различной водности при различной степени его заиления.
  

Методика исследований

Методика исследований включала разработку и использование различных математических моделей и расчётных методов, позволяющих:

• 
  рассчитать по данным наблюдений внутригодовое распределение стока для лет различной водности;
  
• 
  рассчитать интенсивность и объём испарения с водной поверхности водохранилища по данным метеонаблюдений;
  
• 
  рассчитать батиграфические характеристики водохранилища и тренды их изменения;
  
• 
  оценить влияние гидравлической промывки водохранилища на его полезный объём;
  
• 
  моделировать сценарии режимов работы водохранилища с учётом отложения наносов, а также его промывки.
  

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит из следующих положений:

• 
  разработаны и протестированы способы расчёта площади зеркала по объёмной характеристике водохранилища Хашм Эль-Гирба;
  
• 
  получена локализованная модель расчёта объёма испарения с поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба Хашм Эль-Гирба по данным метеонаблюдений;
  
• 
  получена откалиброванная модель оценки влияния промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба на его полезный объём;
  
• 
  разработана и протестирована модель расчёта режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба для случая изменения его полезного объёма в результате отложения и промывки наносов;
  
• 
  рассчитаны сценарии работы водохранилища Хашм Эль-Гирба с различной степенью заиленности в годы различной водности, позволяющие стабилизировать полезный объём водохранилища, а в ряде случаев и увеличить его.
  

Практическая значимость работы

Практическая значимость результатов проведённых исследований позволяет:

• 
  формировать по архивным данным набор входных характеристик, необходимых для расчёта режима работы водохранилища;
  
• 
  рассчитать режимы работы водохранилища с учётом его промывки.
  

Достоверность исследований

Достоверность исследований обоснована тем, что исходными материалами для проведения исследований послужили данные изысканий, а также проектные и архивные данные наблюдений и исследований гидрологических, метеорологических, батиграфических, гидравлических и водохозяйственных характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба, а также применением научно-обоснованной методики численного расчета, тестированием разработанной им программы расчетов, реализованной на известных аналитических решениях в среде Ms Excel & VBA.

Положения, выносимые на защиту:

• 
  результаты гидрологических расчётов внутригодового распределения речного стока р.Атбара (Судан) в створе плотины Хашм Эль-Гирба;
  
• 
  методика и результаты расчётов площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба по его объёмной характеристике;
  
• 
  результаты прогноза изменения батиграфических характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба при существующем режиме его работы;
  
• 
  модель расчёта интенсивности испарения с поверхности водохранилища Хашм Эль-Гирба;
  
• 
  балансовая модель расчёта режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба при изменении его полезного объёма;
  
• 
  результаты имитации сценариев работы и промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба при различной степени заиленности.
  

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и выбор объекта исследований, а также формулируются задачи исследований.

В первой главе “География, климат, экономика и водные ресурсы государства Судан” проанализированы географические, климатические, ландшафтные, геологические, гидрографические и гидрогеологические характеристики Судана, а также зоны месторасположения водохранилища Хашм Эль-Гирба. Приводится информация о проблемах и перспективах использования водных ресурсов для развития орошаемого земледелия.

Территория Судана составляет 2.5 млн. км² и располагается между 3°28' и 22°00' с.ш., 21°49' и 38°35' в.д. в тропическом и субэкваториальном климатических поясах. По природным условиям Судан делится на три географические области. На севере простираются пустыни и полупустыни; население и сельскохозяйственные угодья, расположенные здесь, сосредоточены в основном в узкой долине р. Нил. Центральную часть страны пересекает широкий пояс сухих саванн. Юг Судана, называемый «страной рек», представляет собой высокотравную саванну с тропическими лесами. На большей части территории Судана климат переходный от экваториального муссонного в южной части страны к тропическому - в северной. Если на юге страны климат жаркий и влажный, продолжительность сухого периода всего два месяца, а годовое количество осадков достигает 2000 мм в год, то в северной части сухой сезон длится более 10 месяцев, а осадков выпадает в 20 раз меньше, чем на юге.

Единственной речной системой Судана, пересекающей территорию страны с юга на север, является р. Нил. Эта речная система образуется в месте слияния двух притоков р. Нил - Белого и Голубого Нила у столицы Судана г. Хартум. Река Атбара, впадающая в р. Нил в 320 км ниже Хартума, полноводна лишь в период дождей.

Аграрный сектор составляет основу экономики Судана, а динамика сельскохозяйственного производства во многом определяет темпы развития национального хозяйства в целом. Судан располагает значительными земельными угодьями: площадь обрабатываемых земель составляет около 12.5 млн. га, однако орошаемые угодья занимают только 1.9 млн. га или 15% всей обрабатываемой площади. Более 90% общего объёма экспорта Судана составляет сельскохозяйственное сырьё и продовольствие, призводимое в этой стране. Около 70% самодеятельного населения связано с земледелием и животноводством. В районе Эль-Гезиры, находящемся в междуречье Белого и Голубого Нила имеются крупные ирригационные объекты. Подобным объектом также является оросительная система Новая Хальфа (площадь 440000 га), расположенная на землях в бассейне р.Атбара близ водохранилища Хашм Эль-Гирба, снабжаемая водой из этого же водохранилища.

Во второй главе «Гидрологические и климатические характеристики р. Атбара водохранилища Хашм эль- Гирба» приведены обзор и анализ методов интерпретации архивной информации, а также результаты расчёта характеристик, необходимых для имитации сценариев работы водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Водный режим р. Атбара (площадь водосборного бассейна - 112 400 км², общая длина - 880 км, основные притоки - р. Сетит и р.Верхняя Атбара), начинающейся на северо-западной части Эфиопского высокогорья имеет сезонный характер, период паводка продолжается с июля по ноябрь, а безводная межень - с января по апрель.

Исследованием водного режима и режима наносов водохранилища Хашм Эль-Гирба занимались Абдалла А.А.С, Абдел Ати Х.А., Эльдисоги М.Эли, Имад Бабикер Иед, Хуссин Е.А., Ибрахим Саиед Насир, Мухаммид Ахмед Эли, Сурбо Г.М., Сиям А.М., Тадж Эльсир Ахмед и другие.

Для получения входных статистических данных гидрологического режима стока с целью их последующего использования в имитационных расчётах режима работы водохранилища была проведена обработка исторических данных подекадных объёмов речного стока, полученных на гидрометрическом посту у г. Эльшавак (80 км выше створа плотины) за период с 1966 по 2001 г.г. Для этого в электронных таблицах MS Excel на языке VBA была составлена программа, позволившая сформировать ряды годовых и месячных объёмов речного стока, подобрать функции их распределения, а также рассчитать параметры внутригодового распределения стока в годы 25%, 50% и 75% обеспеченности (рис. 4).

В расчётах внутригодового распределения стока для помесячного распределения был использован метод компановки, а для подекадного распределения - расчётные значения помесячного распределения (рис. 4).

Проведён сопоставительный анализ существующих методов оценки испарения с водной поверхности: метода водного баланса; метода испарителей и испарительных бассейнов; метода теплового баланса; метода турбулентной диффузии; метода эмпирических формул. Этот анализ привел к заключению, что при расчёте испарения с зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба наиболее приемлем метода эмпирических формул.

Среди формул этого метода широко известны зависимости А.П. Браславского, З.А. Викулиной, В.И.Кузнецовым, В.С.Голубевым, Т.Г.Федоровой, В.А. Рымши, Р.В. Донченко, С.Н. Нургалиева и других.

В этом классе зависимостей оценки месячных сумм испарения с поверхности водоёмов, независимо от их размеров, часто и успешно используется выражение с различными значениями входящих в него коэффициентов, которое в общем виде для объёмов месячного испарения с водной поверхности можно представить как:

, (1)

где: е₀ - среднемесячное значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мбар; е₂₀₀ - среднемесячное значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200см, мбар; u₂₀₀ - среднемесячное значение скорости ветра над водоемом на высоте 200 см, м/с; i - число суток в расчетном интервале времени; A и B – эмпирические коэффициенты.

Учитывая, что это уравнение и наборы соответствующих коэффициентов были получены в основном для условий России, была выдвинута гипотеза о применимости структуры этой зависимости и набора, содержащихся в ней параметров, для условий водохранилища Хашм Эль-Гирба. С целью локализации этого уравнения для этого водохранилища была произведена подборка значений входящих в него эмпирических коэффициентов по имеющимся данным мониторинга 1997 – 2000 г.г.. Для этого были использованы инструменты программного комплекса SigmaPlot, позволяющие проводить оптимизацию эмпирических параметров аналитических функций по параллельным рядам метеорологических наблюдений (температура воздуха, скорость ветра, относительная влажность воздуха, испарение с зеркала водохранилища и.т.д.). В результате оптимизационных расчётов были найдены значения эмпирических коэффициентов А=0,69 и В=0,1132 (с коэффициентом корреляционных отклонений R=0.91 и относительной среднеквадратической ошибкой ε =1.51%). Результаты проведенной локализации выражения (1) для условий водохранилища Хашм Эль-Гирба представлены на рис. 5. Эти результаты свидетельствуют о тесноте полученной связи, что позволило использовать полученные расчётные данные испарения с зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба для последующих расчётов режима работы этого водохранилища.
В третьей главе «Изменение батиграфических характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба вследствии его заиления» приведены результаты анализа и моделирования изменения объёмной характеристики и характеристики площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба в результате его заиления.

За прошедшие с момента строительства водохранилища 45 лет было проведено семь исследований изменения его батиграфических характеристик (1965 – 2000 г.г.). Однако в архиве удалось обнаружить в полном комплекте лишь все семь объёмных характеристик за 1965, 1975, 1980, 1985, 1990, 1995 и 2000 г. и лишь одну характеристику площади зеркала водохранилища за 1975 г. (рис. 6).

Известно, что обе батиграфические характеристики Ω(Н) и V(H) связаны между собой выражением (2) и (3). Для выбора способа реализации расчёта площади зеркала по объёмной характеристике было проведено тестирование конечно-разностных моделей «М-1» и «М-2» и полиноминальных аппроксимационных моделей «М-3» и «М-4» с использованием обеих имеющихся характеристик за 1975 г.

Отличие последних двух моделей друг от друга состоит в разбиении моделью «М-4» объёма водохранилища на два составляющих объёма, первый из которых ниже отметки 460 м существенно не изменился после 1975 г., а второй - выше отметки 460 м - претерпел существенное уменьшение. Результаты расчётов, приведенные на рис. 7, показывют, что модели «М-1» и «М-2» не позволили, а модели «М-3» и «М-4» позволили получить удовлетворительную сходимость измеренной и рассчитанной характеристик площади зеркала. При этом было показано, что увеличение степени полинома свыше 3-х не приводит к улучшению результатов расчётов. Сравнение же последних обеих моделей между собой показало, что модель «М-4» позволяет получить несколько лучшие результаты.

Таблица 1

Модели расчёта батиграфических характеристик водохранилища

Характеристики
Объёмная	Площадь зеркала
Каноническая модель
, (2)	, (3)
Конечно-разностная модель «М-1»
, (4)	, (5)
Конечно-разностная модель «М-2»
, (6)	, (7)
Полиноминальная аппроксимационная модель «М-3»
, (8)	, (9)
Полиноминальная аппроксимационная модель «М-4»
, (10)	, (11)

где - Н₀ - отметка дна водохранилища непосредственно у плотины; V_i, V_i+1 и , - соответственно, объём и площадь зеркала водохранилища, соответствующие отметкам уровня воды водохранилища H_i+1, H_i; a_k, a_k1, a _k2 - эмпирические коэффициенты; k, k₁, k₂ – степени разложения полинома.

Результаты расчётов площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба по измеренным объёмным характеристикам с помощью модели «М-4» представлены на рис. 8.

Для оценки динамики изменения батиграфических характеристик водохранилища были рассчитаны соответствующие интенсивности изменения:

Таблица 2

Модели расчёта интенсивности изменения объёма сопряжённых слоёв и интенсивности изменения площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба

а) Интенсивность изменения объёма сопряжённых слоёв водохранилища (рис. 9)	б) Интенсивность изменения площади зеркала водохранилища (рис. 10)
, (12)	, (13)

где: - интенсивность изменения объёмов сопряжённых слоёв водохранилища между отметками и за интервал времени - , (млн. м³/год)/м; - интенсивность изменения площади зеркала водохранилища, соответствующее отметке за интервал времени и , км²/год.

Приведенные на рис. 9 интенсивности изменения объёмов отдельных сопряжённых слоёв водохранилища указывают на наличие двух ярко выраженных периодов его эксплуатации: первого - с начала эксплуатации по 1985 г., соответствующего периоду интенсивного заиления водохранилища и второго - с 1985 г. по 2000 г., соответствующего уменьшению интенсивности его заиления в результате периодических промывок. Так интенсивности уменьшения объёма слоёв водохранилища между отметками 440-462 м до 1985 г. постепенно снижались, а после 1985 г. их значения стабилизировались на постоянном. Объёмы же слоёв, расположенных выше отметки 462 м, продолжали уменьшаться с практически постоянной интенсивностью и после 1985 г. вплоть до 2000 г. В свою очередь, приведенные на рис. 10 интенсивности изменения площади зеркала водохранилища на разных его отметках, также отражают наличие двух периодов, что подтверждается эпизодическими увеличениями площади зеркала водохранилища на ряде отметок.

Экстраполяция рядов измеренных объёмных характеристик водохранилища на пост-мониторинговый период была проведена аппроксимацией функций за период 1975-2000 г.г. Для этого с помощью оптимизационной процедуры программного обеспечения Sigma Plot были получены полиномы третьей степени для каждой временной функции . В результате этих расчётов были получены пост - мониторинговые объёмные характеристики и характеристики площади зеркала водохранилища (рис. 6 и рис. 8), что позволило сделать оценку полезного объёма на 20-летний пост-мониторинговый период при сохранении используемого режима управления водохранилищем, а также показать необходимость его изменения для предотвращения дефицитной водоподачи на оросительную систему.

В четвертой главе «Поступление и сработка наносов, заиление и промывка водохранилища» рассмотрены вопросы источников поступления наносов в речную сеть р. Атбара, а также теоретические и практические аспекты моделирования процессов заиления и промывки водохранилищ.

Основные факторы, влияющие на формирование стока наносов, обычно подразделяются на три группы: гидроклиматические, геоморфологические и антропогенные. Согласно этой классификации основным фактором, определяющим поступление наносов в водохранилище Хашм Эль-Гирба, является геоморфологическая особенность верховий р.Атбара, исток который расположен на Эфиопском плато. При этом перемещение наносов, согласно проведенным исследованиям до строительства плотины, в основном происходило в форме устойчиво взвешенных наносов, что связано с соотношением размера частиц и скоростей водного потока в этой предгорной части русла реки.

Согласно выполненным ранее исследованиям  р. Атбара в створе своего впадения в р.Нил приносит ориентировочно 120 млн т наносов в год, а ежегодный объём наносов у г.Эльшвак (60 км выше створа плотины) составляет около 100 млн. т/год (рис. 11). Река Сетит, поставляющая в р. Атбару порядка 2/3 объёма воды, приносит с собой порядка 90% общего объёма наносов р.Атбара (86 млн. т в 1973 г.), а р. Верхння Атбара приносит с собой порядка 8 млн. т/год (около 10%). Максимальная измеренная концентрация взвешенных наносов в р. Атбара составляет 25 кг/м³. Средняя концентрация наносов в период наводнений (с августа по октябрь) составляет около 20 кг/м³ (рис 12).

Мировой опыт эксплуатации водохранилищ показывает, что процессы заиления и занесения их объёмов отложениями наносов являются одним из важнейших факторов, определяющих эффективность эксплуатации этих сооружений, а также эти процессы влияют на экологическую обстановку прилегающих территорий. Отложения донных и взвешенных наносов, транспортируемых рекой, в чаше водохранилища и в речном русле выше по течению вызывают уменьшение его регулирующей ёмкости водохранилища и удлинение создаваемой им кривой подпора с увеличением зоны затопления и подтопления прибрежных территорий. Кроме того, в результате задержания в водохранилище части речных наносов, в нижний бьеф сбрасывается осветлённая вода, что приводит к интенсификации размыва отводящего речного русла и снижению уровня воды вдоль береговой линии русла, расположенного ниже плотины. В связи с этим для обеспечения эффективной и рациональной эксплуатации проектируемых или реконструируемых гидроузлов и их водохранилищ необходимо при разработке проектов выполнить прогностические расчёты перечисленных выше явлений и на их основе разработать решения по борьбе с ними.

Изучением вопросов заиления и занесения подпорных бьефов и связанных с ними русловых процессов занималась большая группа отечественных и зарубежных исследователей. В их работах было показано, что физические параметры и продолжительность процесса заиления, а также характер распределения наносных отложений в подпорных бьефах в основном зависят от гидрологических, геоморфологических, гидротехнических и других факторов. К усилению этих явлений может приводить не отвечающая складывающейся обстановке эксплуатация сооружений в составе гидроузла водохранилища, развитие эрозионных процессов, вызываемых сельскохозяйственной и иной антропогенной деятельностью человека на территории водосборного бассейна, зарастание мелководий водной растительностью, а также изменение гидравлических характеристик русла, направления дрейфовых течений и ветровой обстановки и др. Во всех этих случаях своевременное принятие службой эксплуатации необходимых мер, направленных на ослабление возможных отрицательных последствий вышеуказанных процессов существенно ослабит интенсивность развития этих процессов и повысит эффективность работы водохранилища.

Существующие методы в основном разработаны для прогностических расчётов заиления глубоководной озерной части водохранилищ. Так В.С. Лапшенков классифицирует эти методы по следующим четырём группам.

Первая группа состоит из эмпирических методов расчётов, основанных на результатах количественного анализа данных натурных измерений. Одним из часто и широко используемых на практике является метод Г.И.Шамова, который подтвердил и привёл к выражению, удобному для широкого практического использования, эмпирическую модель, для определения изменения объёма водохранилищ в результате заиления, предложенную Ф. Ортом которая в свою очередь явилась развитием теоретической модели заиления водохранилищ, разработанной Т.Тейлором.

В общем виде формула Ф.Орта может быть записана в следующем виде

, (14)

где: - объём водохранилища за вычетом объёма наносных отложений (т.е. объём, не подвергшийся заилению) на момент времени T; - часть физического полного объёма водохранилища, которая может быть заполнена наносными отложениями при его предельном заилении, когда в водохранилище остается только некоторое русло, по которому происходит полный транзит в нижний бьеф всех наносов без их осаждения (предельно-заиляемый объём водохранилища); T – количество лет с момента начала эксплуатации водохранилища. Полагая в формуле 14 T= 1 и , Г.И.Шамов получил выражение:

, (15)

где: - объём наносов, отлагающихся в водохранилище в течение первого года его работы.

Полученные результаты расчётов по зависимости 15 приведены на рис. 13, где также помещены данные многолетнего мониторинга и прогностических экстраполяционных расчётов. Анализ данных, помещенных на этом графике, свидетельствует об удовлетворительном воспроизведении данных мониторинга с момента начала эксплуатации водохранилища до момента корректировки правил управления, следование которым изменило тенденцию заиления водохранилища.

В
Дорисовать экстраполяцию

Дорисовать экстраполяцию
торая группа состоит из балансовых методов, основанных на интегрировании дифференциального уравнения баланса наносов и русловых деформаций, связывающего отложение наносов между створами с изменением транспортирующей способности потока за некоторый интервал времени ∆t.

Третья группа состоит из методов, основанных на теоретических или экспериментальных закономерностях осаждения наносов.

Четвертая группа состоит из компьютерных количественных моделей транспортировки и осаждения наносов

Анализ перечисленных методов и требуемых для их использования наборов параметров привёл к заключению о возможности использования для имитации работы водохранилища Хашм Эль-Гирба методов расчёта второй группы с использованием балансовых уравнений гидравлической промывки водохранилища.

Многие исследователи и инженеры-гидротехники, эксплуатирующие водохранилища, считают, что наиболее экономически целесообразным и эффективным способом является гидравлическое удаление (промыв) наносных отложений в водохранилище с использованием перепада между уровнями воды в бьефах гидроузла.

Результаты проведенных натурных исследований были обобщены и представлены в виде эмпирических моделей, удобных для использования в оценочных расчётах эффекта гидравлической промывки водохранилища. Три из этих моделей приведены в табл. 3.

Таблица 3

Модели расчёта расходов вымываемых наносов

Автор	Модель
Fan and Jiang (Модель 1)	, (16) где: - расход вымываемых наносов, кг/с; - расход потока промывной воды из водохранилища, м3/с; - уклон поверхности наносов и - эмпирический коэффициент
Xia (Модель 2)	, (17) где: - расход вымываемых наносов, т/с; - уклон поверхности наносов; - ширина донного водосброса, м и - коэффициент эродированности (E = 180 для консолидированной глины)
Sen and Srivastava (Модель 3)	, (18) где: - расход вымываемых наносов, м3/с; - уклон поверхности наносов; - средний размер частиц наносов, м; - плотность наносов, кг/м3; - скорость потока промывной воды из водохранилища, м/с и - гидравлический радиус поперечного сечения потока, м

Для выбора адекватной модели промывки водохранилища для последующего её включения в имитационную модель управления было произведено сопоставление каждой из этих моделей с данными натурных измерений (рис. 14). Сравнение натурных данных с результатами расчётных моделей привело к заключению о возможности использования в структуре имитационной модели управления водохранилищем Хашм Эль-Гирба модели Fan and Jiang (Модель 1).

В пятой главе «Имитация сценариев работы водохранилища Хашм Эль-Гирба» рассматриваются вопросы разработки имитационной модели управления работой водохранилища, а также проводится анализ результатов сценарных имитационных расчётов.

За последние десятилетия возросло количество водохранилищ, особенно в странах с теплым климатом, устойчивая эффективность управления которыми в основном связана с проблемой больших объёмов наносов, а, следовательно, и с проблемой заиления этих водохранилищ. Для достижения устойчивого управления водохранилищем после многолетнего заполнения его полезного объёма наносами и, как результат, трансформации этого объёма в основном в объём подводящего канала требуется удаление значительной части наносов, отложившихся на пойме. Одной из стратегий такого управления может служить регулирование режима отложений и промывка водохранилища с помощью специально подобранных режимов управления его работы. После удаления части отложений полезный объём водохранилища может быть частично или полностью восстановлен. Большие денежные затраты на удаление наносов могут быть минимизированы при осуществлении долгосрочной стратегии управления транзитом и отложением наносов. Эта стратегия предопределяет уменьшение скорости заполнения наносами чаши водохранилища и максимальное увеличение его полезного объёма.

Современная практика регулирования режима наносов заключается в основном в контроле эрозионных процессов на водосборе, не смотря на то, что данная односторонняя деятельность регулирования режимами наносов не сможет остановить заиление водохранилища и сохранить его полезный объём. Для устойчивого же управления необходим комплексный подход в регулировании процессами заиления, включающий все возможные стратегии, а также необходимо сбалансировать поток наносов, проходящих через водохранилище. Комплексное регулирование наносами включает в себя необходимый полный анализ проблемы заиления наносами, а также применение целого ряда стратегий управления наносами в соответствующих ситуациях и конкретных случаях.

Существенное влияние на процесс заиления водохранилища оказывает режим его работы - ход наполнения и сработки излишков воды, режим опорожнения и др. Важное влияние оказывает увязка этого хода с процессом изменения расходов и мутностей реки. Теория регулирования речного стока рекомендует для уменьшения заиления так называемый второй вариант наполнения, при котором во время паводков в водохранилищах поддерживают низкие уровни воды, близкие к уровню мёртвого объёма. Это позволяет значительную часть, твёрдого стока реки транзитом сбросить в нижний бьеф. Однако, режим работы водохранилища с таким вариантом наполнения может с успехом применяться только тогда когда, это не отражается на гарантированной подаче воды её потребителям в рассматриваемый период, а также если имеющиеся прогнозы стока воды достаточно достоверно гарантируют возможность наполнения водохранилища до НПУ в послепаводковый (меженный) период.

В данной работе основной акцент исследований сделан на имитационных модельных исследованиях по уменьшению влияния заиления с помощью гидравлических промывок уже заилённого водохранилища Хашм Эль-Гирба, полезная ёмкость которого становится недостаточной для бездефицитной подачи воды на оросительную систему. С этой целью был использован балансовый метод расчёта внутригодового подекадного распределения стока воды для лет различной водности. Это позволило соединить достоинства двух основных подходов - календарного и вероятностного – для расчёта режима работы водохранилища с учётом водности года и его полезного объёма перед началом паводка, а также управлять стоком наносов с проведением серии последовательных промывок. Для имитации сценариев работы водохранилища с учётом изменения его полезного объёма в результате отложения наносов и гидравлических промывок была разработана модель, основанная на следующих уравнениях:

1. 
   объём сброса воды в результате промывки:
   

, (19)

где: - объём сброса воды через промывные отверстия за i-ый интервал времени; - уровень воды в водохранилище к началу промывки, м; - уровень воды в водохранилище на конец промывки, м; - количество промывных отверстий, штук;

2. 
   объём сброса наносов через промывные отверстия:
   

, (20)

где: - объём выносимых наносов за i-ый интервал времени;

3. 
   объём сброса воды через водослив:
   

если , (21)

, (22)

где - объём сброса воды через водослив за i-ый интервал времени; - объём воды в водохранилище на начало i-го интервала времени; - расчётный приток воды к водохранилищу за i-ый интервал времени; - объём водоподачи на оросительную систему за i-ый интервал времени; - объем потерь на испарение с зеркала водохранилища за i-ый интервал времени; - объём сброса воды через промывные отверстия за i-ый интервал времени; - объём воды в водохранилище на конец i-го интервала времени;

4. 
   объём поступления наносов в водохранилище за i-й интервал времени:
   

, (23)

где: - объём поступления наносов в водохранилище за i-й интервал времени, - средняя концентрация наносов, кг/м³;

5. 
   объём сброса наносов через водослив:
   

, (24)

где: - объём сброса взвешенных наносов через водослив за i-ый интервал времени; - концентрация взвешенных наносов, сбрасываемых через водослив, кг/м³;.

6. 
   изменение объёма наносов, отложившихся в полезной ёмкости водохранилища:
   

, (25)

где: - изменение объёма отложившихся наносов за i-ый интервал времени;

7. 
   полезный объём водохранилища на конец i-го интервала времени:
   

, (26)

где - величина полезного объёма водохранилища на начало i-го интервала времени, м³; - величина полезного объёма водохранилища на конец i-го интервала времени, м³;

8. 
   искомый объём воды в водохранилище на начало i-го интервала времени:
   

если , (27)

если , (28)

если , (29)

где: - величина полезного объёма водохранилища на конец за i-го интервала времени, м³; - величина мёртвого объёма водохранилища (принимается постоянной), м³;.

9. 
   фактическая водоотдача:
   

, (30)

где: - величина фактической водоотдачи из водохранилища за i-ый интервал времени, м³;

10. 
    дефицит водоотдачи:
    

, (31)

где - величина дефицита водоотдачи за i-ый интервал времени, м³;

11. 
    уравнение баланса воды в водохранилище:
    

, (32)

Для численной реализации представленной системы уравнений была разработана программа расчётов, реализованная в среде Ms Excel & VBA в пошаговом режиме по интервалам периодов времени дискретизации.

Проведённое тестирование имитационной модели на примере сценария управления водохранилищем Хашм Эль-Гирба по состоянию на 2010 г. (без промывки) (рис. 15) показало необходимость учёта в расчётах изменения полезной ёмкости водохранилища, ибо недоучет этого параметра приводит к занижению расчётных объёмов дефицита воды, требуемой для орошения.

Результаты проведённых расчётов по регулированию режима работы водохранилища с одной промывкой (рис. 16) подтвердили необходимость параллельного расчёта как водного режима водохранилища, так и расчёта изменения величины его полезного объёма в результате отоложения наносов и их промывки. В то же самое время, результаты этих же имитационных расчётов показали, что используемые правила управления водохранилищем Хашм Эль-Гирба с одной промывкой не позволяют сохранить минимально-допустимый полезный объём вожохранилища, обеспечивающий бездефицитную водоподачу на оросительную систему.

Результаты имитационных расчётов с двухтактной промывкой водохранилища показали удовлетворительную эффективность такого сценария режима работы, позволяющего в зависимости от водности года стабилизировать полезный объем водохранилища. и таким образом существенно уменьшить бездефицитную подачу воды на оросительную систему (рис.17). Согласно этим же расчетам показано, что с помощью двухтактной промывки удаляется часть отложившихся наносов до тех пор, пока не будет восстановлен приемлемый полезный объём, либо осаждение и промывка наносов не будут сбалансированы во времени. На рис. 18 и рис. 19 показаны результаты расчётов, свидетельствующие как об увеличении полезного объёма водохранилища в результате промывок, так и о сокращении дефицитов водоподачи на оросительную систему.
Основные результаты и выводы

1. 
   В рамках проведенных исследований по разработке имитационной модели режима работы заиляющегося водохранилища Хашм Эль-Гирба (Судан) по гидрологическим рядам наблюдений были сформированы гидрографы внутригодового распределения притока к водохранилищу для лет различной водности, и, таким образом, получены наборы достоверных данных, позволившие, в свою очередь, провести математическую имитацию сценариев работы этого водохранилища как по принятым в настоящее время правилам управления, так и по предложенным новым правилам.
   
2. 
   В результате математического анализа рядов мониторинга испарения с зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба найдены локализованные значения коэффициентов распространенной эмпирической зависимости, что позволило включить в имитационные расчёты месячные нормы испарения с зеркала этого водохранилища.
   
3. 
   Были разработаны модели объёмной и площадной характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба, на которых были апробированы архивные данные результатов батиметрических исследований с целью выявления динамики изменения заиления этого водохранилища, что позволило включить в имитационные расчёты данные прогноза, полученные по этим характеристикам.
   
4. 
   Анализ и тестирование эмпирических уравнений оценки эффекта промывки позволили подобрать наиболее приемлемую модель промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба, что позволило определить объём выноса отложившихся наносов в результате гидравлической промывки для включения его в разработанную имитационную балансовую модель режима работы водохранилища.
   
5. 
   В результате проведённых имитационных расчётов по разработанной балансовой модели режима работы водохранилища Хашм Эль Гирба оказалось, что использование современных правил управления режимами работы этого водохранилища с однотактной периодической промывкой не обеспечивает надежной устойчивой подачи воды в оросительную систему в результате наступающего критического уменьшения полезного объёма и нарастающих хронических дефицитов воды.
   
6. 
   Предложенные и протестированные на разработанной имитационной модели режима работы водохранилища Хашм Эль-Гирба новые правила управления с двумя периодическими промывками позволяют, во-первых, реализовать рекомендуемый сценарий при 25%, 50% и 75% обеспеченности стока р. Атбара и, во-вторых, поддерживать приемлемый режим бездефицитной подачи воды в оросительную систему.
   

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. 
   Эльсайед Таглави Сами Хассан, А. М. Зейлигер. Результаты исследования изменения батиграфических характеристик водохранилища Хашм Эль-Гирба на реке Атбара (Судан) и оценка их изменений в результате его заиливания//Приволжский научный журнал, № 4(12), 2009г., с.35-46.
   
2. 
   Эльсайед Таглави Сами Хассан, А. М. Зейлигер. Имитационная модель управления режимом работы заиляющегося водохранилища Хашм Эль-Гирба (Судан) //Мелиорация и водное хозяйство журнал, № 2 (март-апрель), 2010г., с.46-49.
   
3. 
   Эльсайед Таглави Сами Хассан, А. М. Зейлигер. Батиграфические характеристики водохранилища Хашм Эль-Гирба на реке Атбара (Судан) и оценка их изменений в результате отложения наносов//ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» Материалы международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении природообустройства и экологической безопасности России часть 1, 2009г., с.532-537.
   

Рис. 1. Географическое место расположения и мозаика космоснимков (получена с сайта earth.google.com) водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис. 2. Проектный и изменённый режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис. 3. Данные мониторинга и экстраполяционного расчёта величины полезного объёма водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис. 4. Интегральные (1) и дифференциальные (2) характеристики среднедекадного стока р.Атбара в годы различной обеспеченности.

Рис 5. График связи измеренных и рассчитанных среднемесячных объёмов испарения с поверхности воды водохранилища Хашм Эль-Гирба за период 1997-2000 г.г.

Рис. 6. Сопоставление фактических (за период 1965 - 2000 г.г.) и экстраполированных (на период 2000-2020 г.г.) значений объемных характеристик и характеристик площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба в результате заиления.

Рис. 7. Сравнение измеренных и рассчитанных по моделям «М-1», «М-2», «М-3» и «М-4» характеристик площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис.8 Измеренные (1975 г.) и пост-мониторинговые (1980-2020 г.г.) площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис. 9. Среднегодовые приведенные интенсивности изменения объёма сопряжённых слоёв водохранилища Хашм Эль-Гирба (за период 1965 - 2020 г.г.).

Рис. 10. Среднегодовые интенсивности изменения площади зеркала водохранилища Хашм Эль-Гирба за период 1975-2020 г.г.

Рис. 11. Интегральные (1) и дифференциальные (2) характеристики стока взвешенных наносов р.Атбара в годы различной обеспеченности.

Рис. 12. Среднемноголетние подекадные величины концентраций взвешенных наносов р.Атбара.

Рис. 13. Сопоставление фактических (за период 1964 - 2000 г.г.) и экстраполированных (на период 2000-2020 г.г.) значений мониторинга полезного объёма водохранилища Хашм Эль-Гирба с графиком уменьшения этого объёма в результате заиления (модель Ф.Орта).

Рис. 14. Результаты сопоставления натурных и данных расчитаных по модели Fan and Jiang Srivastava – (Модель 1), Xia (Модель 2) и Sen and Srivastava (Модель 3) данных гидравлической промывки водохранилища Хашм Эль-Гирба.

Рис. 15. Режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба в условях отсутствия промывки с учётом и без учёта заиления полезного объёма водохранилища в средневодном году (Р=50%) по данным 2010 г.

Рис. 16. Режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба с однотактной промывкой без учёта и с учётом изменения полезного объёма водохранилища в средневодном году (Р=50%) по данным 2010 г.

Рис. 17. Режимы работы водохранилища Хашм Эль-Гирба с двухтактной промывкой без учёта и с учётом изменения полезного объёма водохранилища в среднеходном году (Р=50%) по данным 2010 г.

Рис. 18. Изменение полезного объёма водохранилища Хашм Эль-Гирба по данным на 2010 г. при разных сценариях управления по данным 2010 г.

Рис. 19. Изменение объёмов дефицитов водоподачи в оросительную систему при разных сценариях управления водохранилища Хашм Эль-Гирба (по данным на 2010 г.) в годы различной водности.