Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в мире проектируется, строится и работает большое количество систем перебросок стока. Их суммарный объем в мире составляет около 400 км3/год. В сочетании с регулированием стока они обеспечивают большие регионы, параллельно решая проблемы энергетики, транспорта, орошения, рекреации, занятости населения. На системы территориального перераспределения стока (далее ТПС) приходится 40% производственных фондов водохозяйственного комплекса России, что составляет в объемах примерно 80 км3 в год. Поэтому проектирование и управление такими системами является одной из актуальных водохозяйственных проблем.
ТПС стоит в числе наиболее часто обсуждаемых в нашей стране водохозяйственных проблем. Основная причина ТПС заключается в неравномерности распределения природных вод, несоответствии в распределении водных и других природных ресурсов географии размещения водоемких отраслей экономики. В частности, южные районы, где сосредоточены благоприятные агроклиматические ресурсы, недостаточно обеспечены водой. Многочисленные каналы Средней Азии и Казахстана требуют отдельного рассмотрения, поскольку их рождение связано с древними историческими особенностями, необходимостью обводнения пустынных и безводных областей.
Многие годы идет спор о целесообразности переброски 27 км3 в год из нижнего течения Иртыша в бассейн Аральского моря каналом протяженностью более 2000 км и расчетным расходом 1100 м3/с. Вполне реально ожидать реанимации проекта в обозримой перспективе. Ряд важных для экономики страны систем, базирующихся на перебросках, нуждаются в реконструкции, расширении, либо в изменении режима водоподачи – дотация воды из Чусовой в Екатеринбург, внутрибассейновые переброски в бассейне Тобола, перераспределение стока реки Самур и другие примеры.
При проектировании и эксплуатации таких систем решаются множественные водохозяйственные задачи, часто имеющие самостоятельное проектно-методическое значение и для других водохозяйственных проектов. Одна из наиболее важных водохозяйственных задач при проектировании перебросок – это оценка объемов водозабора из реки донора с учетом сочетания факторов, влияющих на объем и режим изъятия. В числе упомянутых факторов режим функционирования водохозяйственного комплекса и сохраняемый водный режим реки донора после осуществления переброски, пропускная способность водозаборных сооружений, неравномерность стока в створе изъятия и наличие регулирующей емкости, зимний режим канала переброски, другие факторы.
По сути, рассматривается один из важнейших разделов методики водохозяйственных расчетов, теория и опыт которых изложены в работах выдающихся российских ученых С.Н.Крицкого, М.Ф.Менкелем, А.Д. Саваренского, их учеников и последователей, внесших огромный вклад в развитие стохастической и инженерной гидрологии, водного хозяйства и гидроэнергетики: А.Е.Асарина, К.Н.Бестужевой, Е.Г. Блохинова, А.Л.Великанова, Я.Д.Гильденблатта, И.В.Гуглия, Г.Х.Исмайылова, Н.А.Картвелишвили, Д.В.Коренистова, Я.Ф.Плешкова, Д.Я.Ратковича, А.Ш.Резниковского, Г.Г.Сванидзе, некоторые другие специалисты.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационных исследований заключалась в разработке методики оценки объемов водозабора в проектах ТПС. Учитывая большое число частных задач, возникающих в процессе проектирования систем ТПС, в диссертации выделены вопросы наиболее существенные с точки зрения водохозяйственного обоснования. Соответственно этому, формулировались задачи настоящего диссертационного исследования:
разработать алгоритм многолетней оценки объема и режима водозабора в системе переброски стока путем имитационного моделирования. Сформировать базу данных, дать последовательность расчетов и обобщение их результатов. Представить практический пример многолетней оценки объема водозабора для конкретного объекта на основе фрагмента имитационной модели;
доработать методику учета сезонной неравномерности стока малых рек при определении объемов водозабора. Представить теоретическое обоснование методики и дать расчетный пример;
обосновать и апробировать методику моделирования взаимозависимых гидрологических рядов на основе корреляции между обеспеченностями объемов стока для учета асинхронности формирования стока в зоне изъятия и зоне распределения перебрасываемых водных ресурсов. Обобщить расчет на имитационной водохозяйственной модели первого этапа, совмещенной с стохастической моделью стока Иртыша выше Тобольска и Тобола в устьевой части.
Предмет и объект исследования. Предметом исследований является методика водохозяйственного обоснования возможных объемов водозабора в проектах ТПС. В качестве методов исследований применяется аналитический подход в сочетании с методом статистических испытаний на основе имитационной водохозяйственной модели и стохастической модели стока. В качестве объектов исследования рассмотрены: головной водозабор в канал переброски части стока сибирских рек в Среднюю Азию и система отбора стока в проекте «Северный конвейер» в Республике Кипр. Выбор объектов обусловлен характерными особенностями водохозяйственных систем для иллюстрации предлагаемых методик.
Научная новизна работы.
Впервые предложена обобщенная аналитическая схема проектного обоснования систем территориального перераспределения стока.
Предложена впервые методика расчета многолетних характеристик объемов водозабора из реки в зависимости от набора влияющих параметров путем имитационного моделирования.
Доработана и реализована методика учета сезонной неравномерности стока малых рек при определении объемов водозабора на уровне аналитического решения и практического использования.
Впервые приводится обоснование методики моделирования взаимосвязанных гидрологических рядов с использованием бета – распределения, выведены формулы для определения параметров условных распределений, выполнен пример практического моделирования.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по каждой из защищаемых позиций диссертационных исследований подтверждается сопоставлением с результатами имитационных экспериментов и точечными расчетами по традиционным методикам.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в совершенствовании и развитии методического аппарата для решения ряда значимых водохозяйственных задач, возникающих как в проектах ТПС, так и других проектах водохозяйственного профиля. Повышается надежность определения параметров и режима работы водохозяйственных систем, что дает возможность сократить затраты при проектировании.
Предложенная методика моделирования стока позволяет использовать фактор асинхронности формирования водного режима для всего спектра значений коэффициента корреляции [-1 до +1]. Метод обобщающих номограмм при оценке величины водозабора как функции влияющих параметров представляет необходимый объем информации для технико-экономического обоснования.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации неоднократно докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства, в том числе на международных конференциях в 2007г. году и в 2010г. году. Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры КИВР и кафедры гидрологии, гидрометрии и регулирования стока МГУП, изложена в ряде публикаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 157 страницах. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 12 приложений. Содержит 11 таблиц, 24 рисунка. Список литературы включает в себя 92 наименования, в том числе 5 иностранных изданий.
