Введение к работе
Актуальность темы. Строительство крупных гидротехнических сооружений приводит к существенным изменениям гидротермического и ледового режимов рек. В нижнем бьефе в зимний период образуется незамерзающая полынья и повышается влажность воздуха. В условиях крупных промышленных центров повышенная влажность воздуха может привести к образованию кислотных туманов, в горах - к обледенению дорог. Изменение температурного режима реки и условий газообмена в нижних бьефах в результате гидростроительства влияет на речную флору и фауну и приводит к изменению самоочищающей способности реки. Эти изменения часто носят негативный характер и требуют предварительной оценки на этапе проработки экологических последствий гидростроительства. Существенную роль при получении таких оценок играют методы математического моделирования.
Целью работы является развитие комплексной математической модели гидроледотермических процессов в нижних бьефах ГЭС и гидроузлов, учитывающей видовое разнообразие шугового материала при описании процессов шугообразования и влияние изменения толщины ледяного покрова на гидравлику речного потока, применительно к реальным объектам.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
При описании процессов шугообразования учесть наблюдаемое видовое разнообразие шугового материала.
-
Разработать математическую модель гидравлического режима нижнего бьефа с учетом изменения толщины ледяного покрова по длине водотока.
-
Разработать алгоритмы численной реализации математической модели гидроледотермического режима нижнего бьефа ГЭС и создать программный комплекс для решения практических задач.
-
Сделать прогноз изменений гидроледотермического режима р. Катунь на участке нижнего бьефа проектировавшейся Катунской ГЭС и оценить влияние селективного водозабора на размеры полыньи в нижнем бьефе.
-
Оценить изменение ледотермического режима р. Томь на участке нижнего бьефа в результате строительства Крапивинского гидроузла при различных технических реализациях водозабора из водохранилища верхнего бьефа.
-
Изучить с использованием разработанной комплексной модели влияние теплового стока и метеоусловий іф тФдрШЩН^М#*ёский режим
нижнего бьефа Новосибирского гидроузла. Для условий маловодий выявить возможности обеспечения нормальной работы основного городского водозабора г. Новосибирска при минимальных объемах попусков из водохранилища путем учета положения кромки ледяного покрова.
Научная новизна работы. Развита одномерная нестационарная математическая модель гидроледотермического режима нижних бьефов ГЭС и гидроузлов: а) в подмодели шугообразования учтено видовое разнообразие шугового материала, что позволяет рассчитывать динамику полыньи в хорошем количественном соответствии с натурными данными; б) в подмодели гидравлического режима учтен градиент толщины ледяного покрова, что дает возможность корректно описывать гидравлический режим реки на участке нижнего бьефа в зимних условиях. На основе разработанной математической модели создан вычислительный комплекс, на базе которого был построен ряд компьютерных моделей гидроледотермического режима нижних бьефов проектирующихся и действующих ГЭС и гидроузлов. Получены количественные оценки влияния гидростроительства на изменение ледового режима Катунь и Томь, выполнен анализ экстремальной по маловодью зимней гидрологической ситуации в нижнем бьефе Новосибирского гидроузла и предложен способ минимизации попусков в нижний бьеф, обеспечивающих нормальный режим работы водозаборов г. Новосибирска.
Достоверность полученных результатов определяется тем, что предложенные математические и численные модели основаны на фундаментальных законах гидромеханики и теории разностных схем, а результаты расчетов удовлетворительно совпадают с натурными данными по нижнему бьефу Красноярской ГЭС и Новосибирского гидроузла.
На защиту выносятся усовершенствованная модель гидроледотермического режима в нижних бьефах ГЭС и гидроузлов и результаты её применения для расчета проектировавшейся Катунской ГЭС, проектируемого Крапивинского гидроузла и Новосибирской ГЭС.
Практическая значимость. Разработанная комплексная гидроледо-термическая модель была использована при экологических исследованиях последствий гидростроительства на реках Катунь и Томь. С её использованием получены количественные характеристики гидроледотермического режима нижнего бьефа Новосибирского гидроузла при различных метеоусловиях и расходах воды и показана возможность минимизации попусков в нижний бьеф, обеспечивающих нормальный режим работы водозаборов г. Новосибирска при маловодьях. Ядро программного комплекса, созданного на основе рассматриваемой модели,
было использовано для разработки учебно-научной установки по тематике работ Алтайского научно-образовательного центра информационных технологий (АНОЦ ИТ). Все представленные в диссертации результаты получены в рамках плановых научно-исследовательских тем Института водных и экологических проблем СО РАН.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на IV Всесоюзной школе «Математические проблемы экологии» (Чита, 1991), на XX Всесоюзной школе «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Ростов-на-Дону, 1991), на Первой Всесибирской конференции «Математические проблемы экологии» (Новосибирск, 1992), на международной конференции «Hydroscience and Engineering» (Washington, 1993), на Vm международной конференции «Inzynieria Srodowiska» (Wroclawiu, 1996), на ІП Международной конференции «Математические проблемы экологии» (Новосибирск, 1996), на Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), на VI конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей" (Москва, 2004), на научной конференции "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 105 наименований. Полный объем диссертации составляет 122 страниц, включая 33 рисунка и 5 таблиц.
Похожие диссертации на Численное моделирование гидроледотермических процессов в нижних бьефах ГЭС
