Совершенствование обеспечения эксплуатации низконапорных гидроузлов в целях улучшения условий судоходства в их бьефах (на примере Нижегородского гидроузла на р. Волга) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат наук Агеев Сергей Олегович

• Агеев Сергей Олегович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Агеев Сергей Олегович

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор и анализ научных исследований, практического опыта и

проектных разработок решения проблемы судоходства на участке

Городец - Нижний Новгород

1.1 Краткий обзор исследований гидрологического режима нижнего бьефа Нижегородской ГЭС

1.2 Гидрологические условия исследуемого участка и сложившиеся условия для судоходства

1.3 Основные проектные решения по строительству Нижегородского низконапорного гидроузла

1.4 Выводы из анализа и постановка цели диссертационной работы

2 Исследование вопросов неравномерности расходов воды через

Нижегородскую ГЭС во временном разрезе и ее влияние на

уровенный режим участка реки и условия судоходства на нем

2.1 Анализ вариативных рядов навигационных расходов через Нижегородскую ГЭС

2.2 Методические подходы к использованию вероятностных методов определения расходов через Нижегородскую ГЭС разной обеспеченности

2.3 Анализ результатов гидрологических расчетов обеспеченностей часовых расходов на участке Городец - Нижний Новгород и параметров уровенного режима

2.4 Прогнозирование возможных негативных последствий в нижнем бьефе Нижегородского низконапорного гидроузла по условиям судоходства и эрозионным процессам

3 Обоснование целесообразности введения суточного регулирования

стока низконапорным гидроузлом

3.1 Верификация возможности регулирования стока реки водохранилищем, создаваемым Нижегородским низконапорным гидроузлом

3.2 Регулирование сброса воды на неразмываемой модели в состоянии подпора

3.3 Методическое обоснование параметров суточного регулирования стока в створе низконапорного гидроузла по результатам обработки статистических рядов расходов через Нижегородскую ГЭС вероятностными методами

3.4 Оценка результатов обеспечения транспортных попусков воды через Нижегородский низконапорный гидроузел в условиях отсутствия регулирования стока и с его введением

4 Разработка методов оптимизации суточного регулирования стока

Нижегородским низконапорным гидроузлом и их эффективность

4.1 Математическая модель задачи по решению вопросов поддержания безопасных условий судоходства в нижнем бьефе Нижегородского низконапорного гидроузла

4.2 Обоснование высотных отметок кривых свободной поверхности воды на участке Нижегородская ГЭС - Нижегородский низконапорный гидроузел при организации регулирования стока водохранилищем

4.3 Методические подходы к определению объемов накопления воды в водохранилище в условиях регулирования стока

4.4 Анализ способов решения задачи регулирования стока в соответствии с разработанной математической моделью

4.5 Алгоритм решения задачи регулирования стока

4.6 Апробация методических подходов решения задачи внутрисуточного регулирования стока в условиях навигации и анализ результатов

4.7 Оценка эффективности суточного регулирования стока воды в

створе низконапорного гидроузла

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 - Графики расходов, сбрасываемых через створ

Нижегородской ГЭС в навигационные месяцы 2017 г

Приложение 2 - Графики минимальных, максимальных и средних значений

суточных расходов в навигационные месяцы 2017 г

Приложение 3 - Результаты расчета обеспеченности расходов

Нижегородской ГЭС

Приложение 4 - Часовые гидрографы стока различной обеспеченности

через Нижегородскую ГЭС в навигационные месяцы 2017 г

Приложение 5 - Сводная таблица результатов эксперимента на модели

русловой площадки в лабораторных условиях

Приложение 6 - Графики обеспеченности расходов воды различного

процента вероятности превышения в течение суток

Приложение 7 - Обеспечение расходов воды 1100 м3/с, 1140 м3/с, 1300 м3/с

при суточном регулировании

Приложение 8 - Результаты расчета отметок уровней воды для построения

кривых свободной поверхности на участке ННГУ - ННГЭС

Приложение 9 - Приращение объемов воды на водохранилище по участкам

относительно стационарной отметки 68,0 м БС, млн. м3

Приложение 10 - Приращение объемов воды на водохранилище при разных

расходах Нижегородской ГЭС @ННГЭС

Приложение 11 - Расчетные значения расходов воды, мощности ГЭС при разных напорах

Приложение 12 - Расчет коэффициентов на компенсацию потери мощности

ННГЭС при уменьшении напора

Приложение 13 - Результаты обработки статистических материалов для построения теоретической кривой распределения вероятности создания дополнительных объемов воды, обеспеченности переходящих объемов

воды

Приложение 14 - Апробация алгоритма оптимизации задачи внутрисуточного назначения расходов через Нижегородский низконапорный

гидроузел на примерах навигации 2017 г

Приложение 15 - Гидрологические характеристики стока через Нижегородский низконапорный гидроузел, рассчитанные на условия

натурных испытаний (на 20.07.2002 г.)

Приложение 16 - Протокол № 02/2021 от 19.04.2021 заседания научно-технического совета Федерального бюджетного учреждения «Администрация Волжского бассейна внутренних водных путей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование обеспечения эксплуатации низконапорных гидроузлов в целях улучшения условий судоходства в их бьефах (на примере Нижегородского гидроузла на р. Волга)»

ВВЕДЕНИЕ

Волга в настоящее время представляет собой каскад из восьми расположенных друг за другом гидроузлов и водохранилищ: Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское, Куйбышевское, Саратовское и Волгоградское. К началу 70-х годов прошлого столетия на Волге были построены семь гидроузлов из восьми. Участок Средней Волги от Городца до Чебоксар оставался незарегулированным, замкнуть который должен был последний гидроузел - Чебоксарский. Его строительство началось в 1968 г. у города Новочебоксарска в Чувашии. Образованное плотиной Чебоксарское водохранилище при заполнении до проектной 68-й отметки должно было распространиться до вышележащей плотины Горьковского (Нижегородского) гидроузла, обеспечить сквозной глубоководный путь с севера на юг и замкнуть Единую глубоководную систему Европейской части России (ЕГС ЕЧ РФ).

Однако, в связи с пересмотром некоторых положений проекта, а также необходимостью учета возможных экологических последствий, первоначальный вариант эксплуатационной схемы был переработан, и к настоящему времени состоялось лишь частичное наполнение Чебоксарского водохранилища до промежуточной 63-й отметки. Внесение таких кардинальных изменений в уровенный режим привело к тому, что нижний бьеф (НБ) Нижегородского гидроузла оказался в неподпертом состоянии, то есть подпор Чебоксарского водохранилища не достигает порогов Городецких шлюзов. Как следствие, участок Волги от Городца до Нижнего Новгорода находится в «бытовом состоянии», до сих пор остаётся мелководным и значительно (в разы) ограничивает объемы транзитного судоходства и речных перевозок по Волге. Углубление мелководных участков реки приводит лишь к посадке уровней и проблему не решает. Проблема со временем только ухудшается и грозит прервать сквозное судоходство на Волге, разорвав ее на северную и южную части.

За прошедший период рассматривалось большое число вариантов решения проблемы. В данной работе проводятся исследования для наиболее

предпочтительного в интересах судоходства варианта строительства выше города Нижнего Новгорода дополнительного малого гидроузла - Нижегородского низконапорного гидроузла (ННГУ), который будет создавать подпор, распространяющийся до Нижегородской ГЭС (ННГЭС), и тем самым обеспечивать глубины на Городецком участке при отметке 68,0 м БС.

Водохранилище, создаваемое ННГУ, будет иметь небольшие размеры, наполняться оно будет только на навигационный период, на межнавигационный -опорожняться. Это означает, что гидрологический режим верхнего бьефа (ВБ) будет иметь свои особенности, которые необходимо учитывать при дальнейшей его эксплуатации. Кроме того, при выборе створа ННГУ выше Нижнего Новгорода, незарегулированным остается участок ниже по течению протяженностью около 95,5 км, до места выклинивания Чебоксарского водохранилища - в районе н.п. Работки Нижегородской области. Эти условия, создающиеся в результате строительства ННГУ, требуют углубленного их изучения в целях обеспечения бесперебойного судоходства в навигационный период, безопасности плавания и отстоя речных судов и составов, снижения риска аварийных ситуаций на судовом ходу.

Актуальность темы исследования подтверждается Стратегией развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года [69], Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 года [55], Федеральным проектом «Внутренние водные пути» Комплексного плана модернизации и расширения магистральной транспортной инфраструктуры на период до 2024 года [53] в целях устранения инфраструктурного ограничения на лимитирующем участке Единой глубоководной системы и увеличения пропускной способности внутренних водных путей (ВВП). Таким «узким местом» ВВП является исследуемый в данной работе участок р. Волги от г. Городца Нижегородской области до г. Нижний Новгород.

К настоящему времени накоплен большой эксплуатационный опыт, опубликованы исследовательские, проектные и научные материалы для варианта решения проблемы на обозначенном лимитирующем участке от Городца до

Нижнего Новгорода путем строительства промежуточного низконапорного гидроузла [54, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 88], что говорит о высокой степени разработанности данной проблемы. Водохранилище, образованное ННГУ, решит вопрос с обеспечением гарантированных глубин для судоходства на участке ННГЭС - ННГУ.

Однако на участке ННГУ - Нижний Новгород, то есть в нижнем бьефе ННГУ, глубины для судоходства могут оказаться недостаточными. В диссертационной работе выясняется, обеспечиваются ли судоходные габариты по глубине на участке выше и ниже створа ННГУ в течение навигационного периода, определяется проблема неравномерности сбрасываемых расходов с ННГЭС, которая будет сказываться на гидрологическом режиме нижнего бьефа ННГУ и на формировании русла этого участка реки. Обосновывается целесообразность введения регулирования стока на водосливе ННГУ, в том числе с помощью эксперимента, который ставится на базе лаборатории ВГУВТ. Разрабатывается математическая модель и алгоритм регулирования стока создаваемым ННГУ водохранилищем и алгоритм решения поставленной задачи. Представленная на защиту диссертация является развитием имеющихся в открытом доступе научных и практических материалов.

Настоящая работа ставит своей целью оценить изменение гидрологического режима исследуемого участка Городец - Нижний Новгород в результате создания водохранилища ННГУ на условия и организацию бесперебойного и безопасного судоходства и отстоя судов и выдать на перспективу научно обоснованные рекомендации по эксплуатации Нижегородского низконапорного гидроузла в части обеспечения судоходных габаритов участка.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- исследовать гидрологический режим рассматриваемого участка до постройки ННГУ и спрогнозировать его изменение после постройки;

- на основе статистики работы Нижегородской ГЭС изучить изменения режимов навигационных расходов воды для использования в выработке оптимизационных решений по эксплуатации ННГУ;

- выполнить вероятностные расчеты водного режима в створе создаваемого Нижегородского низконапорного гидроузла;

- провести эксперимент на модели русловой площадки в лабораторных условиях для нахождения рационального решения по сглаживанию неравномерности сбросов воды с ННГЭС;

- обосновать методологию пропуска расходов воды через ННГУ для их оптимизации;

- разработать математическую модель задачи регулирования стока;

- разработать рекомендации по обеспечению безопасных условий плавания и отстоя судов при эксплуатации ННГУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке:

1. Математической модели регулирования стока, реализация которой обеспечит возможно большую равномерность попусков в НБ ННГУ и улучшение условий судоходства в нем.

2. Методических подходов в использовании результатов расчета определения расходов разной обеспеченности с применением вероятностных методов для нахождения рациональной вариации регулирования стока через низконапорный гидроузел.

3. Методологии пропуска расходов воды через ННГУ и решения задачи их оптимизации.

4. Метода определения объемов запасов воды на водохранилище в условиях регулирования суточного стока.

5. В оценке эффективности принятых решений по оптимизации эксплуатации ННГУ.

Теоретическая значимость работы прослеживается в том, что разработана методика оптимизации сброса часовых расходов в условиях уникального гидротехнического сооружения Нижегородского низконапорного гидроузла для

целей водного транспорта (обеспечение гарантированных габаритов судового хода); практическая - в том, что результаты исследований будут иметь существенное значение для бесперебойного судоходства, безопасного судовождения и отстоя судов на рассматриваемом участке. Разработанные рекомендации могут быть внесены в правила движения внутреннего водного транспорта на акватории ННГУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты обработки статистических материалов генерации и гидрологических прогнозов вероятностных величин расходов в НБ ННГУ.

2. Результаты лабораторных исследований процесса регулирования сброса воды на неразмываемой модели в состоянии подпора.

3. Математическая модель решения задачи внутрисуточного регулирования сброса расхода воды через ННГУ.

4. Алгоритм решения внутрисуточного регулирования стока.

5. Результаты расчета параметров суточного регулирования стока в створе низконапорного гидроузла.

6. Рекомендации для эксплуатационной службы ННГУ и ему подобных низконапорных гидроузлов в части организации регулировочных решений суточного стока.

Достоверность результатов основных положений и выводов диссертационных исследований подтверждается современными методами и корректностью методических подходов к решению поставленных задач; использованием взаимодополняющих друг друга научных подходов, соответствующих изучаемой проблеме; многообразием и согласованностью использованных методов исследования, адекватных цели работы и задачам. Основные положения и результаты исследования апробированы на публичных научных конференциях и публикациями в рецензируемых журналах.

Апробация работы и использование результатов. Апробация предложенных решений проведена на конкретных примерах навигации 2017 г. и на результатах моделирования гидравлического режима участка без регулирования,

выполненного по данным натурных наблюдений за 20.07.2002 г., показывающая в сопоставимых условиях эффективность введения внутрисуточного регулирования стока.

Диссертационная работа прошла апробацию в качестве докладов на международном научно-промышленном форуме «Великие реки» (2017 - 2020 гг., г. Нижний Новгород), Нижегородской сессии молодых ученых (г. Нижний Новгород, 2020 г.), Всероссийском фестивале науки (г. Нижний Новгород, 2020 г.), на первом международном научно-практическом форуме «Транспорт. Горизонты Развития» (г. Нижний Новгород, 2021 г.).

По теме исследования опубликовано 10 работ (объем 6,2 п.л., авторский вклад 4,3 п.л.), отражающих основные положения исследования, среди которых -3 публикации (объем 3,2 п.л., авторский вклад 2,8 п.л.) в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 7 публикаций в журналах научных трудов.

Работа доложена и рассмотрена на заседании научно-технического совета ФБУ «Администрация Волжского бассейна», являющегося заказчиком проектирования и строительства низконапорного гидроузла и получила одобрение.

1 Обзор и анализ научных исследований, практического опыта и проектных разработок решения проблемы судоходства на участке Городец -

Нижний Новгород

1.1 Краткий обзор исследований гидрологического режима нижнего бьефа Нижегородской ГЭС

Создание Горьковского (Нижегородского) гидроузла и наполнение Чебоксарского водохранилища до отметки 63,0 м БС вместо проектной отметки подпорного уровня 68,0 м БС, привели к уменьшению судоходных глубин и необратимой деформации русла р. Волга в нижнем бьефе ННГЭС. Этот процесс наиболее интенсивно протекает в неподпёртых бьефах гидроузлов и решению проблемы уделяется большое внимание. Исследованиям в области гидравлического режима и руслопереформирования в нижних бьефах ГЭС посвятили свои работы: Александровский А.Ю., Арефьев Н.В., Ахматова Н.П., Бабиньский З.С, Беркович К.М., Векслер А.Б., Доненберг В.М., Галков В.А., Гладков Г.Л., Глотко А.В., Грицук И.И., Иванов Б.А., Климович В.И., Мазур Г.С., Маккавеев Н.И., Петров О.А., Федоров Г.Ф., Graf W.L., Habel M. [11, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23, 26, 30, 31, 33, 36, 39, 40, 44, 45, 50, 86, 94, 95]. Вопросами улучшения судоходного состояния в нижнем бьефе конкретно Нижегородской ГЭС занимались и занимаются такие ученые и практики, как Иваницкий В.А., Кривошей В.А., Самогин Б.А., Сазонов А.А., Соболь С.В., Февралев А.В., Фролов Р.Д. [41, 42, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85]. Гидродинамике речного потока нижнего бьефа ННГЭС, влиянию ее на условия судоходства и эксплуатационные параметры судоходных гидротехнических сооружений уделяют свое внимание в последнее время ученые Волжского государственного университета водного транспорта Ситнов А.Н., Липатов И.В., Воронина Ю.Е., Шестова М.В. и др. [62, 63, 64, 90, 91].

Исследования судоходного состояния нижнего бьефа Нижегородской ГЭС показывают динамику его ухудшения. Так, за 50-летний период работы

Нижегородской ГЭС в условиях ограниченного наполнения Чебоксарского водохранилища, бытовое русло участка р. Волги «просело» более чем на метр: на 1,82 м у Городца [90] и на 0,85 м у Балахны. Эрозия вызвала посадку уровней свободной поверхности воды. В результате, гарантированная глубина 3,5 м с учетом суточного регулирования стока ННГЭС в навигацию выдерживается лишь в течение 2 ^ 3 часов.

Для исправления ситуации учеными и специалистами отраслевых организаций были проработаны ряд вариантов инженерных решений, основными из которых явились следующие:

1. Строительство полузапруд с обоих берегов реки, создающих подпор на подходах к шлюзам и подъем уровня воды на порогах (Иваницкий В.А., 1988 ^ 1994 г. г.). В результате экспериментальных исследований было установлено, что при этом варианте подъем уровня на порогах Городецких шлюзов не превысит 10 ^15 см. Однако по результатам математического моделирования русловых процессов, выполненного проектной организацией «Гипроречтранс», пришли к выводу, что в последующие навигации при возросших от сжатия русла скоростях течения, произойдет глубинная эрозия, которая сведет на нет положительный эффект действия полузапруд [84].

2. Строительство третьей нитки шлюза с пониженной отметкой порога. Этот вариант, как наиболее очевидный для решения проблемы прохождения судами шлюза, был предложен в начале 1980-х г. г. Но несмотря на то, что после проработки он был отвергнут в 1990-х г. г., в последние годы предпринята попытка его реанимировать [41, 42]. По расчетам, выполненным ОАО «Гипроречтранс» [92], порог нового шлюза по сравнению с отметкой порогов существующих шлюзов (64,0 м БС) для прохождения современных крупнотоннажных судов должен быть заглублен минимум на два метра, а соответственно, должны быть заглублены и подходы к шлюзу. В условиях уже достигнутого превышения гидравлически допустимой глубины это приведет к посадке уровня воды на близкую величину на всем нижележащем участке и не решит проблему лимитирующего участка. Вместе с тем, серьезно уменьшатся

глубины на подходах и порогах существующих шлюзов, что, по сути, выведет их из транспортного процесса. В дополнение, несомненно, произойдет активизация русловых переформирований и перестройка русла, негативную динамику которых на современном этапе точно прогнозировать невозможно.

3. Строительство полушлюза в подходном канале. Предполагалось создание в подходном канале дополнительной ступени с пониженной отметкой порога, как альтернативный вариант предыдущему [92]. Этот вариант также требовал дополнительного углубления подходного канала с негативными последствиями, аналогичными как при строительстве третьей нитки шлюза. Кроме этого, не выдерживались габариты на подходах к шлюзу, а приемлемых предложений по компоновочным решениям не нашли.

4. Оптимизация режимов попусков воды через Нижегородский гидроузел. Созданный на Волге каскад водохранилищ оптимизирует речной сток и регламентируется действующими Правилами использования водных ресурсов водохранилищ, разработанными в 1980-х годах и в значительной степени устаревшими. Волжская академия (1995 ^ 2005 г. г.) выполнила целый ряд масштабных исследований по оптимизации регулирования стока Рыбинского и Горьковского водохранилищ, работа которых взаимоувязана. Было найдено и обосновано решение по повышению эффективности регулирования стока этих водохранилищ, которое позволяет увеличить среднесуточный расход воды через створ Нижегородской ГЭС с 1100 м3/с до 1300 м3/с [81], что дает возможность довести время пропуска крупнотоннажных судов до 4 -^5 ч в сутки. Данное обоснование прошло обсуждение на научно-техническом совете Министерства природных ресурсов, в научно-исследовательском институте «Гидропроект». Однако, несмотря на положительное заключение, в силу ряда обстоятельств и консервативности оно не реализовано.

5. Наполнение Чебоксарского водохранилища до отметки НПУ 68,0 м БС. При этой отметке на порогах Городецких шлюзов выдерживается средняя глубина 4,3 м. Однако Правилами использования водных ресурсов Чебоксарского водохранилища предусмотрено создание регулирующей емкости водохранилища

5,4 км3 и возможность его сработки в межень до отметки УНС 67,5 м БС. В этом случае глубины на порогах Городецких шлюзов будут составлять только 3,8 м, что ограничит движение крупнотоннажных судов на участке [83]. Кроме того, по данным ФБУ «Администрация Волжского бассейна» могут возникать ограничения по надводному габариту при прохождении под Чебоксарским мостом в верхней голове шлюза и Окским мостом в Нижнем Новгороде. Отмеченные обстоятельства не позволяют считать этот путь оптимальным.

6. Строительство низконапорного транспортного гидроузла в районе п. Большое Козино на 890,5 км судового хода [14] при НПУ Чебоксарского водохранилища 63,0 м БС. Выбор створа гидроузла определен условиями судоходства, устойчивостью русла и динамикой изменений объемов дноуглубления по длине участка. Во избежание затопления значительных территорий, створ гидроузла назначен выше г. Нижний Новгород (Сормовского водозабора) и места впадения р. Оки в р. Волгу. Проведенная оценка динамики изменения судоходного состояния участка Волги и степени деформируемости русла подтвердила обоснованность выбора створа гидроузла [54, 71, 77]. Однако, реализация этого проекта изменит водный режим участка, связанный с наполнением водохранилища (бьефа) на навигационный период и опорожнением его на межнавигационный период.

1.2 Гидрологические условия исследуемого участка и сложившиеся условия для

судоходства

В результате реализации проекта на Волге появятся два объекта - сам гидроузел (ННГУ) и создаваемое им водохранилище. Створ ННГУ будет расположен на острове «Ревякский» на территории городского округа Нижний Новгород (Сормовский район) в районе поселка Большое Козино (на траверзе 890,5 км судового хода р. Волга [14]), в 15 км выше устья реки Оки и в 40,5 км ниже створа плотины Нижегородской ГЭС, рисунок 1.1. Участок реки Волги, где планируется организовать водохранилище (рисунок 1.2), расположен на 850,0 ^

890,5 км судового хода р. Волга по Атласу ЕГС ЕЧ РФ, том 5, изд. 2014 г. [14]. Продольный профиль реки Волги от Рыбинского водохранилища до Куйбышевского с указанием лимитирующего участка реки и створа, проектируемого ННГУ схематически представлен на рисунке 1.3. Водохранилище на отметке нормального подпорного уровня (НПУ), равной 68,0 м БС, будет иметь емкость в 154 млн. м3 и площадь водной поверхности 47,5 км2 [3, 73].

Рисунок 1.1 - Схема района проектирования

Плотина ННГУ образует водохранилище, которое в соответствии с его назначением будет использоваться лишь в транспортных целях. Использование водных ресурсов водохранилища с целью дополнительного водоснабжения потребителей, а также в интересах энергетики проектом не предусмотрено. Отметка НПУ водохранилища 68,0 м БС устанавливается на спаде весеннего половодья и поддерживается в течение всей навигационной межени, приточные

расходы воды пропускаются транзитом. По окончании навигации водохранилище срабатывается до бытовых уровней [54].

Рисунок 1.2 - Участок реки Волги, месторасположение створа ННГУ

Рисунок 1.3 - Схематичный продольный профиль участка реки Волги

Поскольку ННГУ призван решить задачи по улучшению условий судоходства, в диссертационной работе рассматривается навигационный период, зимняя межень не рассматривается.

На рассматриваемом участке Волга протекает в направлении с северо-запада на юго-восток. Русло реки прямолинейное, деформирующееся, с большим количеством островов, перекатов, песчаное. Ширина реки в среднем составляет 0,7 ^ 0,8 км. Берега пологие, большей частью размываемые [73]. Ширина русла Волги в створе проектирования около 400 м, наибольшие глубины наблюдаются вдоль левого берега, где минимальная отметка дна составляет 56,3 м БС [72]. Ширина рукава Никольский - около 20 м, минимальная отметка дна 62,28 м БС [72].

Естественный режим стока реки Волги на рассматриваемом участке определяется влиянием вышерасположенных водохранилищ Волжского каскада. Наибольшее влияние оказывают Рыбинское и Горьковское (Нижегородский гидроузел) водохранилища, осуществляющие годовое (только Рыбинское водохранилище), сезонное, недельное и суточное регулирование р. Волги для целей энергетики, водного транспорта, водоснабжения.

Максимальные расходы воды наблюдаются, как правило, в период весеннего половодья [73]: средняя дата пика половодья 28 апреля, ранняя 10 апреля, поздняя 4 июня. В отдельных случаях в годы с низким весенним половодьем максимальные годовые расходы регистрировались в другие сезоны. За период совместной эксплуатации Рыбинского и Горьковского водохранилищ (с 1957 г.) максимальные расходы воды в нижнем бьефе Нижегородского гидроузла регистрировались в пределах от 1700 м3/с (1967 г.) до 7750 м3/с (1966 г.). Средний максимальный расход составил 4960 м3/с.

На рисунке 1.4 представлена кривая обеспеченности максимальных сбросных расходов Нижегородской ГЭС. На кривую наложены наблюденные точки за период с 1957 г. по 2016 г.

В меженный период водный режим в нижнем бьефе Нижегородского гидроузла определяется переменными энергетическими попусками Нижегородской ГЭС при суточном и недельном регулировании ее мощности, а также попусками в нижний бьеф Нижегородской ГЭС в период навигации для обеспечения гарантированных судоходных глубин. После пропуска половодья

устанавливается летне-осенняя (навигационная) межень. В условиях регулирования стока в период летне-осенней межени среднесуточные расходы воды в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС изменялись от 753 м3/с (август 1973 г.) до 6160 м3/с (ноябрь 2012 г.), средний сбросной расход составил 1300 м3/с.

Рисунок 1.4 - Кривая обеспеченности максимальных сбросных расходов воды

Нижегородской ГЭС

Расходы воды различной вероятности превышения в навигационную межень определены по данным ежедневных среднесуточных расходов воды в нижнем бьефе Нижегородского гидроузла за период с 1957 по 2013 г. г. и приведены в таблице 1.1 [73].

Таблица 1.1 - Расходы воды различной вероятности превышения в

навигационную межень

Расход воды в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС в период навигационной

межени (м3/с) вероятностью превышения

10 % 25 % 50 % 75 % 90 % 95 % 97 % 99 %

1750 1350 1180 1070 898 837 813 796

Суточное и недельное регулирование мощности Нижегородской ГЭС обуславливает неравномерность сбросных расходов в нижний бьеф в меженный период. Расходы попусков Нижегородской ГЭС в течение суток обычно меняются от 500 до 2500 ^ 3000 м3/с. Максимальные сбросы ниже в выходные и праздничные дни. Общая характеристика расходов воды в нижнем бьефе Нижегородского гидроузла за период с 1957 по 2015 г. г. в виде огибающих максимальных, минимальных и среднесуточных расходов представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Общая характеристика расходов воды в нижнем бьефе Нижегородского гидроузла за период с 1957 по 2016 гг.

Створ Нижегородского низконапорного гидроузла находится от гидрологического поста г. Балахны в 14,5 км ниже по течению р. Волги и в 9,5 км выше гидрологического поста г. Нижний Новгород (Сормово).

Продольное сечение участка р. Волги от Нижегородской до Чебоксарской ГЭС с бытовыми и проектируемыми отметками представлено на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Продольное сечение участка р. Волги от ННГЭС до ЧГЭС

Анализ фактического режима уровней р. Волги на участке проектирования проведен по данным многолетних наблюдений на гидрологических постах у г. Балахны и г. Нижний Новгород (Сормово) с использованием данных наблюдений на гидрологических постах г. Городец и г. Нижний Новгород, имеющих более продолжительные ряды наблюдения [73].

Максимальные уровни воды на рассматриваемом участке наблюдаются при прохождении весенних половодий, минимальные - в период летне-осенней межени.

В зарегулированных условиях (после 1957 г.) наибольшие половодные уровни воды на рассматриваемом участке наблюдались при пропуске половодья

1966 г., наименьшие половодные уровни воды зарегистрированы при пропуске половодья 2014 г.

Максимальные уровни воды р. Волги при прохождении весенних половодий за период наблюдений с 1957 по 2016 г. [73] представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Максимальные уровни воды р. Волги при прохождении весенних половодий за период наблюдений с 1957 по 2016 г.

Створ Максимальный уровень р. Волги при прохождении весеннего половодья, м БС

Средний Наибольший Наименьший

г/п Городец 72,15 74,08 (29.04.1966 г.) 68,56 (11.05.2015 г.)

г/п Балахна 70,84 73,22 (25.04.1966 г.) 67,38 (12.05.2015 г.)

Створ ННГУ 70,3 72,9 66,6

г/п Сормово 69,95 72,69 (25.04.1966 г.) 66,13 (12.05.2015 г.)

г/п Нижний Новгород 69,63 72,49 (25.04.1966 г.) 65,91 (12.05.1995 г.)

В меженный период уровенный режим на рассматриваемом участке р. Волги определяется переменными энергетическими попусками Нижегородской ГЭС при суточном и недельном регулировании ее мощности. Характерные уровни воды р. Волги в период летне-осенней межени (июль ^ ноябрь) [73] представлены в таблице 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Агеев Сергей Олегович, 2021 год

- Х-

- - А -

-

-

0 12 3 4 5 6 7 8 9 т 10 1 1 1 2 1. 1 14 15 16 17 18 192021 222324

О, м^/с 2300.0

2100.0 1900.0 1700.0 1500.0

\

IV,

5;

С5

1300.0 §

поо.о Ч. 2

900.0 700.0 500.0 300.0 100.0

__ ___ Т, ч

ВРЕМЯ ( Т), ч

Рисунок 3.5 - Графический расчет суточного регулирования стока в августе 75 %

обеспечености расхода

3. В октябре расход, проходящий с 99,9 % - ой вероятностью превышения, (рисунок 3.6) транспортный попуск обеспечивает только 3 часа в сутки с 13.00 до 16.00. Все остальное время суток также испытывается дефицит воды. В случае, если необходимого количества воды накопить не представляется возможным, то за счет регулирования возможно продлить промежуток времени, когда транспортный попуск, а соответственно и глубины будут обеспечены.

Графики, построенные для каждой обеспеченности, для каждого месяца навигационного периода показали в целом схожую картину с представленными выше графиками.

V/, млн. м3 200,00

ОКТЯБРЬ 99,9

180,00-

X.

^ 140,00 ^

5 120,00

^ 100,00 £

^ 80,00-О 60, 40,0020,00 0.00

м ре 3

-икс ГТ/1М. при с. днеситс 1ЧНОМ расходе У млн. м3

-I икс при транспортном попуске, млн / 13

-в"*-"

Л* я""

_ #

О, м3/с 2300.0

-2100.0 1900.0 1700.0 \ 1500.0 *

_«ч

С5 *

900.0 ^ Си

700.0 500.0 300.0 100.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021222324 Т' 4

ВРЕМЯ (Т), ч

Рисунок 3.6 - Графический расчет суточного регулирования стока в октябре

99,9 % обеспечености расхода

3.4 Оценка результатов обеспечения транспортных попусков воды через Нижегородский низконапорный гидроузел в условиях отсутствия регулирования

стока и с его введением

Получив большое число таких графиков, три из которых представлены выше, появляется возможность для каждого месяца показать обеспеченность расходов воды различного процента вероятности превышения в течение суток. Такие расчеты были проведены, результаты на примере мая, августа и октября и проиллюстрированы ниже на рисунках 3.7, 3.8, 3.9.

Рисунок 3.7 - Обеспечение расходов воды не ниже транспортного попуска

(1140 м3/с) в мае

На рисунках 3.7, 3.8, 3.9 обозначено: голубая линия показывает, сколько часов обеспечен ТП при разной обеспеченности расходов, не вводя регулирование (в проектных условиях); красная линия - то же, вводя регулирование. Заштрихованная площадь показывает полученный эффект.

Так, на примере мая, видим:

- при расходах с вероятностью превышения (в процентах) 0,01 ^ 90 - можно обеспечить расходы не ниже ТП в течение всех 24 часов (на рисунке: от нуля до голубой линии) не вводя регулирования. Это объясняется высокими уровнями воды в период половодья.

- при расходах с вероятностью превышения от 90 до 99,9 % - расходы не ниже ТП можно обеспечить, не вводя регулирование, не все сутки. Например, при

95 % ТП можно держать 22 ч, для 97 % - 18 ч. Если же ввести регулирование (от нуля до красной линии), то можно добиться положительного эффекта: гарантировать прохождение расходов 99,9 % обеспеченности, отвечающих величине транспортного попуска в течение всех 24 ч.

Р, %

АВГУСТ

ioH

ÏÎ ÏL £

! 4J

S

80,i

99,0Э4Э:

:

' /

■

; 1 ^ i \ 1 1 5 6 ? 1 1 S 1 1 1 1 1 1 10 11 12 13 и 15 ; I I I 1 1 1 1 6 1? 18 19 20 21 22 23 2

БРЕМЯ (Т), ч

- пропусх расходов воды не hi¡же транспортного попусха {ШО tf/c) Ses регулирования при различной одесоеченноапи расходов.

- пропусх расходов воды не ноже транспортного попусха (Ш0 ///с) про суточном регулирования при различной обеспеченности расходов.

Рисунок 3.8 - Обеспечение расходов воды не ниже транспортного попуска

(1140 м3/с) в августе

На примере августа видно уменьшение продолжительности обеспечения расходов не ниже ТП в течение суток:

- при расходах с вероятностью превышения 0,01 ^ 30 % - обеспечение расходов не ниже ТП возможно в течение всех 24 ч (на рисунке: от нуля до голубой линии);

- при расходах с вероятностью превышения от 30 до 80 - расходы не ниже ТП можно обеспечить, не вводя регулирования, не все сутки. Например, при 50 % ТП можно держать 17 ч, для 60 % - 15 ч. При расходах с % вероятности выше 80 транспортный попуск не обеспечивается в течение всех суток. Если же ввести регулирование (от нуля до красной линии), то можно добиться положительного эффекта: гарантировать прохождение расходов от 30 до 75 % обеспеченности, отвечающих величине транспортного попуска в течение всех 24 ч, а при 80 % обеспеченности - 16 ч, а не 11 часов в случае отсутствия регулирования.

ОКТЯБРЬ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Т, ч

БРЕМЯ {Г), н

- пропуск расходов води не ноже транспортное о попуск о {11Ьй /с) дез регулирования про различной одетененноаяо расходов.

- пропуск расходов води не ноже транспортного попуска {то н3/с1 про суточном регулорованоя про размонноо одетененносто расходов.

Рисунок 3.9 - Обеспечение расходов воды не ниже транспортного попуска

(1140 м3/с) в октябре

На примере октября видно, что ситуация еще более ухудшается: расходы не ниже ТП практически всех вероятностей превышения можно обеспечить, не вводя

регулирование, половину суток. Например, при 1,0 % - ТП можно держать 16 ч, при 50 % - 14 ч, при 90 % - 12 ч. Если же будет введено регулирование (от нуля до красной линии), то можно добиться значительного положительного эффекта: гарантировать прохождение расходов от 0,01 до 90,0 % обеспеченности, отвечающих величине транспортного попуска, в течение всех 24 ч, а при 95 %, 97 % обеспеченности - 15 ч и 13 ч соответственно, а не 10 ч и 7 ч (без регулирования).

Кроме того, аналогично данную динамику можно оценить для любого рассматриваемого расхода. В приложении 6 представлены схожие графики для расходов 1100 м3/с и 1300 м3/с в мае, августе и октябре.

Целесообразность предлагаемых мероприятий по суточному регулированию можно проиллюстрировать на схожих графиках, если задачу рассматривать с позиции подаваемых расходов в сравнении с величиной транспортного попуска, то есть с точки зрения подачи ТП и других характерных расходов (1100 м3/с, 1300 м3/с) максимально возможное количество часов в сутки.

Расчет проведен для всех месяцев навигации, для иллюстрации в приложении 7 приводятся графики обеспечения расходов воды за май, август, октябрь, как и в предыдущем примере.

Площадь, заключенная в синем, красном, зеленом графиках, показывает какое время с какой обеспеченностью расходы 1100 м3/с, 1140 м3/с, 1300 м3/с соответственно могут подаваться без изменений. Например, в августе расхода 1100 м3/с могут подаваться в течение 24 ч при обеспеченности 81 %, а при 90 % -только 4 ч, далее в виду нехватки воды расход будет подаваться меньший. При 70 % могут подаваться расходы, равные 1100 м3/с 16,5 ч, в остальное время воды больше, что говорит о том, что излишки воды будет необходимо сбрасывать. Аналогично, 1300 м3/с могут подаваться все 24 ч только при обеспеченности 62 %, а при 90 % - воды не хватает, при 40 % воды слишком много, что подразумевает сброс расходов выше 1300 м3/с. Транспортный попуск обеспечивается все 24 часа при 75 % вероятности. Аналогично по данным

графикам можно анализировать ситуацию для каждого процента обеспеченности любого навигационного месяца.

Таким образом, анализируя полученные графики, можно сделать следующие выводы:

- в мае расходы 1100 м3/с, 1140 м3/с, 1300 м3/с могут быть обеспечены только при поступающих расходах высокой вероятности превышения. При расходах обеспеченностью ниже 97 % емкости водохранилища будет недостаточно, расходы будут больше, и они транзитом пройдут через ННГУ в нижний бьеф;

- в августе на примере расхода 60 % обеспеченности можно увидеть, что расход 1100 м3/с, будет выдерживаться 14 ч, 1140 м3/с - 14,6 ч, 1300 м3/с - 18,5 ч. Остальное время расход будет подаваться больше. Аналогично для расхода 80 % обеспеченности - расход 1100 м3/с, будет выдержан 17 ч, в остальное время -больше; расход 1140 м3/с - 20 ч, в остальное время меньше; расход 1300 м3/с - 2 ч, в остальное время меньше;

- в октябре на примере расхода 30 % обеспеченности видно, что расход 1100 м3/с, будет выдержан 12,8 ч, 1140 м3/с - 13,7 ч, 1300 м3/с - 18,2 ч. Остальное время расход будет подаваться больше. Аналогично для расхода 90 % обеспеченности: расход, равный 1100 м3/с, будет обеспечен 16,7 ч, в остальное время - больше; расход 1140 м3/с - 19,5 ч, в остальное время меньше; расход 1300 м3/с - 4 ч.

Представленные выше результаты расчетов на примере навигации 2017 г. показывают принципиальную возможность улучшения судоходных условий в НБ ННГУ, для чего требуется разработка математической модели регулирования сбросов и алгоритма решения задачи с учетом ограничений, накладываемых гидрологическим режимом верхнего и нижнего бьефов и другими условиями.

4 Разработка методов оптимизации суточного регулирования стока Нижегородским низконапорным гидроузлом и их эффективность

4.1 Математическая модель задачи по решению вопросов поддержания безопасных условий судоходства в нижнем бьефе Нижегородского

низконапорного гидроузла

Проведенные исследования показали высокую неравномерность сбрасываемых расходов с Нижегородской ГЭС (раздел 2), работы [1, 3, 73]. Суточная амплитуда колебаний как сбрасываемых в нижний бьеф ННГУ расходов, так и уровней воды нижнего бьефа увеличится по сравнению с существующими условиями, а минимальные уровни воды в нижнем бьефе снизятся. Режим прохождения расходов воды через створ низконапорного гидроузла будет, в основном, соответствовать режиму сбросов с ННГЭС, не улучшая условий судоходства в нижнем бьефе по сравнению с существующим состоянием и может повлечь интенсивное переформирование дна реки ниже створа Нижегородского низконапорного гидроузла.

Данную неравномерность предлагается сгладить введением внутрисуточного регулирования поступающих с ННГЭС расходов при их сбросе через створ ННГУ, тем самым улучшить судоходное состояние участка реки, расположенного в нижнем бьефе (от ННГУ до р.п. Работки (место выклинивания подпора Чебоксарского водохранилища при отметке 63,0 м БС). В работах [7, 9, 10] обоснована необходимость, возможность и целесообразность регулирования стока на водосливе ННГУ путем подачи в нижний бьеф (НБ) ННГУ более равномерного расхода воды в течение суток. Это задача комплексная, включающая совокупность этапов, каждый из которых предполагает разработку методических подходов к решению входящих в них вопросов.

Анализ бытовых гидрографов Нижегородской ГЭС по часам, дням, месяцам навигации 2017 г. показал четко выраженную динамику изменения суточных расходов, подчиняющуюся интересам энергетики, в которой выделяется период

пониженных расходов, зачастую при определённых условиях, не обеспечивающих транспортные цели. Пониженные расходы наблюдаются преимущественно в ночные и утренние часы, период больших сбрасываемых расходов наблюдается с 8 ^ 9 до 15 -^16 часов, в остальное время значения расходов приближены к среднесуточным величинам.

Решение задачи сведено к трансформации суточного гидрографа ННГЭС в суточный гидрограф ННГУ с учетом наложенных ограничений, и имеет целью минимизацию отклонений интервальных расходов воды через ННГУ Ql от среднесуточного расхода (?™ГУ:

— ^ (4.1)

где: I - период внутрисуточного регулирования расходов через ННГУ, I = 1, п;

Х1 - отыскиваемая величина расхода воды через створ ННГУ, назначаемая в £ - ом периоде, м3/с, ^ £ + ;

_ иигэГ улННГЯГ*

@т7А, хшах - соответственно минимальные и максимальные расходы в плановых сутках через ННГЭС, м3/с;

@СутУ - среднесуточный расход через створ ННГУ в плановые сутки, м3/с.

Функция цели (4.1) в постановке достижения минимальных суммарных отклонений интервальных расходов воды Х^ от среднесуточных расходов ФСут7, взятых по абсолютной величине, означает минимизацию амплитуды изменений суточных расходов, проходящих через створ ННГУ, то есть снижение неравномерности подачи расходов в нижний бьеф ННГУ.

Математическая модель решения задачи внутрисуточного регулирования сброса воды через ННГУ имеет следующие граничные условия (ГУ):

Граничное условие 1 (ГУ.1). Соблюдение условия транзитности: объем стока И^утГУ, сбрасываемого через ННГУ, должен соответствовать объему суточного стока, проходящего через Городецкий гидроузел с его корректировкой на потребление и приток воды на водохранилище.

И^ГэС ± ЛИ' (4.2)

где: - продолжительность /-ого периода в плановые сутки, ч;

к - переводной коэффициент, к = 3,6 х 10-3;

^сннгэс - суточный объем сброса воды с ННГЭС, млн. м3;

ДИ^ут - суточный объем стока, зависящий от приточности водохранилища, потребления воды на осуществление шлюзования и т.д., млн. м3.

Величина Д^Сут по результатам водохозяйственных расчетов [62] составляет менее 1 %, поэтому в диссертации принято И^утГУ = И^уНгэС.

Граничное условие 2 (ГУ.2). Расход воды, сбрасываемый в нижний бьеф ННГУ, не должен быть ниже транспортного попуска @ТП, принятого равным 1140 м3/с [63, 75]. Этим планируется обеспечить глубины в нижнем бьефе ННГУ не ниже гарантируемых без дополнительного комплекса путевых работ.

> Стп, VI, (4.3)

Для выполнения ограничения ГУ.2 могут требоваться дополнительные объемы воды, которых в плановых сутках нет, поскольку накопление воды для обеспечения транспортного попуска происходит в период, следующий за «провальным» (ночные и утренние часы). В этой связи объем должен накапливаться раньше и переходить с предыдущих суток на плановые. Накопление данных объемов будет связано с незначительным повышением уровня воды на водохранилище, образованном ННГУ.

Граничное условие 3 (ГУ.3). Уровни воды на водохранилище в створе ННГУ должны находиться в диапазоне значений от минимальных (68,0 м БС) до максимально возможных (7 пр) по условиям ветро-волнового режима, конструктивных параметров затворов ННГУ и др. характеристикам. По проектным решениям с учетом возможного нагона ветровой волны в створе ННГУ повышение уровня воды равно 0,6 м [73] при отметке верха затвора 69,0 м БС [74]. В работе расчеты выполнялись до отметки 68,5 м БС.

¿н™7 №) < 7 пр, VI, ¿н™7 е 68,0 Я пр (4.4)

где: 7ннгу (^¿) — отметка воды в створе верхнего бьефа ННГУ, соответствующая накопленному объему воды с учетом подаваемых расходов с ННГЭС и сбрасываемых расходов в / - х периодах через водослив ННГУ. Связь между расходами воды Х^, отметками уровней воды 7£ннгу, объемами накопления воды на водохранилище во временном разрезе формализована и отражена в выражениях (4.25, 4.26).

^пр - предельное значение уровня воды.

Выполнение ограничений модели (4.2) - (4.4) позволит при регулировании стока ННГУ осуществить комплексное обоснование соблюдения необходимых условий судоходства и эксплуатации водохранилища в бьефах ННГУ: в верхнем бьефе - чтобы уровни не выходили за границы отметок 68,0 ^ 68,4 (68,5) м БС, в нижнем бьефе - чтобы выполнялся транспортный попуск и транзитность стока.

Для решения задачи по математической модели требуется знание отметок кривых свободной поверхностей воды (СПВ) на участке при разных расходах ННГЭС и отметках уровней воды в створе ННГУ и на их основе определение объема возможного накопления воды в водохранилище.

4.2 Обоснование высотных отметок кривых свободной поверхности воды на участке Нижегородская ГЭС - Нижегородский низконапорный гидроузел при организации регулирования стока водохранилищем

Для решения задачи исследуется возможность накопления необходимых объемов воды в водохранилище при выполнении ограничений ГУ.2 и ГУ.3, для чего строится совокупность кривых свободной поверхности воды (СПВ) на участке при разных расходах ННГЭС и отметках уровней воды в створе ННГУ [2, 8]. Построение кривых СПВ выполняется по методу Н.Н. Павловского [68].

Используя построенные на основании мощности ННГЭС гидрографы (раздел 2.1), и, учитывая большую вариативность подаваемых с ННГЭС расходов воды, кривые свободной поверхности строятся в диапазоне входных расходов от 500 м3/с до 4000 м3/с. Уровни воды в верхнем бьефе ННГУ приняты в диапазоне

от проектной отметки 68,0 м БС до отметки 68,5 м БС (для выяснения возможности накопления воды в пределах русла реки).

Расчет производится по упрощенному уравнению неравномерного движения, в большинстве случаев используемому на практике, которое не учитывает изменения скоростного напора, местных потерь напора, а учитывает только потери напора по длине потока. Величина падения Л свободной поверхности потока в пределах участка определяется по формуле [68, 89]:

о —2

Л = 2Н— 2К = С2 х/ / К , (4.5)

где: гн - отметка уровня воды в начальной точке участка, м БС; гк - отметка уровня воды в конечной точке участка, м БС; Q - поступающий расход с ННГЭС, м3/с; I - длина участка, м;

К - среднее значение модуля пропускной способности русла на рассматриваемом участке, м3/с.

При построении кривых свободной поверхности в естественных водотоках пользуются значениями модуля сопротивления русла F:

Л = Р х С2 (4.6)

Н.М. Вернадский и А.Н. Рахманов [68] показали, что модуль сопротивления

F для равнинных рек не зависит от уклона свободной поверхности и его можно

рассматривать как функцию только средней отметки уровня воды на участке, то

_ 1

есть F = /(г), где г = - х (гн + гк). Это положение и составляет сущность

постулата инвариантности (неизменности) модуля сопротивления.

Нахождение зависимости F = /(г) производится с помощью кривых связи @ = /(г) по данным выполненных инженерных изысканий, а также расчетным путем и представлено в материалах [71, 73]. В них модуль сопротивления русла F определяется по формуле:

—2

Величина К находится, оперируя средними значениями гидравлических элементов в пределах данного участка потока, по формуле:

К = ш х С х Тя, (4.8)

где: ш - среднее значение живого сечения, м2;

м

С - коэффициент Шези, ;

Я - гидравлический радиус при средней глубине на рассматриваемом участке; поскольку глубина на участке значительно меньше ширины (в сотни раз), то в формуле (4.8) Я принимается равным средней глубине участка, м.

Проектными условиями река Волга от ННГЭС до ННГУ разделена на 8 расчетных г - х участков (г = 1,8). При построении кривой свободной поверхности задается величина расхода воды Q через ННГЭС и отметка уровня в конечном створе рассматриваемого участка, которая принята у плотины ННГУ равной 68,0 м БС. Задачей расчета является отыскание отметки уровня воды гн в начальном створе каждого г - ого участка (рисунок 4.1).

Все исходные данные, заложенные в расчет, брались из материалов проекта, имеющихся в открытом доступе [71, 73]. Параметры кривых свободной поверхности воды для отметки в створе ННГУ 68,0 м БС при расходах ГЭС от 500 до 4000 м3/с приведены в [71, 73] с незначительными нашими уточнениями по представленным исходным данным. Для отметок уровней воды в створе ННГУ 68,1 ^ 68,5 м БС параметры кривых СПВ на участке при разных расходах ННГЭС, рассчитанные в соответствии с методикой, приведены в приложении 8, по которым построены обобщенные кривые СПВ (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Кривые свободной поверхности воды на участке ННГУ - ННГЭС

Расчет кривых свободной поверхности воды, их графическое представление, а также анализ полученных результатов в плоскости значения параметров ННГЭС «напор - расход - вырабатываемая мощность» позволяют сделать следующие выводы:

1. При отсутствии регулирования в створе ННГУ (отметка верхнего бьефа ННГУ 68,0 м БС) уровни в створе нижнего бьефа ННГЭС при расходах 500 ^ 4000 м3/с повышаются на 8,8 ^ 219,8 см.

2. При регулировании стока в створе ННГУ (отметка верхнего бьефа ННГУ

68.1 ^ 68,5 м БС) уровни в створе нижнего бьефа ННГЭС в сопоставимых условиях повышаются на несколько большую величину, чем при отсутствии регулирования. Однако интенсивность повышения уровня воды в створе нижнего бьефа ННГЭС при увеличении уровня воды в створе верхнего бьефа ННГУ и увеличении входного расхода замедляется. Так, при повышении отметки 68,0 м БС на 10 см в створе ННГУ, в створе ННГЭС по сравнению с «базовыми» условиями, то есть без регулирования, отметка повышается на 9,7 см при расходе 500 м3/с и на 3,2 см при расходе 4000 м3/с. Расчеты кривой свободной поверхности показали, что при повышении отметки 68,0 м БС (в качестве примера) на 40 см в створе ВБ ННГУ, в створе ННГЭС по сравнению с «базовыми» условиями отметка повышается на 38,1 см при расходе 500 м3/с и на

13.2 см при расходе 4000 м3/с.

3. Изменение уровней воды в верхнем и нижнем бьефах ННГЭС, а также в верхнем бьефе ННГУ сказывается на изменении напора и, как следствие, на выработке мощности ННГЭС, которая определяется зависимостью [51]:

N = , (4.9)

где: N - среднечасовая мощность Нижегородской ГЭС, кВт;

д - ускорение свободного падения, м/с2;

Q - расход, пропускаемый через турбины, м3/с;

Я - напор на ГЭС, м;

- коэффициент полезного действия турбин (принят 0,85) [51];

- коэффициент полезного действия генераторов (принят 0,96) [51].

4. С понижением уровня воды в верхнем бьефе ННГЭС (Горьковское водохранилище) в сопоставимых условиях выработка мощности понижается. С повышением отметки уровня воды в створе верхнего бьефа ННГУ выработка мощности также снижается. С повышением расхода через ННГЭС разница в выработке мощности при экспериментальных значениях уровня воды увеличивается. Ниже в таблице 4.1 приведены сравнительные показатели

снижения мощности Нижегородской ГЭС при сработке Горьковского водохранилища для двух вариантов: при эксплуатации водохранилища ННГУ в проектных (без регулирования) и предлагаемых (с введением регулирования) условиях.

Таблица 4.1 - Снижение выработки мощности Нижегородской ГЭС при различных вариантах наполнения Горьковского водохранилища и водохранилища

Нижегородского низконапорного гидроузла

№ п/п УВ ВБ ННГЭС, м БС УВ ВБ ННГУ, м БС Расход с ННГЭС, м3/с Мощность ГЭС, мВт Разница, мВт Разница, %

1 84,0 68,0 500 63,648 1,598 2,51

2 83,6 68,0 500 62,05

3 84,0 68,0 4000 441,696 12,796 2,90

4 83,6 68,0 4000 428,90

5 84,0 68,5 500 61,744 1,6 2,59

6 83,6 68,5 500 60,144

7 84,0 68,5 4000 435,264 12,8 2,94

8 83,6 68,5 4000 422,464

По результатам расчета можно сделать вывод о том, что при сработке Горьковского водохранилища и функционировании водохранилища ННГУ в проектных условиях (отметка ВБ ННГУ 68,0 м БС) мощность ННГЭС снизится не более чем на 3 %.

Введение регулирования по сравнению с проектными условиями (позиции пар 1-5, 2-6, 3-7, 4-8 таблицы 4.1) незначительно увеличит потери мощности ГЭС, которые в абсолютном значении составят 3,0 ^ 6,4 мВт и относительном - до 3 %. Расчет выполнялся для наиболее неблагоприятных условий (при отметке ВБ ННГУ 68,5 м БС), при этом исследования показали, что предлагаемое внутрисуточное регулирование возможно осуществлять при более низких отметках в водохранилище ННГУ, а, соответственно, и потери мощности ННГЭС

будут меньше. Тем не менее, такие результаты ставят задачу обоснования требуемых расходов воды через гидроагрегаты ГЭС для выработки плановой мощности, что в условиях отсутствия данных по уровням воды в створе НБ ННГЭС требует разработки эмпирических подходов при определении напора.

4.3 Методические подходы к определению объемов накопления воды в водохранилище в условиях регулирования стока

Обеспечение непревышения допустимых уровней воды у гидроузла (ГУ.3) достигается при определении объемов воды на водохранилище выше бытовой кривой свободной поверхности воды с отметкой 68,0 м БС в створе ННГУ и установлении соответствия между накопленными объемами и отметками уровней.

На основании расчетов кривых свободной поверхности воды (рисунок 4.1) получены объемы воды в водохранилище Ж, в том числе дополнительные ЛЖ, при отметках уровней воды в створе ННГУ выше проектной (7ННГУ > 68,0 м БС) в зависимости от подаваемых с ННГЭС расходов @ННГЭС.

Для этого значения объемов воды в водохранилище по г - м участкам И^. при проходящих через ННГЭС расходах определяются:

= х /г, (4.10)

где: - средняя площадь живого сечения г - ого участка, зависящая от

расходов ННГЭС, м2;

/г - длина г - ого участка, м.

Для целей регулирования стока необходимо знать приращение объема воды на водохранилище, вызванное повышением уровня воды на нем. Общий подход к определению приращений объемов воды в г - м участкам и в целом на водохранилище заключается в следующем:

1. При положениях кривых свободной поверхности воды на водохранилище для отметок 68,0 м БС и выше в створе ННГУ и разных @ННГЭС определяется объем воды между соответствующими кривыми СПВ при

^ннгу ^ 68,0 м БС и стационарным положением уровня воды на водохранилище при постоянной отметке 7вдхр = 68,0 м БС. С использованием расчетной средней отметки уровня воды на г - м участке 7ср (приложение 8) и гидравлических характеристик участка [71, 73] определяется приращение площади поперечного сечения русла при 7ср. Оно находится по табличным значениям площадей поперечных сечений участка, рассчитанным по результатам инженерных

изысканий для граничных средних высотных отметок уровней воды 7 и 7 + 1.

По таблице выбираются площади ^ и при попадании 7ср в интервал

7 ^ 7 + 1, где 7 + 1 >7.

Тогда приращение объема воды на г - м участке ДИ^. составит:

ЛЖГ =

«г

г+1- 2

(7ср-7)]х /г, (4.11)

В формуле (4.11) все параметры принимаются для г - ого участка.

Преобразуя формулу (4.11) для интервальных отметок уровней воды на водохранилище, имеем следующие приращения объема ДИ^. на участке:

- интервал отметок 68,0 - 69,0 м БС: ДЖГ = -б9,0~-68,0 х (7ср - 68,0);

- интервал отметок 69,0 - 70,0 м БС:

д^г = ^б9,0^б8,° + ^°,0^б9,° х (7ср - 69,0);

^69,0 ^68,0 ^70,0 ^69,0

- интервал отметок 70,0 - 71,0 м БС:

дЖ = ^69,0-^68,0 + ^а0-^,0 + ^71,0-^70,0 х (7ГП - 70,0);

I ^ ^ 7 7 7 7 V Ср ' / '

^69,0 ^68,0 ^70,0 ^69,0 ^ 71,0 ¿70,0

С целью систематизации расходов и облегчения их расчёта в приложении 9 приведены расчетные зависимости приращения объемов ДИ^., полученные при обработке параметров кривых СПВ (приложение 8) и гидравлических характеристик участков [71, 73].

Приращение объемов по г - м участкам суммируются и находится общее приращение объема воды от ННГУ до ННГЭС относительно

стационарного состояния водохранилища (7вдхр = 68,0 м БС). Значения конкретизированы для разных расходов ННГЭС и приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Объемы воды в водохранилище над стационарной отметкой водохранилища 68,0 м БС при уровнях воды в створе ННГУ 68,0 ^ 68,5 м БС в зависимости от подаваемых расходов с ННГЭС, млн. м3

^нгэс, м3/с 2 ннгу, м БС

68,0 68,1 68,2 68,3 68,4 68,5

500 1,87 6,19 10,09 14,76 19,02 23,27

1000 7,21 11,18 15,16 19,19 23,18 27,13

2000 24,19 27,49 29,58 32,73 35,89 39,78

3000 41,51 44,21 46,95 49,60 52,43 55,27

4000 61,24 64,10 66,71 69,35 72,12 74,64

2. Значения объемов воды в водохранилище над стационарной отметкой ^вдхр = 68,0 м БС (таблица 4.2) позволяет определить дополнительные создаваемые объемы воды при введении регулирования стока, которые характеризуются их накоплением на участке ННГУ - ННГЭС и заключаются между кривыми СПВ при отметках 7ННГУ > 68,0 м БС для конкретного @ННГЭС (рисунок 4.1). Дополнительные объемы воды, создаваемые при повышенной отметке 7ННГУ > 68,0 м БС определяются:

ИД0ГУ>68,0 = £ГЛИ^ННГУ>68,0 - £ГЛИ^ННГУ=68,0 (4.12)

Значения ИД;НПНГУ>68,0 для разных расходов ННГЭС приведены в таблице 4.3. Пример расчета определения объемов воды приведен в приложении 10.

Полученные результаты показывают, что при отметке верхнего бьефа ННГУ 68,5 м БС дополнительно в водохранилище возможно накопить до 21,40 млн. м3.

Таблица 4.3 - Дополнительные объемы воды в водохранилище при отметках уровней воды 68,0^ 68,5 м БС в створе ННГУ в зависимости от подаваемых

расходов с ННГЭС, млн. м3

^нгэс, м3/с 2 ннгу, м БС

68,0 68,1 68,2 68,3 68,4 68,5

500 0 4,32 8,22 12,89 17,15 21,40

1000 0 3,97 7,95 11,98 15,97 19,92

2000 0 3,30 5,39 8,54 11,70 15,59

3000 0 2,70 5,44 8,09 10,92 13,76

4000 0 2,86 5,47 8,11 10,88 13,40

4.4 Анализ способов решения задачи регулирования стока в соответствии с разработанной математической моделью

Поиск решения задачи по разработанной математической модели (4.1) -(4.4) имеет многовариантный характер и обладает большой трудоемкостью. Результатом анализа способов решения могут являться следующие подходы:

1. Эвристический подход с решением в виде трехступенчатого графика сбросов расходов через ННГУ:

Предложено (по результатам обработки статистических материалов) сутки разбить на три периода с 0 до 9 часов, с 9 до 15 часов, с 15 до 24 часов.

Эти периоды характерны для суток каждого месяца, что отражено на графиках минимальных, максимальных и средних значений суточных расходов, представленных в приложении 2, а также на рисунках 2.4 - 2.6.

В первом периоде назначаются расходы с учетом переходящих объемов воды с предыдущих суток для покрытия нехватки воды в этом периоде и максимальным приближением расхода ННГУ к среднесуточному значению для непревышения критических объемов. Затем назначаются расходы ННГУ в третьем периоде с учетом накопления переходящего объема воды на следующие

сутки и непревышением критических объемов в периоде и обеспечением транспортного попуска.

Во втором периоде назначаются расходы ННГУ из условия выполнения транзитности стока.

2. Подход с результатом решения в виде двухступенчатого графика сбросов расходов через ННГУ, при котором облегчается организация регулирования стока. Он аналогичен первому подходу (в виде трехступенчатого графика) с объединением второго и третьего периодов.

Для реализации предложенного режима решается задача регулирования стока затворами ННГУ в условиях совпадения моментов регулирования ими с моментом изменения регулировочных расходов по времени и величине в соответствии с их трех- двухступенчатой формами.

Механизм решения задачи регулирования стока раскрыт через последовательность действий (операций), исходя из следующих соображений:

1. Первая совокупность операций сводится к получению исходных данных с Нижегородской ГЭС. По плановым часовым выработкам мощности ННГЭС на предстоящие сутки определяются часовые расходы воды, поступающие с ННГЭС. Расчет производится с использованием зависимости N = Я) формулы (4.9) и параметров кривых СПВ для всей вариации часовых мощностей и по получившимся значениям строится суточный гидрограф ГЭС.

2. Внутрисуточное регулирование величины сбрасываемых расходов через ННГУ возможно в ситуациях, когда избытком объемов воды над среднесуточным значением покрывается их недостаток в «провальные» (ночные - утренние) часы. В связи с тем, что «провальные» расходы предшествуют избыточным и временные рамки текущих суток не позволяют использовать накопившиеся объемы воды на покрытие дефицитов, нужно заранее создавать для этого необходимый запас.

В ситуации малой водности внутрисуточное регулирование может не решить вопрос обеспечения необходимого транспортного попуска, а лишь в определённой степени ослабить негативное влияние «провальных» попусков

через ННГЭС. Обеспечение транспортного попуска в таких ситуациях возможно за счет накапливания воды в предыдущие периоды большей водности с максимальным приближением момента накопления запаса воды к маловодному периоду. Так, по результатам анализа стока через ННГЭС в навигацию 2017 г. дефицит (избыток) воды на покрытие транспортного попуска в ночные - утренние часы составил: за май ^ июнь - избыток 20 ^ 55 млн. м3, за август ^ ноябрь -дефицит 4^6 млн. м3. Проведённые расчеты с выполнением требований непревышения предельных уровней воды в створе ННГУ показали, что переходящий запас составляет около 10 млн. м3.

В условиях большой водности регулирование целесообразно вводить также для снижения амплитуды колебания уровня воды в нижнем бьефе ННГУ с учетом непревышения критических значений объемов воды на водохранилище ННГУ.

Для обоснования переходящих объемов воды анализируются статистические ряды ее нехватки, определяется обеспеченность этой нехватки методами математической статистики и теории вероятностей [35].

3. По предложенным выше подходам решается задача назначения величины сбрасываемого через ННГУ расхода воды в £ - х периодах.

4. Обосновывается режим работы водосливной плотины и параметров открытия ее затворов.

Ниже рассмотрен алгоритм решения задачи, представленный блок-схемой работы ННГУ в условиях суточного регулирования стока и методическими подходами раскрытия вопросов в составе блоков.

4.5 Алгоритм решения задачи регулирования стока

Блок - схема алгоритма включает последовательность выполнения операций, отражающих совокупность исходных данных и начальных условий решения задачи, методические подходы к разработке гидрографов и оптимизации регулировочных решений, формирование результатов (рисунок 4. 2).

Рисунок 4. 2 - Алгоритм решения задачи регулирования стока Пояснения к работе алгоритма заключаются в следующем:

Блок 1 представлен исходными данными, включающими в себя совокупность кривых СПВ при разных отметках УВ в створе ННГУ и дополнительных объемов воды на водохранилище, создающимися при превышении отметки 68,0 м БС; величину транспортного попуска для нижнего бьефа ННГУ, обеспечивающего в нем проектные глубины.

Блок 2 отражает начальные условия, определяемые почасовым графиком выработки мощности ННГЭС на плановые сутки.

Блок 3 определяет способ разработки суточного гидрографа ННГЭС на плановые сутки.

Как следует из формулы (4.10) мощность ННГЭС зависит в основном от изменяющихся по величине факторов в виде расходов воды, поступающих на гидроагрегаты, напора, определяемого разницей уровней воды верхнего (Горьковское водохранилище) и нижнего бьефов ГЭС.

Уровни воды Горьковского водохранилища изменяются за навигацию в диапазоне 84,0 ^ 83,6 м БС в границах расчетных уровней НПУ и уровня навигационной сработки (УНС)

. Уровни нижнего бьефа ГЭС в условиях отсутствия регулирования стока ННГУ представлены кривыми СПВ (рисунок 4.1), отметки которых в створе ГЭС при разных значениях расходов через машинный зал @ННГЭС рассчитаны по данным [71], уточнены и детализированы в данной работе, а в створе ННГУ они неизменны и равны 68,0 м БС. Это позволяет определить напор в створе ННГЭС для расчетных значений УВ Горьковского водохранилища (84,0 ^ 83,6 м БС) и при фиксированных расходах @ННГЭС (500 ^ 4000 м3/с) рассчитать по известной зависимости мощность МННГЭС. Имея совокупность пар значений МННГЭС - @ННГЭС решается обратная задача нахождения планового расхода ННГЭС при заданной мощности путем получения уравнений регрессии:

Сннгэс = Я^ННГЭС 2 + Ь^ННГЭС + с (4.13)

где: @ННГЭС - подаваемый расход с ННГЭС для обеспечения заданной мощности,

м3/с;

^ННГЭС - плановая мощность ННГЭС, мВт;

а, Ь, с - эмпирические коэффициенты, зависящие от расхода, подаваемого с ННГЭС, и напора.

Уравнения регрессии построены из условия равенства расходов воды через ННГЭС, принятых при расчете кривых СПВ на участке ННГУ - ННГЭС, и при определении расхода через мощность ГЭС (из формулы 4.9) и приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Уравнения регрессии @ННГЭС = / (^ННГЭС) при уровне воды в верхнем бьефе ННГЭС 84,0 - 83,6 м БС и верхнем бьефе ННГУ 68,0 м БС.

Уровни воды верхнего бьефа ННГЭС, м БС Уравнения регрессии Сннгэс = / №нгэс) Сннгэс, м3/с; ^ннгэс, мВт

84,0 СННГЭС = 0,003 ^ННГЭС2 + 7,263 ^ННГЭС + 25,77; Я2 = 1*

83,9 СННГЭС = 0,004 ^ННГЭС2 + 7,302 ^ННГЭС + 26,15; Я2 = 1*

83,8 СННГЭС = 0,004 ^ННГЭС2 + 7,341 ^ННГЭС + 26,55; Я2 = 1*

83,7 СННГЭС = 0,004 ^ННГЭС2 + 7,380 ^ННГЭС + 26,96; Я2 = 1*

83,6 Сннгэс = 0,004 ^ННГЭС2 + 7,419 ^ННГЭС + 27,37; Я2 = 1*

* Д2 - коэффициент детерминации.

Определение расхода при заданной мощности ГЭС и уровнях воды Горьковского водохранилища, отличных от расчетных значений, производится интерполированием.

& = ^ + Х № - УВ*)' (4.14)

где: - определяемый расход ННГЭС при отметке УВ водохранилища X, м БС;

X е 2, и I > X >

- соответственно расходы ННГЭС при отметках 1 и , рассчитанные по уравнениям регрессии, м3/с;

УВ2 УВ^, - соответственно уровни воды водохранилища при табличных значениях отметок 1 и 71, м БС.

При осуществлении регулирования отметки уровней воды на участке как в створе ННГЭС, так и в створе ННГУ незначительно повышаются против базовых условий, что сказывается на понижении выработки мощности (таблица 4.1) и, соответственно, необходимости повышения расходов для компенсации потерь мощности.

Аналогично расчету параметров МННГЭС - @ННГЭС при отметке уровня воды в створе ННГУ (7 = 68,0 м БС) выполнен расчет условий регулирования для отметок в створе ННГУ в диапазоне 68,1 ^ 68,5 м БС. Для этого использованы значения отметок уровней воды в створе ННГЭС при повышении отметок уровней воды в створе ННГУ. Расчетные материалы для определения параметров ^ННГЭС - @ННГЭС приведены в приложении 11. В связи с невозможностью моделирования конкретных значений уровней воды в створе ННГУ при постоянном часовом изменении уровней воды в створе ННГЭС, вызванном плановым изменением мощности ГЭС и расходов воды через машинный зал, к расчету принято использование средней отметки уровня воды (необходимой для регулирования) в створе ННГУ, равной 68,25 м БС.

Тогда повышение расходов при регулировании стока для компенсации потерь мощности из-за подъёма уровня воды в НБ ННГЭС (и, соответственно, уменьшения напора) учитывается коэффициентом увеличения расходов &ув относительно их базовых значений при отметке 68,0 м БС. Этот коэффициент при всех отметках уровней воды верхнего бьефа ННГЭС (Горьковское водохранилище) составляет &ув = 1,006 ^ 1,015.

Аппроксимируя зависимость &ув = / (МННГЭС) по расчетным данным приложения 12 имеем:

^ув = 8 х 10-8 х Мннгэс2- 6 х 10-5 МННГЭС +1,0191. (4.15)

При этом достоверность аппроксимации составила Д2 = 0,9895.

Часовой расход воды через ННГЭС составит:

где: 5 - признак часа, 5 = 1, 24;

- расход ННГЭС при отметке Горьковского водохранилища в ^ - й час (формула 4.14);

&ув5 - коэффициент увеличения расхода на компенсацию потери мощности ГЭС в ^ - й час.

Блок 4 содержит материалы по обоснованию недостающих в целях регулирования стока объемов воды на плановые сутки с использованием применяемых в гидрологии методов математической статистики и теории вероятностей [35].

Недостающие объемы воды И^ер, переходящие на плановые сутки с предыдущих суток, определяются за период «провальных» часов, приняв в качестве временной границы момент (час) превышения расхода ННГЭС над транспортным расходом, с последующим суммированием объемов воды через ННГЭС за период «провальных» п часов, определением среднего расхода ННГЭС за этот период @пров и недостающего объема воды И^ер для обеспечения транспортного попуска в периоде.

@пр0в = Сннгэс* ^

Ж.ер = (22=1 СННГЭС5 - Стр ХП)Х^, (4.17)

В расчетах И^ер принимает значения:

если (££=1 Сннгэс* - Стр Х п) Х к > 0, то И^р = 0;

если (£^=1 ^ннгэс5 - Стр Х п) Х к < 0, то И^р = (|£?=1 Сннгэс5 - Стр Х

п|) Х

В этом случае реализуется рассмотренный ранее эвристический подход (подраздел 4.4), при котором «провал» в расходах ННГЭС планируется ликвидировать только в утренние часы за счет накопления воды в предыдущие сутки и ее перехода на плановые сутки, а возможная нехватка воды в вечерние часы устраняется за счет введения внутрисуточного перераспределения расходов ННГЭС.

Одновременно с определением переходящих объемов И^ер возникает необходимость сопоставления их с возможностями водохранилища по созданию дополнительных объемов воды в нем МДоп выше отметки 68,0 м БС. Для этого используются расчетные параметры по дополнительным объемам при разных отметках уровней в створе ННГУ (таблица 4.3), определенные по материалам исследований кривых СПВ. Расчет производится для каждых суток навигации, где наблюдались «провальные» ниже транспортных расходы @ в, по значениям

которых находятся дополнительно создаваемые объемы воды на водохранилище по данным таблицы 4.3. Для этого методом интерполирования определяются МДоп

при расходах ННГЭС, равных @пров (формула 4.17), попадающих в интервал

табличных значений расходов и

о п _ _

ЖУпров = - "доп "доп (п - п) (4 18)

ДОП ""доп ^ _ ^ ^Хпров Чм), (4.18)

где: @м, - соответственно меньшие и большие табличные значения расходов ГЭС, между которыми попадает @ в, м3/с;

Мдоп, ^Д'оп - соответственно табличные значения дополнительных объемов воды в водохранилище при и , млн. м3.

При этом формировались статистические ряды, в которых дополнительные объемы группировались по граничным значениям повышенных отметок уровней воды (68,1 ^ 68,5). При этом в первую границу попали все дополнительные объемы, при которых отметки уровней воды не превышали 68,1 м БС; во вторую дополнительные объемы с непревышением отметки 68,2 м БС и т.д. Обработка рядов переходящих И^ер и дополнительных МДоп объемов произведена статистическими методами, при которых расчет обеспеченностей переходящих объемов Р(Жпер) выполнен по методу трехпараметрического гамма -распределения, дополнительных объемов воды на водохранилище при отметках ^ННГу = 68,1 ^ 68,5 м БС методом биномиального распределения (результаты расчета приведены в табличной форме в приложении 13 и использованы для построения соответствующих теоретических кривых).

Вместе с тем, для наглядности и лучшего восприятия теоретические кривые обеспеченностей дополнительных объемов Я(МДоп) представлены в виде теоретических кривых вероятностей создания дополнительных объемов ^(МДоп), которые связаны между собой соотношением:

^(^доп) = 100 - Р(ЖДоп), (4.19)

Совмещённые графики кривой обеспеченности переходящих объемов Р(Жпер) и кривых распределения вероятности создания дополнительных объемов ^(МДоп) приведены на рисунке 4.3.

Их анализ показывает, что для принятой в инженерных расчетах величины доверительной вероятности 95 % (обеспеченность 5 %) по навигации 2017 г., нехватка объемов воды для суточного регулирования составила (при 5 % обеспеченности) Жпер5% = 10,035 млн. м3, что соответствует отметке в створе ННГУ ниже 68,32 м БС с вероятностью её достижения 95 %, то есть имеется возможность накопления необходимого для регулирования стока объема воды. Такая возможность имеется и при меньшей обеспеченности нехватки воды, когда, например, при 1 % обеспеченности Жпер1% = 12,9 млн. м3 отметка 7ННГУ не превысит 68,4 м БС.

Стоит отметить, что переходящие объемы И^ер могут меняться в годы разной водности (высокой, средней, малой), но эти изменения не будут носить принципиально иной характер внутрисуточного распределения по сравнению с анализируемым 2017 г., поскольку динамика изменения расхода через ННГЭС подчинена интересам энергетики для покрытия их пиковых колебаний в энергосети. Подтверждением этому могло бы служить проведение подобного анализа внутрисуточных расходов ННГЭС в годы разной водности за длительный период времени, однако не в рамках данной диссертационной работы по причине отсутствия возможности получения и обработки необходимой информации, что требует специального исследования.

Анализ гидрографов в навигацию 2017 г. показывает, что недостаток воды для внутрисуточного регулирования имеет весьма неравномерный характер и в

первую половину навигации является эпизодическим. Это наглядно представляют гидрографы, представленные в приложениях 1, 2 и гидрограф на рисунке 4.4. Последний имеет высокую сходимость с гидрографом ННГЭС за период 1957 -2016 гг. представленный на рисунке 1.5.

Рисунок 4.3 - Совмещённые графики кривой обеспеченности переходящих объемов Р(Жпер) и кривых распределения вероятности создания дополнительных

объемов ^(МДоп)

1000

500

5000

4БОО

4000

3500

3000

.у 3

СУ

^ 2БОО

гооо

1500

о

Май

Июнь

Июль Август Сентябрь Октябрь

Дни IV сут.

среднесуточные расколы через ННГЭС

11 провальные попуски через ННГЭС в ночные-утренние часы (ниже Цтр) ■траспортный попуск

Ноябрь

Рисунок 4.4 - Гидрографы среднесуточных расходов, расходов в "провальные" часы, транспортного попуска в

навигацию 2017 г.

Обоснование недостающих для регулирования стока объемов воды имеет свои особенности во временном разрезе.

Переходящий объем воды на водохранилище ННГУ в первой половине навигации является непродолжительным по времени. Его накопление возможно в сутки, предшествующие наступлению неблагоприятного «провального» периода. Это видно по характеру гидрографов (приложения 1, 2, рисунок 4.4), когда

среднесуточные расходы ГЭС @ значительно превышают средние

«провальные» расходы @ в, что позволяет назначать индивидуальные объемы

Жпер на каждые сутки лимитирующего периода.

Иное дело с наступлением второй половины навигации, когда среднесуточные расходы ННГЭС уменьшаются по величине отклонений от транспортного попуска и сопоставимы с отклонениями «провальных» расходов в ночные - утренние часы от транспортного попуска (@сут - @тр = @тр - @пров).

В этом случае объем, накапливаемый в период, предшествующий началу лимитирующего, должен переходить с предыдущих суток все время. В качестве такого объема, меняющегося по суткам оставшейся части навигации, предлагается использовать переходящий объем И^ер по кривой обеспеченности (рисунок 4.3), который составляет ~ 10 млн. м3, что соответствует максимальной нехватке объема воды при обеспеченности 5 % на водохранилище ННГУ и превышает или равен ежесуточным потребностям в нем до конца навигации. Этот объем переходит с предыдущих суток на последующие и не нарушает условие транзитности стока, за исключением одного дня, когда возникает необходимость накапливания недостающего объема.

Накопление такого объема обеспечено возможностью водохранилища.

Блок 5 определяет разработку планового гидрографа ННГУ на предстоящие сутки, связанного с назначением величины расходов, проходящих через водосливную плотину с учетом соблюдения ограничений математической модели (4.2) - (4.4). Представление гидрографа ННГУ в форме трех- и двухступенчатых гидрографов предполагает выделение периодов регулирования в соответствии с

анализом работы ГЭС, по которому «провальный» период приходится на ночные -утренние часы и когда нехватка воды покрывается переходящим объемом с предыдущих суток. Однако имеется такой же период меньшей интенсивности в вечерние часы, где недостающие объемы покрываются за счет их избытка в дневные часы. Рекомендуемая область использования трехступенчатого гидрографа связана с имеющимся дефицитом воды в «провальном» периоде, двухступенчатого - во всех случаях. Методические подходы к разработке базового (начального) гидрографа ННГУ имеют особенности:

1. При трехступенчатой форме гидрографа в первом периоде (с 0 до 9) назначаются постоянные расходы ННГУ из условия обеспечения транспортного попуска с учетом переходящего на плановые сутки объема воды Жпер ;-1:

= „„ х 10^ (4.20)

С/ х3,6 4 '

где: - регулировочный расход через ННГУ в первом периоде, м3/с;

Ж; - объем воды, поступающий с ННГЭС за первый период, млн. м3; Жпер у-1 - переходящий объем воды с предыдущих суток, млн. м3; У - признак текущих (плановых) суток;

- продолжительность первого периода, ч. В третьем периоде (с 15 до 24) назначаются расходы ННГУ из условия покрытия транспортного попуска:

Ът = Стр, (4.21)

где: О^щ - регулировочный расход в третьем периоде, м3/с и соответствующий ему объем стока , м3/с;

@тр - транспортный попуск, м3/с.

Во втором периоде (с 9 до 15) расходы назначаются из условия выполнения транспортного попуска с учетом накопления переходящего объема и соблюдения транзитности стока.

0 = (Жсут- ^ - Жпер7+1- х 103

ги хз,б ' ( . )

где: - регулировочный расход во втором периоде, м3/с

^сут

^Сут- объем воды, поступающий с ННГЭС за сутки, млн. м3;

Ж; - объем воды, поступающий с ННГЭС за первый период, млн. м3;

Жперу+1 - переходящий объем воды на (/ + 1) сутки, млн. м3; - объем воды за третий период, млн. м3; - продолжительность второго периода, ч.

Связь объемов стока и расходов за £ - й период отражена известной зависимостью = ^ X X 3,6 X 10_3. Работа по данному алгоритму обеспечит выполнение ограничивающих условий по транзитности стока и поддержанию транспортного попуска.

2. При двухступенчатом гидрографе возникает ситуация с созданием переходящего объема И^ер или его отсутствием.

Когда требуется переходящий объем И^ер, назначение расходов через ННГУ производится по периодам в величинах:

- для первого периода (ночные-утренние часы) по формуле (4.20);

- для второго периода (в остальные часы суток) по формуле (4.22) при

= о.

Если переходящий объем И^ер не требуется, расчет расходов по первому и по второму периодам производится аналогично (формулы 4.20, 4.22) при И^ер =

0 Щш =

В этом случае происходит «сглаживание» расходов через ННГУ и уменьшение их амплитуды. Наиболее благоприятная ситуация возникает при отсутствии хода расходов, когда через створ ННГУ пропускаются среднесуточные по величине расходы ННГЭС при условии выполнения ограничений модели (4.4)

3. Вместе с этим, анализ показал, что в навигацию 2017 г. имелось 14 дней (6 дней в мае, 3 дня в июне, 4 дня в июле, 1 день в августе), когда средние расходы за ночные - утренние часы превышали среднесуточные, то есть:

¿проз ^ ¿сут ^ ^тр, (4.23)

Для этого случая в первом периоде рекомендуется назначать расходы на уровне средних фактических «провального» периода, то есть:

& = ¿проз- (424)

Для второго периода рассчитывается по формуле (4.22) при И^ер = 0,

=