ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 2, с. 123-130
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.53
ЛЕДОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ НИЖНЕГО БЬЕФА НОВОСИБИРСКОГО ГИДРОУЗЛА1 © 2014 г. А. А. Атавин, А. Т. Зиновьев, А. В. Кудишин
Институт водных и экологических проблем СО РАН 656038 Барнаул, ул. Молодежная, 1 E-mail: zinoviev@iwep.ru Поступила в редакцию 05.05.2012 г.
Для изучения вопроса об оптимизации попусков в нижний бьеф Новосибирского гидроузла в зимний период построена модель нестационарных гидроледотермических процессов на участке р. Оби ниже створа плотины Новосибирской ГЭС. Результаты расчетов использованы для определения влияния подпора из-за наличия льда на уровень свободной поверхности водного потока в створе основного водозабора г. Новосибирска. Дан сопоставительный анализ результатов компьютерного моделирования и натурных данных. Показано, что результаты численных расчетов динамики ледяного покрова в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС могут служить базой для обоснования режима попусков, позволяющих обеспечить устойчивое функционирование речных водозаборов в районе г. Новосибирска в зимние месяцы маловодных лет.
Ключевые слова: гидроледотермические процессы, нижний бьеф, Новосибирская ГЭС, маловодья, водозабор.
Б01: 10.7868/80321059614020023
Проблема маловодий рек и их бассейнов весьма актуальна для бесперебойного городского, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения, но мало изучена. Негативные последствия маловодий связаны, в частности, с возникающими трудностями поддержания требуемого уровенного режима в верхнем и нижнем бьефах гидроузлов в осенне-зимний период. Пример такой ситуации — возможное возникновение кризисных ситуаций в нижнем бьефе (НБ) Новосибирского гидроузла (г/у), обусловленное совпадением экстремальных маловодий с неблагоприятной ледо-термической обстановкой в нижнем бьефе в теплые зимы [5].
Строительство Новосибирской ГЭС (НГЭС) на Верхней Оби привело к существенным изменениям гидрологического, руслового и ледотер-мического режимов Оби на участке нижнего бьефа. Длительная разработка русловых карьеров по
1 Работа выполнена в рамках проекта СО РАН УП.62.1.1 "Исследование гидрологических, гидрохимических, гидробиологических и экологических процессов в водных объектах Сибири с учетом антропогенных факторов и изменения климата" при частичной финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН 42 "Природные и техногенные риски критически важных гидротехнических объектов, водохранилищ и водных систем Сибири".
добыче нерудных строительных материалов в нижнем бьефе гидроузла привела к понижению уровней свободной поверхности водного потока, что ныне особенно заметно проявляется в летне-осенний и зимний маловодные периоды. Поэтому режим эксплуатации Новосибирского водохранилища в настоящее время определяется необходимостью поддержания уровней в черте г. Новосибирска на отметках, обеспечивающих надежную работу ключевых систем коммунального и промышленно-энергетического водоснабжения в меженные периоды, особенно в годы с очень низким притоком воды.
Одним из возможных путей преодоления этих кризисных ситуаций и обеспечения требуемых уровней водной поверхности в нижнем бьефе в маловодные годы является выработка и реализация режима минимальных попусков в НБ, обеспечивающих требуемые отметки уровня водной поверхности в створе водозаборов г. Новосибирска. Обеспечить выработку такого режима может помочь математическая ШН-модель гидроледо-термических процессов в нижних бьефах ГЭС и гидроузлов [2, 13].
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Водохранилище НГЭС на Верхней Оби относится к водохранилищам сезонного регулирования. Полный объем водохранилища при нормальном подпорном уровне (НПУ) равен 8.8 км3, полезный — 4.4 км3 при среднемноголетней величине притока к водохранилищу — 51.7 км3. Строительство крупного водохранилища привело к существенным изменениям гидрологического, руслового и ледотермического режимов Оби в нижнем бьефе НГЭС [11].
Рассмотрим изменения ледового режима р. Оби под влиянием строительства и эксплуатации Новосибирского водохранилища по данным кафедры гидротехнических сооружений и гидравлики Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сиб-стрин).
В гидрологическом отношении р. Обь на участке НБ НГЭС хорошо изучена. Гидрологический пост (г/п) "г. Новосибирск" открыт 10 сентября 1893 г. у железнодорожного моста через р. Обь и действует по настоящее время. За период работы пост неоднократно переносился, но, несмотря на это, уровни за весь период наблюдений считаются связанными. До 1969 г. на г/п "г. Новосибирск" велись измерения расходов воды, в настоящее время ведутся наблюдения за уровнями воды и ледовым режимом реки. С 1 января 1958 г. открыт и сейчас действует г/п "Нижний бьеф".
Изменение ледового режима р. Оби после создания водохранилища прежде всего связано с тем, что поступающая из водохранилища вода имеет в зимнее время температуру выше нуля, а зимние расходы воды в нижнем бьефе стали больше. Сдвинулись сроки появления ледовых явлений, несколько уменьшилась толщина льда, снизилась интенсивность осеннего и весеннего ледоходов. Средняя дата начала ледовых процессов — 5 ноября. Ежегодно осенью наблюдается шугоход и ледоход со средней продолжительностью — 15 сут. Наибольшая продолжительность осеннего шуго-хода, равная 31 сут, наблюдалась в 1983 г. Средняя дата установления ледостава — 28 ноября, ранняя — 12 ноября (1967, 1969, 1977 гг.), поздняя — 19 декабря (1984 г.). Продолжительность ледостава колеблется от 78 до 150 сут. Сток воды из водохранилища способствует поддержанию полыньи, протяженность которой в зависимости от суровости зимы составляет от нескольких километров до десятков километров. В средние по морозности зимы полынья заканчивается несколько ниже Комсомольского моста и в районе г/п "г. Новосибирск" (19.6 км ниже створа НГЭС) наступает ле-
достав. При сильных морозах в полынье может образовываться слой шуги толщиной до 2 м. Становление ледяного покрова часто сопровождается торошением. Средние даты появления и исчезновения полыньи — соответственно 26 ноября и 13 апреля. Наибольшая толщина льда — 98 см на участке НБ наблюдалась в первый год эксплуатации Новосибирского г/у. Средняя дата начала весеннего ледохода — 30 марта. Продолжительность ледохода меняется от 1 до 34 сут. Ледоход формируется за счет вскрытия ледяного покрова в нижнем бьефе Новосибирского г/у и за счет ледохода с р. Ини.
Приводящее к нарушению работы водозаборов г. Новосибирска понижение уровня воды в нижнем бьефе НГЭС вызвано деформацией ложа Оби, возникшей уже к концу 1970-х гг. на участке реки протяженностью в несколько десятков километров, включающем г. Новосибирск. На процесс деформации русла реки, обусловленный перехватом донных отложений осветленным потоком, на-ложилось воздействие техногенного фактора: в 1970-х гг. в черте Новосибирска были осуществлены крупномасштабные работы по выемке аллювиальных (песчано-гравийных) отложений из русловых карьеров. По некоторым оценкам, объем изъятых аллювиальных материалов на участке протяженностью 60 км от створа плотины ГЭС составляет ~50 млн м3. В результате совместного воздействия указанных факторов посадка уровня в нижнем бьефе гидроузла достигла, по различным оценкам, 180—200 см, а в створе г/п "г. Новосибирск" — 140—160 см, что привело к необходимости увеличения (по сравнению с проектом) попусков из водохранилища для поддержания уровней воды в черте г. Новосибирска на отметках, обеспечивающих надежную работу систем городского водоснабжения. В маловодные осенне-зимние периоды запасов воды в водохранилище ввиду относительной малости его полезного объема оказывается недостаточно для обеспечения требуемых попусков воды в нижний бьеф, и в отдельные годы приходится допускать сработку уровня воды в водохранилище ниже уровня мертвого объема (УМО). Так, сработка ниже УМО составила в 1981 г. 128, в 1982 г. - 190, в 1998 г. - 153, в 1999 г. - 65, в 2000 г. - 32 см [5]. При этом следует учитывать возможность проявления сочетания неблагоприятных факторов, таких как пониженный приток к водохранилищу в маловодные годы и повышенная потребность в попусках в нижний бьеф в условиях теплых зим (уменьшение подпора уровня в районе городских водозаборов при большой протяженности майны в зимнее время). Установлено [1], что эти факто-
ры в первом приближении могут рассматриваться как независимые величины. Кроме того, существует корреляция между притоками в ноябре и за весь зимний период (г = 0.9). Это означает, что, получив данные по ноябрьскому притоку, можно при необходимости перейти на более экономный режим водопотребления в зимний период.
Все эти обстоятельства указывают на необходимость тщательного прогнозирования происходящих в НБ гидроледотермических процессов, в частности в районе основного водозабора г. Новосибирска (НФС-5), расположенного на расстоянии 15.6 км от НГЭС.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Достаточно надежные количественные оценки изменений термического и ледового режима на зарегулированных участках рек могут быть получены на основе математического моделирования гидродинамических и термодинамических процессов на этих участках. В данной работе для этих целей используется комплекс математических моделей, описывающих гидроледотермический режим зарегулированного участка реки [2, 13]. Базовая модель этого комплекса — модель гидравлического режима нестационарного руслового потока. В состав комплекса входят также модели температурного режима реки, образования и переноса шугового материала, движения кромки льда, роста—таяния ледяного покрова. Приведем математическую постановку задачи описания этих процессов.
Область определения задачи ^ = {(х, ?): 0 < х < < Ь, 0 < ? < tk} разбивается на подобласти П1, и
(^ = П1 и и ^3) с учетом специфики определяющих физических процессов следующим образом (рис. 1):
на пространственно-временной подобласти П1 рассматривается нестационарное течение в открытом русле в отсутствие ледовых процессов;
подобласти отвечает участок реки, где происходит шугообразование;
участку реки под ледяным покровом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.