автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидрологическое обоснование защиты г. Улан-Батора от наводнений

На правах рукописи

ЯДМАА ТУУЛ

ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИТЫ Г.УЛАН-БАТОРА ОТ НАВОДНЕНИЙ (МОНГОЛИЯ)

Специальность: 05.23.16- Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 \т 2012

Москва-2012г

005012210

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Правдивей Юрий Петрович

Официальные оппоненты: Асарин Александр Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, заместитель начальника отдела водного хозяйства и охраны окружающей среды филиала «Институт Гидропроект»

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе, заведующий отделом управления водными ресурсами Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации имени А.Н.Костякова Российской академии сельскохозяйственных наук

диссертационного совета Д 212.138.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, дом 26, зал диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Волынов Михаил Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «Институт Гипроречтранс»

Защита состоится

на заседании

Автореферат разослан

2012г.

диссертационного совета к.т.н:

Ученый секретарь

Орехов Генрих Васильевич

1.Общая характеристика работы

Актуальность темы. В течении многих сотен лет человечество боролось с природными катаклизмами, в том числе с наводнениями. Начиная с середины 1900-х годов, паводки, наводнения и размеры причиняемых ими ущербов возрастают. Глобальное потепление на земном шаре также приводит к увеличению природных катастроф. По статическим данным ООН во время наводнений за последнее сто лет в мире погибло более 9 миллионов человек.

Территория Монголии является зоной интенсивных летних дождевых паводков и формирована селевых потоков. Столица Монголии г.Улан-Батор расположен на берегу реки Туул -одной из многоводной внутренней реки Монголии.

По хронологическим данным в 1915, 1934, 1959, 1966, 1967 годах в г. Улан-Баторе наблюдались сильные дождевые паводки, а в 1982, 1994, 1996, 2000, 2003, 2005, 2009 годах проходили мощные селевые потоки, причинившие значительные беды и ущербы населению и народному хозяйству Монголии. Следует подчеркнуть, что по мере освоения горных территорий и неизбежного вмешательства в развитие природных процессов на горных бассейнах человеческой деятельности селевая опасность будет все более возрастать, поэтому требуется принимать соответствующие меры для её ликвидации.

Больше половины противопаводковых защитных сооружений города Улан-Батора построены в 1960-1980 годах, их строили после того, как проходили паводки. В настоящее время эти сооружения не способны пропускать максимальный расчетный расход паводка с обеспеченностью 1%, так как после 1994 года на защитных сооружениях ни разу не проводились ремонтно-восстановнтельные работы.

Таким образом, для условий Монголии крайне актуальной является задача усовершенствования системы противопаводковых гидротехнических сооружений и сокращения ущербов, причиняемых наводнениями.

Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по гидрологическому обоснованию аккумулирующего водохранилища на реке Туул, обеспечивающего снижение ущербов от наводнений. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-определить основные гидрологические характеристики реки Туул по многолетним гидрометрическим наблюдениям (1945-2007г) и максимальный расход при обеспеченности 1%;

- выполнить системно-динамическое моделирование водного баланса реки Туул;

-разработать рекомендации по снижению уровней воды реки Туул в результате строительства гидроузла с аккумулирующем водохранилищем;

-провести анализ современного состояния противопаводковых гидротехнических сооружений в Улан-Баторе и дать оценку их эксплуатационного состояния.

Научная новизна работы характеризуется следующим:

-определены и уточнены основные гидрологические характеристики реки Туул при удлиненном ряде наблюдений (1945-2007гг);

-разработана системно-динамическая модель водного баланса реки

Туул;

-разработаны рекомендации по снижению уровней воды реки Туул за счет аккумулирующего водохранилища;

-исследованы противопаводковые гидротехнические сооружения города Улан-Батора и дана оценка их состояния.

Личный вклад автора состоит в том, что:

-выполнен статический анализ данных многолетних гидрометрических наблюдений на водомерных постах реки Туул с обоснованием параметров паводкового режима расчетной обеспеченности;

-разработана математическая модель водного баланса речной системы реки Туул и её притоков, собраны и подготовлены исходные данные для динамического математического моделирования;

-выполнено математическое моделирование паводковых гидравлических режимов на реке Туул и её восьми притоках;

-обосновано положение расчетного створа и параметры регулирующего водохранилища на реке Туул для водоснабжения г.Улан-Батор и исключения его подтопления в половодья редкой повторяемости.

Методы исследований:

-обработка данных многолетних гидрометрических наблюдений на водомерных постах реки Туул была выполнена по единой методике, утвержденной Росгидрометом;

-для решения поставленных задач использовано системно-динамическое моделирование водного баланса реки Туул.

Достоверность результатов проведенных исследований:

Гидрологические характеристики реки Туул получены при удлиненном ряде наблюдений (1945-2007гг) с применением апробированных гидравлических методов расчета и компьютерного моделирования основанного на этих методах, выполненной верификацией результатов расчета данными натурных измерений на водомерных постах, имеющихся на реке Туул.

Для реализации модели использовалось специальное программное обеспечение Powersim Studio Academic 2003, достоверность применения которого была подтверждена сравнением результатов расчета с натурными данными гидрологических наблюдений на реке Туул.

Практическое значение работы заключается:

-в разработке системно-динамической гидрологической модели водного баланса реки Туул, применимой для решения различных практических задач;

-в научном обосновании гидрологических характеристик противопаводкового водохранилища для защиты столицы Монголии г. Улан-Батор от наводнений и селей.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-исследовательских конференциях преподователей Монгольского Государственного Университета Науки и Технологии (МГУНиТ) в 2003, 2004 и 2005 гг. в Улан-Баторе.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 5 сборниках научных статей МГУНиТ в Улан-Баторе. Опубликованы 3 статьи в сборнике "Вестник МГСУ» в Москве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и приложений, библиографического списка содержащего , 100 наименований трудов отечественных и зарубежных авторов. Диссертация, изложена на 167 страницах машинописного текста, включая 63 рисунков, 31 таблицу и 27 страниц приложения.

2.Основное содержание работы

Во введение обоснована актуальность и практическая значимость проведенных исследований, дана краткая характеристика выполненной работы и полученных результатов.

Глава1. « Природно-климатические особенности Монголии и бассейна р.Туул»

В этой главе рассмотрены физико-географические климатические факторы, влияющие на характеристики речного стока в речной сети страны. Для исследуемой зоны кратко охарактеризованы рельеф и почвы, испарение и осадки, влажность и температура воздуха, ветровой режим и геологические характеристики.

Монголия расположена в центральной части Азии между северной широты 41°301-52°001 и восточной долготы 88°001-120°001 и занимает территорию в 1565,5 тыс.кв.км. Ширина территории Монголии с северной точки до южной 1260км, а длина территории с восточной точки до западной 2370км.

Основной населенный пункт Монголии это столица город Улан-Батор с населением около одного миллиона человек. Город Улан-Батор расположен на высоком гипсометрическом уровне 1300м над уровнем моря, удаленный от океанов и морей, территория имеет пересеченный рельеф.

Река Туул течет между г.Улан-Батором и горой Богда-Хан и является единственным источником питьевой воды для населения столицы Монголии. Средняя высота водосбора 1820м. Водосборная площадь р.Туул составляет 50400км2 , длина 704 км. Уклон дна реки Туул у г.Улан-Батора составляет примерно 0.0022.

В Монголии воздух сравнительно сухой, сезонное и суточное колебания температуры воздуха резкие. Осадки на бассейне р.Туул выпадают в основном в летний период в связи с циклонической деятельностью. Годовые суммы их изменяются от 257мм до 285мм.

Глава2. «Гидрологические характеристики р.Туул»

Во второй главе определены основные гидрологические характеристики реки Туул по многолетним данным гидрометрических наблюдений. (19452007 гг)

Наивысший годовой уровень у г.Улан-Батора наблюдался 28 нюня 1967 года и был равен 299см над нулем графика. Максимальный уровень в паводок 1966 года (311см) находился в подпоре от ограждающих дамб.

Как показал анализ, паводки на р.Туул у г.Улан-Батора продолжаются в среднем около 14-15 дней, и при этом увеличение паводка продолжается 4-5 суток, а убывание примерно 10 суток. За период наблюдений наибольшие

паводочные объемы равны 413.2 млн.м3 (июнь-июль 1967г.) и 411.6 млн.м3 (июль 1966г.). Наименьший объем 16.5 млн.м3.

При обычном режиме ширина реки Туул составляет 35-75м, глубина 0.8-3.5м, скорость течения 0.5-1.5м/с. Максимальный расход реки Туул наблюдается весной при пловодьях и летом при дождевых паводках. Максимальная продолжительность дождевых паводков продолжается приблизительно 10-14 суток.

В реке Туул в течении года два раза наблюдаются максимальные и минимальные уровни воды. Первый максимальный уровень воды наблюдается весной во время таяния снега, а второй масимальный уровень летом при дождевых паводках. Первый минимальный уровень начинается с первой декады мая и заканчивается в конце июня, а второй минимальный уровень воды реки Туул начинается с начала октября и продолжается до появления ледяной оболочки в реке. Минимальный сток р. Туул колеблется от 0.3 до 26 м3/с.

По данным гидрометрических наблюдений за 1945-2007 годы, представленных в Приложении А, диссертации был выполнен анализ для определения расчетных гидрологических характеристик.

По среднемноголетным гидрологическим данным установлены следующие характеристики: средняя многолетняя норма стока Q0 = 26.5 м3/с, средний многолетний модуль стока М0 = 4.21л/с км2, средний многолетний объем стока W0 = 836 • 106 м3/год, средний многолетний слой стока h0 = 132.6 мм/год, средний многолетний коэффициент стока Г] = 0.44, коэффициент вариации = 0.58, коэффициент ассиметрни Cs = 1.18

Расчет внутригодового распределения расходов реки Туул был сделан по методу реального года и реальным годом выбран 1996 год. Расход за этот год равен Q1996 = 93.4 м3/с.

По максимальным расходам установлен расчетный максимальный расход при обеспеченности 1% и равен = 1590 м3/с. Кроме этого

вычислены средний максимальный расход Q^ax = 338 м3/с, коэффициент вариации по максимальным расходам С™ах = 0.84 и коэффициент асимметрии по максимальным расходам С™ах = 2.52.

ГлаваЗ. «Современное состояние защитных сооружений от затопления г.Улан-Батора»

В настоящее время в Улан-Баторе используются противопаводковые защитные открытые каналы с общей длиной около 80-90км (каналы с бетонной облицовкой- 19.1км, дамбы с креплением бетонными плитами -41.0км, бетонные стены - 2.3км, каналы с креплением каменной наброской или цементацией - 18км), кроме этого имеются подземные водосбросные трубопроводы длиной 25км вдоль притоков реки Туул. На рис. 1 представлена схема противопаводковых гидротехнических сооружений.

Рис.1. Система противопаводковых гидротехнических сооружений города

Улан-Батора

1.Защитные сооружения Чингэлтэя. Длина их составляет 2149м. Защитные дамбы построены на основе расчета при (} = 64.1м3/с, Р = 1% после селевого паводка, который проходил в 1982 году. Общий объём бетонных работ V = 6312 м3. Высота дамбы Н = 1.9 -г 2.0м, имеет заложение откосов: внутренний т1 = 2, внешний т2 = 3, максимальная скорость потока дтах = 3.0 м/с. ширина дна русла Ь = 13м. По проекту намечено было установить поперечные ребра 2.28м с заглублением, а фактически сделали заглубление 0.5м в целях снижения стоимости крепления сооружений. Поэтому русло реки сильно размывается, углубляется и защитные бетонные крепления разрушаются.

2-Защитные сооружения Хайласта. Длина их составляет 2485м. По проектному расчету установили, что водопропускная способность (^о/, = 35.8 м3/с. ширина дна русла Ь = 10 м, внутренний откос т1 = 1.5, внешний откос т2 = 2.0 , высота дамбы Н = 1.7 н- 1.8 м, высота подпора Лподпора = 1.62 м , максимальная скорость потока !9тс1Х. = 1.9 м/с. Защитные сооружения повреждены во многих местах. Причины нынешнего разрушения противопаводковых защитных каналов аналогичны тем, как у Чингэлтэя.

3.Защитные сооружения реки Сэлбэ и реки Дунд. Длина их составляют 24.6км. После паводка 1966 года проводились изыскательно -исследовательские работы и установили водопропускную способность (/^л = 411 м7 с , высоту подпора ^подпора = 3.9 м. В данный момент защитные сооружения повреждены в нескольких местах, (в конце реки повреждено около 200м каналов)

Открытые защитные каналы можно разделить таким образом:

4.3ащитные сооружения Западных гор. Защитные каналы облицованы по всей длине. Длина сооружений составляет 12.25км, ширина дна русла b = 45.0 м, водопропускная способность Qi<y0 = 385.0 м3/с, внутренний откос т1 = 2.0 , высота подпора /гподпора = 6.0. Разрушение и повреждение на этих сооружениях относительно мало.

5.Защитные сооружения реки Бэлха и Дамбадаржа. Защитные каналы с длиной 1.2 км практически повреждены по всей длине т.е 80% сооружений не пригодны для эксплуатации.

б.Защитные сооружения реки Толгойт. Длина 15.6 км, Qi% = 120 м /с. После селевого паводка 1996 года дамба разрушена в нескольких местах.

7. Защитные сооружения реки Туул. Длина защитных каналов составляет 24.5 км, амплитуда колебания уровня воды 1.2 -г 2.0, а максимальная величина в 1967 году была Д= 2.65м. При обычном режиме глубина воды h = 0.8 -г 3.5 м, скорость течения д = 1.2 -г- 2.0м/с. При анализе установлено, что состояние противопаводковых защитных каналов реки Туул неудовлетворительное, имеется необходимость их реконструкции.

В четвертой главе «Методы управления русловым водным потоком»

приведены методика и результаты системно-динамического моделирования водного баланса реки Туул.

В настоящее время население города Улан-Батора каждый год испытывает угрозу наводнений так, как защитные сооружения не способны пропускать максимальный расход паводка с обеспеченностью 1%. Для предотвращения паводков предлагается вариант создания аккумулирующего водохранилища на реке Туул.

Кроме этого в связи с быстрым развитием города Улан-Батора, ростом численности его населения, развитием промышленности имеется дефицит водоподачи на хозяйственно-питьевой нужды. Все эти причины приводят к необходимости строительства выше по течению р. Туул от г. Улан-Батора водохранилища комплексного назначения.

Для систем такого размера, как речная система р. Туул, поиск оптимальных решений по комплексному использованию водных ресурсов очень затруднен без применения водно-балансовых моделей.

При проектировании паводкового водохранилища на реке Туул необходимо устанавливать боковой приток на участках выше гидроузла. Определение боковой приточности осуществляется в данной работе по методу водного баланса.

Сущность применения этого метода заключается в сопоставлении за определенный промежуток времени (год) в проектируемом гидроузле прихода и расхода воды в реке и изменения ее запасов.

Водохозяйственный баланс состоит из приходной и расходной частей. Приходная часть баланса включает в себя следующие элементы: осадки, естественный поверхностный сток и стоки, перебрасываемые из других бассейнов.

В расходную часть баланса входят объемы воды забираемые из реки выше расчетного створа на орошение, на коммунальное бытовое и промышленное водоснабжения, водоотведение и потери воды на испарение.

Для гидрологического обоснования проекта аккумулирующего водохранилища была разработана модель с использованием метода системно-динамического моделирования.

Метод системно-динамического моделирования

Метод системной динамики был предложен Дж. Форрестером из школы менежмента Слоана Массачусетского технологического института в США в 60-х годах XX столетия и советскими учеными из Вычислителного центра АН СССР, лидером которых был академик Н.Н.Моисеев. Этот метод зарекомендовал себя как эффективный подход к изучению поведения сложных трудно формализуемых систем, динамика которых в основном определяется изменениями со временем.

Моделирование начинается с определения динамических проблем, требующих изучения. В качестве заключения этой части моделирования строится график ожидаемого поведения системы. Обычно задача приводится к одному или нескольким типам поведения. А дальше определяются ключевые переменные системы и причинно-следственные связи между ними.

В настоящее время известны 4 программы для системно-динамического моделирования: Dynamo, Vensim, Powersim, Stella. В данной работе используется программа Powersim.

Программа Powersim- это средство решения динамических задач в области управления. Она представляет собой пакет для визуализации, построения моделей системной динамики и собственно проведения моделирования. Программа Powersim имеет облегченный интерфейс, что не препятствует созданию моделей высокого уровня.

Уравнения для переменных вводятся с помощью специального диалогового окна, открываемого для каждой переменной. Программа автоматически учитывает все переменные, влияющие на сток. Предлагаются также различные математические функции и логические операторы для написания уравнений.

Для переменных запасов Powersim использует автоматически оператор, реализующий интегрирование по времени скоростей входа и выхода для данной переменной.

Программа визуализирует результаты счета, а также позволяет проводить сравнение (в том числе, графическое) результатов моделирования различных сценариев.

В данном случае представляется разработанная в диссертации модель водохозяйственного баланса реки Туул. При составлении модели водных балансов в данном участке русло реки разделено на 18 частей, характеризующихся близкими гидротопографическими условиями, с учетом их хозяйственной значимости.

/>./)) IV

Рис.2. Водно-балансовая схема реки Туул в пределах г. Улан-Баторе

Модель проточного участка

Моделирование водохозяйственного баланса позволяет получить необходимые для конструирования противопаводковых сооружений следующие четыре гидрологические характеристики:

-составляющие водного баланса участка;

-средний расход воды на участке;

-средняя глубина воды на участке;

-средняя скорость руслового потока на участке.

Приходной частью водного баланса для модели участка будут поступление воды через верхний створ участка , и от притоков (?пр впадающих в реку на участке, поверхностный сток с водосбора <2ест , поступление воды от осадков <?ос. В расходную часть водного баланса входят следующие: воды, забираемые из реки выше створа на орошение и водоснабжение (?заб, перебрасываемые в другие бассейны <?прб, потери воды на испарение (?ис , расходы попусков ниже расчетного участка <2П0П. Таким образом уравнение водного баланса в данном участке можно выразить следующим:

Qв Qnp Сеет ос - 12заб + Фпрб + "■¿пол ИСП' (1)

Большая часть расходной составляющей формируется специальными расходами воды ниже створа определения баланса. Значения этих расходов устанавливаются в соответствии с требовашими различных водопользователей к водным ресурсам реки ниже расчетного створа.

В данной работе необходимая глубина противопаводкового защитного сооружения вычисляется по уравнению равномерного движения в открытом русле при ширине русла реки Ь > (20 -г- 25)Ь , когда можно принять гидравлический радиус равным глубине воды /? = Л.

Глубина воды на участке определялась по расходу следущим образом:

где: 0- средний расход воды на участке , м3/с,

(}=<2в + 0е - 0п - Озаб. (3)

средний расход воды во входном створе за расчетный интервал времени,

естественный поверхностный сток и определяется по формуле

<?е = />-р)^Т, (4)

х - средняя интенсивность осадков по бассейну за принятые интервалы времени, мм;

р - суммарный расход воды на поверхностное задержание, инфильтрацию и испарение за те же интервалы времени, мм;

*-Р=£=Ау, (5)

ку - слой стока, мм;

ку = цх, (6)

г) - коэффициент стока определяемый отношением средней высоты слоя Лу>ср к высоте слоя осадков выпавших на площадь водосбора хср за рассматриваемый период времени,

(- потери воды на испарение с поверхности участка,

(}п = Ед^/10 ООДГ, (7)

£д - слой испарения, мм;

Р,- - средняя площадь участка, м3;

- расчетный интервал времени, <?заб - расход воды забираемый на орошение и водоснабжение, п - коэффициент шероховатости,

I - средний уклон дна выражается отношением разности отметок в начале /гг и в конце заданного участка Л2 к расстоянию I между началом и концом участка

i = (/Ч - Лг)/1, (8)

В данной работе средняя скорость потока определялась по формуле Дарсн-Вейсбаха:

0 = • Д5, м/с, (9)

где: ускорение свободного падения, м/с2;

/- коэффициент сопротивления Дарси-Вейсбаха; И- гидравлический радиус, м; 5- средний уклон.

Коэффициент сопротивления Дарсн-Вейсбаха определился по следующей формуле:

где: к- высота шероховатости, мм; О- диаметр, м; Яе- число Рейнольдса.

Поскольку режим движения потока воды турбулентный, т.е. в зоне квадратичного сопротивления, можно считать, что коэффициент Дарси зависит только от относительной шероховатости, а не зависит от числа Рейнольдса. Граница числа Рейнольдса найдена по следующей зависимости:

Де > 500-, (И)

где: й- глубина воды, м;

Д- высота шероховатости, мм.

Модель проточного участка реки Туул включает 23 переменных. Общая схема причинно следственных связей модели показана на рис.3. Учитывается изменение среднего расхода участка, динамика, которого определяется, как

Осадки

Глубина

Поверхностный сток

Интенсивность осадков

Расход на верховом участке

Длина участка

Мелиорации

Коэффициент стока Площадь водосбора

Интенсивность испарения

Расход

Испарение

Средняя скорость Потребление

жМ Уклон

29

1 Шероховатость

Водопои

Ширина участка

Водоснабжение

естественным приходом и потерями воды на участке, так и водопотреблением и испарением воды на данном участке.

Определение переменной может начинаться с любого момента времени внутри периода моделирования, для различных динамических переменных можно использовать различные начальные моменты времени, как и временные шаги изменения значений переменных.

Рис.3. Общая схема балансовой модели проточного участка реки Туул Модель участка водохранилища

Модель водохранилища включает 16 переменных. Общая схема причинно следственных связей модели показана на рис. 4. Модель водохранилища учитывает те же статьи водного баланса, что и модель проточного участка. Учитывается изменение полного объема воды в водохранилище, динамика которого определяется, как естественным приходом и потерями воды в водохранилище, так и водопотреблением и изменением интенсивности сброса воды в нижний бьеф.

Площадь водной поверхности водохранилища 5 зависит от объема V воды в водохранилище. В данной работе зависимость между ними выведена в следующем виде:

5 = 0,091 -V + 11.89, (12)

где: 5 - площадь поверхности водохранилища, км2;

V - объем воды в водохранилище, млн.м3.

Эта зависимость задавалась в модели соответствующего участка. Модели всех 18 участков работают одновременно, каждая из них представляет собой уровень модели, обменивающийся информацией с другими уровнями. Модель дает возможность решать различные задачи расчета многоцелевых управлений водного хозяйства, построенные на принципе комплексного использования водных ресурсов.

Поверхностныц сток с водосброса

Глубина

Интенсивность осадков

Коэффициент стоки

Площадь водосбора

Площадь поверхности

Расход с верхового участка

Испарение

Объём воды

Осадки

Сброс на шиовой участок

Водопой

Интенсивность испарения

Водоснабжение

Управления сбросом

Потребление

Мелиорация

Расчетный расход сброса

Рис.4. Общая схема балансовой модели водохранилища

Результаты системно-динамического моделирования водного баланса

В результате моделирования получены величины глубин, средних скоростей и расходов на каждом участке проточного участка реки Туул в течение реального 1996 года. Были выбраны четыре характерных проточных участков (створов). 1-ый створ находится на 10 км выше 2-ого створа - створа плотины аккумулирующего водохранилища. Дополнительно рассмотрены два створа ниже створа намечаемого гидроузла: 3-ый створ выбран ниже плотины, 11-ый створ находится в центре города Улан-Батора. На рисунке 4 показаны как будут изменяться глубины выбранных характерных участков в

течение реального 1996 года. Из графика видно, что с мая по август на всех участках наблюдается резкое возрастание расходов. Это связано с летным высоким половодьем реки Туул так, как дождь является основным питанием самой реки.

» расход_1 рзсход_11 » расход .2 » рэсхоО

Рис.5. График изменения расходов на участках 1, 2, 3 и 11 в течение реального 1996 года.

На рисунке 5 показаны изменения глубин характерных участков в течение реального 1996 года. По графикам видно, что с мая по август на участках 1,2 и 11 наблюдаются значительные глубины потока воды а в остальное время года, с ноября по апрель почти на всех участках глубины малые и средняя скорость потока мала. Это объясняется резким колебанием температуры воздуха Монголии, которое достигает +40°С.

Рис.6. График изменения глубин на участках 1, 2, 3 и 11 в течение реального

1996 года.

На рисунке 6 изображены графики изменения средних скоростей выше перечисленных характерных участков в течение реального 1996 года. Из

графиков видно, что на 2, 3 и 11 участках с апреля по сентябрь средние скорости течения воды резко увеличиваются за счет выпадения годового стока в виде дождя. На 3-м участке средняя скорость воды в среднем составляет больше чем 0.55 м/с в течение года. Это объясняется резким уклоном самого участка.

Рис.7. График изменения средних скоростей на участках 1, 2, 3 и 11 в течение

реального 1996 года.

Глава5. «Рекомендации по снижению уровней воды в р.Туул в пределах г.Улан-Батора»

В этой главе приведены расчеты основных отметок водохранилища и грунтовой плотины. Рассматривались различные варианты моделирования водохранилища и результаты моделирования сравнивались с водохозяйственными расчетами. В результате моделирования водохранилища и водохозяйственных расчетов установлены оптимальные величины основных отметок водохранилища и грунтовой плотины. Состав гидроузла входят:

1.Грунтовая плотина и при этом высота плотины 25м, отметка подошвы плотины Удна1345м, отметка мертвого объема УУМ01351м, отметка нормально подпертого уровня 7НПУ1362.2м, отметка форсированного подпертого уровня УФПУ1366.2м, отметка гребня плотины УГребеньфор1369.9м, верхний откос тв =1:2.0, нижний откос тн =1:2.5.

2.Паводковый быстроток с широким порогом с шириной В = 65 м, без затворов, при форсировке от УНПУ1362.2м до \7ФПУ1366.2м (7гф = 4.0м) обеспечивает пропуск расхода.

3 з

(} = тВу[2д-112ф = 0.34 • 65 • >/2-9.81 • 41 = 784 м3/с, (13)

где: т = 0.34 - коэффициент расхода;

3.Башенный донный водовыпуск совмещенный с ГЭС с мощностью 2.8 МВт.

N = 9.81 • (]п а ■ Н -11 =9.81 • 22 • 15 • 0.88 = 2848.8 кВт = 2.8 МВт, (14)

где: фпп = 22 м3/с - санитарный расход, (полезный попуск берется (?пп = 20-т- 30 );

Я = 15 м - напор при взвешенном расходе; 1|= 0.88 - коэффициент полезного действия.

Модель водохранилища имеет следующие параметры: V = 80 млн.м3 , СТ = 200 м3/с' поверхности = 18-5 км: при уровне воды УНПУ1362.2м.

На рисунке 8 показано изменение объемов водохранилища в течение реального 1996 года. Из графика видно, что в конце июля и в начале августа объем воды в водохранилище возрастает до пика 400 млн.м"' за счет дождевого питания и затем постепенно убывает.

Рис.8. График изменения объемов воды водохранилища в течение реального

1996 года

На рисунке 9 изображено изменение сбросов воды из водохранилища в течение реального 1996 года. График показывает, что с конца мая и с начала июня начинается сброс воды из водохранилища и постепенно увеличивается. В течение августа сброс воды достигнет пика 86 м3/с и дальше будет уменьшаться.

т л3/в

янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек

Рис.9. График изменения сбросов воды из водохранилища (на 2-ом участке проточного участка) в течение реального 1996 года

Основные выводы

Защита столицы Монголии г. Улан-Батора от паводков и селей очень актуальная задача, так как за последние 30 лет семь раз проходили большие паводки и селевые потоки, которые причинили существенный вред народному хозяйству Монголии и жителям Улан-Батора. Для разработки мероприятий по защите столицы от водной стихии и выполнена эта работа. По результатам этой работы можно сделать следующие выводы:

1. В результате определения и уточнения основных гидрологических характеристик реки Туул при удлиненном ряде наблюдений (1945-2007 гг) установлены следующие характеристики: средняя многолетняя норма стока ()о = 26,5 м3/с, средний многолетний модуль стока М0 = 4, 21 л/с км2, средний многолетний объем стока И',, = 836 • 10б м3/год, средний многолетний слой стока И0 ~ 132,6 мм/год, средний многолетний коэффициент стока ;/ = 0,44, коэффициент вариации Сг, = 0,58, коэффициент ассиметрии Су =1,18.

В качестве расчетного выбран реальный 1996г., гидрологические характеристики которого близки к году с расходом 1% обеспеченности в многолетнем распределении. Среднегодовой расход за 1996 год равен <2тв= 93,4 м3/с.

2. Исследовав противопаводковые гидротехнические сооружения города Улан-Батора, получили, что в настоящее время они не способны пропускать максимальный расход паводка с обеспеченностью 1%, так как в

течение 15-40 лет противопаводковые защитные сооружения города работали без ремонта, 30-40% сооружений находятся в аварийном состоянии.

Известно, что аккумулирование стока в водохранилищах значительно сокращает ущерб, наносимый паводками. Но таких водохранилищ на реке Туул нет и необходимо рассмотреть вариант создания водохранилища комплексного назначения.

3. В результате разработки системно-динамической модели водного баланса реки Туул в пределах г. Улан-Батора на данном участке речная система разделена на 18 частей, характеризующихся близкими гидротопографическими условиями, с учетом их хозяйственной значимости. Модели всех 18 участков работают одновременно, каждая из них представляет собой уровень модели, обменивающийся информацией с другими уровнями. Тестирование модели было выполнено путем сравнения результатов прогноза с данными гидрологических наблюдений в 1996 г, которое показало их удовлетворительное совпадение.

4. Математическое моделирование проточного участка реки Туул позволило проанализировать отметки глубин и скоростей потока воды одновременно на всех участках и при этом предложить меры по снижению пиковой глубины вызывающей подтопления в городе. В результате можно утверждать, что разработанная модель удовлетворительно описывает водный баланс речной системы реки Туул на проточных участках и дает возможность решать различные задачи расчета многоцелевых управлений водного хозяйства, построенные на принципе комплексного использования водных ресурсов.

5. Анализ гидрологических данных показал, что для снижения паводковых расходов и срезки пиковой глубины, чтобы город не затопило, необходимо создать аккумулирующее водохранилище комплексного назначения на 2-м участке проточного участка реки Туул. Для этой цели предлагается возвести грунтовую плотину высотой 25 метров с отметкой дна водохранилища Удна - 1345,0 м, с уровнем мертвого объема УУМО - 1351,0 м, УНПУ- 1362,2 м, УФПУ- 1366,2 м, УГребеньфор- 1369,9 м.

6. На основе оптимизации модели водохранилища и водохозяйственных расчетов по многолетним данным гидрометрических наблюдений (1945-2007 гг) реки Туул выбраны его параметры: объем водохранилища У= 80 млн.м3, расчетный сбросной расход <?^бросТ= ^00 м3/с, площадь зеркала водохранилища ^поверхности = 18,5 км2 при уровне воды УНПУ 1362,2 м.

7. Создание водохранилища на 2-ом участке с объемом воды 80 млн.м3 решает водохозяйственную проблему защиты города Улан-Батора от затопления. При этом возникает возможность дополнительных отборов на потребности столицы в хозяйственно-питьевой воде, совместно с подземными источниками на уровне на 2020 г. и в будущем.

8. Исследование водохозяйственных балансов по разработанной модели позволило проанализировать проблемы управления водными ресурсами Монголии в целом, и могут быть использованы для выбора необходимых водохозяйственных по перспективному обеспечению народного хозяйства водой.

9. Выполненная работа решает основную водохозяйственную проблему города Улан-Батора и ведет к главному выводу об актуальной значимости комплексного использования водных ресурсов, так как Монголия является страной с поверхностными стоками воды. Оптимальное решение комплексного использования водных ресурсов позволяет решить также различные водохозяйственные л экологические проблемы и послужит основой рационального природопользования, в конечном итоге устойчивого развития экономики Монголии.

Список публикации по теме диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях (в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ):

1.Правдивец.Ю.П, Ядмаа Туул «Водохозяйственные проблемы в городе Улан-Баторе (Монголия)» Вестннк МГСУ, 4/2010

2.Кантаржи.И.Г, Ядмаа Туул «Системно-динамическое моделирование водного баланса на реке Туул с целью разработки рекомендаций по предотвращению подтоплений города (Монголия)» Вестннк МГСУ, 7/2011

3.Правдивец.Ю.П, Ядмаа Туул, «Аккумулирующее водохранилище на реке Туул (Монголия)» Вестник МГСУ, 6/2011

4.Ддмаа Туул, «К вопросу о нынешнем состоянии противопаводковых гидротехнических защитных сооружений города Улан-Батора». Сборник научных статей Монгольского Государственного Университета Науки и Технологии, №3/55 , г.Улан-Батор, 2003г, стр 145-150

5.Ядмаа Туул и Дамиран.Д, «Об эксплуатационных особенностей противопаводковых защитных бетонных сооружений города Улан-Батора» , Ш-я международная конференция об изучении бетона, г.Улан-Батор, 14.05.2004г, стр 77-83

6.Ядмаа Туул, «Результаты сравнения противопаводковых мероприятий Монголии с зарубежными странами» Сборник научных статей Монгольского Государственного Университета Науки п Технологии, №4/75 , г.Улан-Батор, 2005г, стр 40-45

7.Ядмаа Туул, Дамиран.Д. и Ундрах.Н, «К вопросу о применении водостойкого бетона противопаводковым защитным сооружениям» , 1У-я международная конференция об изучении бетона, г.Улан-Батор, 20.05.2005г, стр 181-185