В условиях неравномерного распределения водных ресурсов по территории Российской Федерации, наличия районов страны с их дефицитом или избытком, а также роста водопотребления для нужд населения и экономики страны в целом требуется рациональный и комплексный подход по их использованию и управлению. Одним из возможных решений данного вопроса является оптимизация режимов работы гидроузлов комплексного назначения, поэтому разработку информационно-аналитического инструментария для управления режимами работы водохранилища можно считать одним из способов ее достижения [1, с. 11].
Цель исследования: проведение оценки эффективности информационно-аналитического инструментария для управления режимами работы Белгородского водохранилища как одного из мероприятий оптимизации режимов работы гидроузлов комплексного назначения.
Материалы и методы исследования
Информационной базой послужили сведения о фактических режимах работы Белгородского водохранилища, данные о современном уровне водопотребления на водохозяйственном участке 05.01.04.001.01 – р. Северский Донец от истока до створа Белгородского гидроузла, а также инструментарий разработанного комплекса.
В качестве основных методов исследования были использованы эмпирический (изучение и анализ имеющихся сведений) и теоретический (моделирование) методы исследования.
Результаты исследования и их обсуждение
Белгородское водохранилище осуществляет сезонное регулирование стока р. Северский Донец для целей водоснабжения Белгородского промышленного района и частично г. Шебекино, улучшения санитарного состояния р. Северский Донец, орошения сельхозугодий, прилегающих к водохранилищу, любительского и спортивного рыболовства, отдыха жителей г. Белгорода и прилегающих районов, а также для обеспечения гарантированных расходов воды в пограничном с Украиной створе.
Основным источником питания рек в бассейне р. Северский Донец являются талые снеговые воды, поэтому его водный режим характеризуется выраженным весенним половодьем и низкой меженью в остальное время года. Весенний подъем уровней в р. Северский Донец начинается в конце февраля – начале марта. Пик половодья наблюдается в большинстве случаев в марте. Половодье продолжается 1,5–2 месяца, а в годы с затяжной весной длительность половодья увеличивается до 2,5–3 месяцев.
Последующий летне-осенний период характеризуется длительным стоянием низких уровней воды, иногда нарушаемых кратковременными дождевыми паводками.
Зимняя межень устанавливается в конце ноября и заканчивается в конце февраля – начале марта; ее продолжительность составляет 70–120 дней. Зимний период отличается устойчивостью уровней, которые по своей величине несколько выше уровней летней межени [2–4]. Основные характеристики Белгородского водохранилища приведены в табл. 1 [5].
Таблица 1
Основные технико-эксплуатационные характеристики Белгородского водохранилища
|
№ п/п |
Наименование параметров |
Единицы измерения |
Значения |
|
Естественные водные ресурсы в створе гидроузла |
|||
|
1 |
Средний годовой сток |
млн м3 |
234,9 |
|
2 |
Сток 0.1 % обеспеченности |
млн м3 |
577,11 |
|
3 |
Сток 1 % обеспеченности |
млн м3 |
475,88 |
|
4 |
Сток 5 % обеспеченности |
млн м3 |
392,94 |
|
5 |
Сток 25 % обеспеченности |
млн м3 |
288,87 |
|
6 |
Сток 50 % обеспеченности |
млн м3 |
226,11 |
|
7 |
Сток 75 % обеспеченности |
млн м3 |
170,93 |
|
8 |
Сток 95 % обеспеченности |
млн м3 |
106,91 |
|
Характерные проектные уровни воды водохранилища (у плотины) |
|||
|
1 |
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) |
м |
114,5 |
|
2 |
Нормальный подпорный уровень (НПУ) |
м |
114,5 |
|
3 |
Уровень мертвого объема (УМО) |
м |
110 |
|
4 |
Уровень предполоводной сработки (УПС) |
м |
113,5 |
|
Топографическая характеристика водохранилища |
|||
|
1 |
Объем водохранилища при ФПУ |
млн м3 |
76 |
|
2 |
Объем водохранилища при НПУ |
млн м3 |
76 |
|
3 |
Объем водохранилища при УМО |
млн м3 |
7,88 |
|
4 |
Полезный объем |
млн м3 |
68,12 |
|
5 |
Площадь зеркала при ФПУ |
км2 |
23,1 |
|
6 |
Площадь зеркала при НПУ |
км2 |
23,1 |
|
7 |
Площадь зеркала при УМО |
км2 |
7,6 |
Для оценки современного состояния Белгородского водохранилища был выполнен анализ фактического режима работы водохранилища за период 2010/2011–2019/2020 гг. (здесь и далее по тексту указываются водохозяйственные годы (в/х)). Фактические значения годового стока р. Северский Донец в створе Белгородского гидроузла за период 2010/2011–2019/2020 гг. приведены в табл. 2.
Таблица 2
Фактический годовой сток р. Северский Донец к Белгородскому водохранилищу за период 2010/2011–2019/2020 гг.
|
В/х год |
2010/ 2011 |
2011/ 2012 |
2012/ 2013 |
2013/ 2014 |
2014/ 2015 |
2015/ 2016 |
2016/ 2017 |
2017/ 2018 |
2018/ 2019 |
2019/ 2020 |
|
Объем млн м3 |
101,7 |
88,8 |
86,9 |
111,9 |
85,9 |
86,7 |
165,8 |
138,6 |
219,4 |
139,4 |
Согласно данным, полученным из электронного журнала состояния и режимов работы Белгородского водохранилища, содержащего сведения о фактических режимах работы водохранилищ, выявлено, что за рассматриваемый период:
1) максимальное наполнение Белгородского водохранилища наблюдалось 13.04.2017 – 17.04.2017, 19.04.2017, 13.04.2019 – 26.04.2019 до отметки 114,5 м в балтийской системе высот (БС), минимальное – 111 мБС (31.10.2018 – 06.11.2018). Наполнение выше НПУ 114,5 мБС не осуществлялось. Снижение отметок уровней воды в водохранилище ниже УМО 110 мБС не осуществлялось;
2) приток к водохранилищу за выбранный период составил 1225,1 млн м3. Максимальное значение суточного притока к водохранилищу расходом 38,2 м3/с наблюдалось 12.04.2018, минимальное значение 0,2 м3/с наблюдалось 29.07.2010, 20.08.2010, 23.08.2010 – 25.08.2010, 08.11.2010 – 09.11.2010, 11.06.2015, 09.07.2015, 14.07.2015, 09.08.2015 – 10.08.2015, 21.08.2015, 27.08.2015;
3) попуск в нижний бьеф водохранилища за выбранный период составил 1120,38 млн м3;
4) максимальный сбросной расход 23,35 м3/с 25.04.2018 – 27.04.2018, минимальный – 0,9 м3/с 03.10.2012, 07.06.2017 – 08.08.2017;
5) объемы водохранилища изменялись в пределах от 76 млн м3 до 16,88 млн м3. Процент наполнения изменялся в пределах от 100 % до 13,21 % [6].
Анализ водохозяйственной ситуации в бассейне р. Северский Донец показал, что за период 2010/2011–2019/2020 гг. лишь в 2018–2019 в/х году фактический годовой сток к Белгородскому водохранилищу практически достиг объема стока среднего по водности года 50 % обеспеченности. В 2016/2017 в/х году фактический объем стока находился на уровне стока для года 75 % обеспеченности, тогда как в период 2010/2011–2015/2016 гг. наблюдалась череда маловодных лет, а в 2017/18–2019/2020 в/х годах объем стока находился на границе объема стока для лет 75 % и 95 % обеспеченности (рис. 1).
Рис. 1. Фактический годовой объем стока к Белгородскому водохранилищу за период 2010/11–2019/20 гг. относительно объема стока различной обеспеченности
Рис. 2. Хронологический график годового объема стока р. Северский донец к Белгородскому водохранилищу
Кроме того, анализ данных на продленном хронологическом графике годового стока р. Северский Донец к Белгородскому водохранилищу свидетельствует о наличии тенденции уменьшения объема годового стока (рис. 2) [3, 7]. Для продления гидрологического ряда на период 2010/2011–2019/2020 гг. были использованы данные о фактических годовых объемах стока р. Северский Донец к Белгородскому водохранилищу [6].
Ввиду сложной водохозяйственной обстановки в бассейне р. Северский Донец, разработки и ввода в постоянную эксплуатацию информационно-аналитического блока контроля состояния и режимов работы водохранилищ, анализа соответствия фактических режимов действующим Правилам использования водных ресурсов в составе Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО), а также с учетом разработки проекта правил использования водных ресурсов Белгородского водохранилища возникла необходимость в создании информационно-аналитического инструментария для управления Белгородским водохранилищем [3, 8, 9].
Информационно-аналитический инструментарий для управления режимами работы Белгородского водохранилища на р. Северский Донец предназначен для достижения максимальной эффективности использования водных ресурсов и работы гидроузла Белгородского водохранилища. Инструментарий обеспечивает возможность оперативного расчета и корректировки вариантов режимов работы водохранилища с учетом поступающих прогнозов приточности к створу гидроузла при пропуске половодий в период летне-осенней межени и в предполоводный период [10].
Структура информационно-аналитического инструментария для управления режимами работы Белгородского водохранилища представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура информационно-аналитического инструментария для управления режимами работы Белгородского водохранилища
В настоящее время информация о прогнозах приточности воды к створу Белгородского гидроузла на период половодья отсутствует. В соответствии с этим в комплексе предусмотрена возможность поиска, обработки и корректировки подходящего гидрографа приточности воды к водохранилищу за ретроспективный период по заданным характеристикам половодья, таким как объем половодья, максимальный расход, даты начала и конца половодья и дата прохождения пика половодья.
Также стоит отметить, что информационно-аналитический инструментарий Белгородского водохранилища успешно интегрирован с программным информационно-аналитическим комплексом анализа режимов работы водохранилищ (ПИАК), что позволяет использовать актуальную информацию о фактическом режиме работы Белгородского водохранилища (сведения о приточности воды к водохранилищу, сбросу в нижний бьеф и уровне верхнего бьефа).
В качестве примера работы информационно-аналитического инструментария было проведено моделирование основных режимов работы Белгородского водохранилища: предполоводной сработки, пропуска весеннего половодья, а также работы водохранилища в период межени для разных по водности лет (50 %, 75 %, 95 % обеспеченности) (рис. 4). Результаты смоделированных расчетов представляются в графической и табличной форме. Табличная форма представления результатов выполнена в виде расчета водохозяйственного баланса (ВХБ) (табл. 4–6). Данные условно-естественного стока р. Северский Донец в створе Белгородского гидроузла для водохозяйственных лет (50 %, 75 %, 95 % обеспеченности), использованные для расчета, приведены в табл. 3 [3].
Рис. 4. Совмещенный график моделирования основных режимов работы Белгородского водохранилища в условиях различной водности
Таблица 3
Условно-естественный сток р. Северский Донец в створе Белгородского гидроузла для водохозяйственных лет (50 %, 75 %, 95 % обеспеченности)
|
В/х год |
Месяцы |
Объем, млн м3 |
|||||||||||
|
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
I |
II |
||
|
50 % |
12,4 |
23,5 |
4,3 |
3,5 |
4,4 |
3,4 |
4,1 |
5,9 |
5,3 |
4,3 |
7,2 |
5,9 |
221,9 |
|
75 % |
5,5 |
15,7 |
4,7 |
1,9 |
1,4 |
2,8 |
3,3 |
2,4 |
5,2 |
3,9 |
2,8 |
16,5 |
171,9 |
|
95 % |
6,2 |
3,5 |
1,8 |
1,8 |
1,6 |
0,9 |
3,5 |
6,5 |
6,5 |
2,1 |
2,5 |
1,9 |
101,8 |
Таблица 4
Пример расчета приходной части ВХБ для года 95 % обеспеченности при пропуске половодья
|
Наименование составляющей |
Итого млн м3 |
Март |
Апрель |
||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
||
|
Приходная часть: |
|||||||
|
1. Сток на участке |
25,799 |
7,6 |
5,6 |
5,6 |
3,9 |
3,7 |
2,9 |
|
2. Подзем воды, не связанный с поверхностным стоком |
6,282 |
1,192 |
1,192 |
1,192 |
1,192 |
1,192 |
1,192 |
|
3. Сработка прудов и водохранилищ |
0,532 |
0,101 |
0,101 |
0,101 |
0,101 |
0,101 |
0,101 |
|
4. Возвратные воды на участке |
7,51 |
1,425 |
1,425 |
1,425 |
1,425 |
1,425 |
1,425 |
|
4.1. Коммунально-бытовые |
6,609 |
1,254 |
1,254 |
1,254 |
1,254 |
1,254 |
1,254 |
|
4.2. Промышленные |
0,29 |
0,055 |
0,055 |
0,055 |
0,055 |
0,055 |
0,055 |
|
4.3. Рыбного хозяйства |
0,611 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
|
Итого: |
40,123 |
10,318 |
8,318 |
8,318 |
6,618 |
6,418 |
5,618 |
Таблица 5
Пример расчета расходной части ВХБ для года 95 % обеспеченности при пропуске половодья
|
Наименование составляющей |
Итого млн м3 |
Март |
Апрель |
||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
||
|
Расходная часть: |
|||||||
|
1. Коммунально-бытовое водоснабжение |
7,199 |
1,366 |
1,366 |
1,366 |
1,366 |
1,366 |
1,366 |
|
2. Промышленное водоснабжение |
3,257 |
0,618 |
0,618 |
0,618 |
0,618 |
0,618 |
0,618 |
|
3. Орошение |
0,084 |
0,016 |
0,016 |
0,016 |
0,016 |
0,016 |
0,016 |
|
4. Сельскохозяйственное водоснабжение |
0,179 |
0,034 |
0,034 |
0,034 |
0,034 |
0,034 |
0,034 |
|
5. Рыбное хозяйство |
0,611 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
0,116 |
|
6. Наполнение прудов и водохранилищ |
0,538 |
0,102 |
0,102 |
0,102 |
0,102 |
0,102 |
0,102 |
|
7. Потери в прудах и водохранилищах |
0,216 |
0,041 |
0,041 |
0,041 |
0,041 |
0,041 |
0,041 |
|
Итого: |
12,084 |
2,293 |
2,293 |
2,293 |
2,293 |
2,293 |
2,293 |
Таблица 6
Пример расчета попусков, потерь и режима водохранилища в ВХБ для года 95 % обеспеченности при пропуске половодья
|
Наименование составляющей |
Итого млн м3 |
Март |
Апрель |
||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
||
|
Попуски: |
|||||||
|
1. Санитарная проточность |
5,27 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
2. Дополнительный гарантированный попуск |
10,541 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
3. Холостой сброс |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Итого: |
15,811 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
Потери: |
|||||||
|
1. Потери из водохранилища на доп. испарение |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Итого: |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Режим водохранилища, млн.м3: |
|||||||
|
Наполнение |
12,228 |
4,342 |
2,614 |
2,875 |
1,145 |
0,972 |
0,281 |
|
Опорожнение |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Объем воды в водохранилище |
59,762 |
62,375 |
65,25 |
66,395 |
67,367 |
67,648 |
|
|
Отметка уровня, м |
113,73 |
113,86 |
114,01 |
114,06 |
114,11 |
114,12 |
|
|
% наполнения |
78,63 |
82,07 |
85,86 |
87,36 |
88,64 |
89,01 |
|
|
Свободная емкость |
16,238 |
13,625 |
10,75 |
9,605 |
8,633 |
8,352 |
|
|
Дефицит |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
В качестве основных условий для моделируемых режимов работы водохранилища были выбраны следующие:
– уровень на начало предполоводной сработки (1 ноября) установлен 113,56 мБС;
– уровень воды в водохранилище на момент окончания предполоводной сработки (28 февраля) должен быть установлен на отметке не выше 113,5 мБС;
– использованы данные современного уровня водопотребления на водохозяйственном участке 05.01.04.001.01 – р. Северский Донец от истока до створа Белгородского гидроузла.
Заключение
Полученные результаты моделирования основных режимов работы Белгородского водохранилища свидетельствуют о том, что выполненные с помощью информационно-аналитического инструментария (ИАИ) расчеты позволяют эффективно использовать водные ресурсы водохранилища. На основе выполненных расчётов осуществляется автоматизированная подготовка информационно-аналитических материалов, что несомненно, способствует повышению оперативности принятия решений при управлении режимами работы Белгородского водохранилища.
Одним из достоинств ИАИ Белгородского водохранилища является возможность выбора варианта расчета водохозяйственного баланса для разных режимов работы водохранилища с учетом диспетчерского графика, что позволяет автоматически определять зоны и назначение соответствующих отдач для каждого интервала времени.
Следует отметить, что использование информационно-аналитического инструментария для управления режимами работы водохранилищ является одним из мероприятий, способствующих обеспечению устойчивого водопользования [11].
Информационно-аналитический инструментарий для управления режимами работы Белгородского водохранилища на р. Северский Донец успешно внедрен на рабочих местах отдела водных ресурсов Белгородской области Донского бассейнового водного управления.