Вимірювання потоку та осаду для проекту «Три ущелини»

Анотація
Проблема потоку та осаду є одним з ключових факторів, що впливають на диспетчерську роботу та термін служби проекту «Три ущелини» (TGP). Для дослідження проблем потоку та осаду TGP під час його демонстрації, планування, проектування, будівництва та експлуатації було застосовано багато підходів, і було отримано багато важливих результатів. Щоб зрозуміти прогрес вимірювання потоку та осаду в репрезентативних проектах Китаю та досвід спостереження за осадом у надвеликих водосховищах, у цій статті в основному представлено вимірювання потоку та осаду TGP. Вона включає загальний стан TGP, розподіл мережі гідрологічних станцій, фактори вимірювання, нову технологію вимірювання та зміни осаду у водосховищі та нижче за течією після затоплення TGP. Результати вимірювання осаду показують, що базовий стан проблем з осадом є добрим, і ці проблеми з осадом, ймовірно, можуть накопичуватися, розвиватися та трансформуватися з часом, тому їм слід приділяти постійну увагу.

1 ВСТУП
Проект «Три ущелини» (ПТУ) – це найбільший у світі проект з охорони водних ресурсів та розвитку гідроенергетики. Гребля розташована в Саньдоупіну, місто Ічан, провінція Хубей, що є розділовою лінією між середньою течією та верхів’ям магістралі річки Янцзи. Вона контролює площу водозбірного басейну в 1 мільйон км², а середньорічний об’єм стоку сягає 451 000 мільйонів м³. Зі ємністю водосховища для зберігання води в повенях 22,15 мільярда кубічних метрів, проект відіграє важливу роль у боротьбі з повенями в басейні річки Янцзи. З нормальним рівнем водозбору 175 м загальна ємність водосховища становить 39 300, з яких 22 150 мільйонів м³ – це ємність для контролю повеней. Розробка ПТУ зосереджена на запобіганні повеням, виробництві електроенергії та покращенні водного транспорту. Це також покращить екологічне середовище. За цей період було досягнуто комплексних переваг щодо боротьби з повенями, судноплавства, виробництва електроенергії та використання водних ресурсів.

Як ключова частина системи боротьби з повенями в середній та нижній течії річки Янцзи, дамба контролює 96% притоку до річки Цзінцзян, найнебезпечнішої ділянки річки під час повеней, та понад дві третини притоку до Уханя. Дамба відіграє незамінну роль у пом'якшенні наслідків повеней та зменшенні масштабних повеней у верхній течії річки Янцзи. До кінця серпня дамба стримала 180 мільярдів кубічних метрів води під час сезонів повеней. У 2010 та 2012 роках вона зафіксувала приплив понад 70 000 кубічних метрів на секунду та зменшила піки повеней приблизно на 40%, що значно послабило тиск на боротьбу з повенями в районах нижче за течією. У посушливі сезони скиди води збільшувалися до понад 5500 кубічних метрів на секунду, забезпечуючи понад 20 мільярдів кубічних метрів води на рік для середньої та нижньої течії річки Янцзи.

Прототип спостережень виконано для дослідження осаду, будівництва та експлуатації ТГУ в різні періоди. Прототипні вимірювання були використані для аналізу коливань стоку та навантаження осаду в головному руслі річки Янцзи, а також змін та еволюції русла річки. Розподіл ділянок показано на рисунку 1. Поточні результати спостережень в основному відповідають стадії техніко-економічного обґрунтування (Lu & Huang, 2013), але через зменшення осаду вище за течією та будівництво каскадних водосховищ на річці Цзіньша після 1990-х років, седиментація водосховища Три Ущелини (TGR) набагато менша, ніж раніше, що призводить до більшої інтенсивності та відстані ерозії русла річки нижче за течією від ТГУ.

2 ПРОЕКТУВАННЯ ГІДРОЛОГІЧНОЇ МЕРЕЖІ ТА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ
Для збору основних даних та надання послуг з будівництва басейнових споруд, Комісія з водних ресурсів Янцзи з 1950-х років поступово створила велику кількість гідрологічних станцій вздовж головної течії та приток річки Янцзи. До 1990-х років була в основному сформована повна мережа гідрологічних станцій та мережа моніторингу осаду. Вона включає 118 гідрологічних станцій та понад 350 гідрографічних станцій. Крім того, було виконано великий обсяг робіт з річкових досліджень та аналізу осаду. Дані гідрологічних та осадочних спостережень за останні десятиліття протягом кількох поколінь забезпечили наукову основу для демонстрації, проектування, будівництва та експлуатації ТГП.

Прототип спостереження виконано для потреб дослідження осаду, будівництва та експлуатації резервуару TGR у різні періоди. Після початку зберігання у водосховищі у 2003 році проблема з осадом виникла як у верхній, так і в нижній течії, тому прототип спостереження та відповідні дослідження осаду були виконані безпосередньо для потреб експлуатації TGP. Мета спостереження включає такі аспекти: опанування фонових даних про стан природного русла перед повним забором; визначення довідкової інформації для прийняття рішення щодо плану встановлення поетапного забору; моніторинг у режимі реального часу змін ерозії та відкладень як у верхній, так і в нижній течії після забору, а також виявлення проблем для своєчасного вжиття контрзаходів; перевірка застосованої технології моделювання та підвищення достовірності прогнозування осаду TGP.

Діапазон спостережень за прототипами гідрологічних відкладень охоплює район водосховища, місце розташування дамби та нижню течію. З 1949 року, на основі тривалих вимірювань відкладень, спостережень за руслом, розвідки та дослідження, було накопичено багато даних прототипних спостережень та результатів аналітичних досліджень, що задовольняє потреби планування, проектування та наукових досліджень на етапі визначення. Фаза будівництва є проміжною після профази, а загальний період будівництва становить 17 років, тому необхідно постійно спостерігати за змінами стоку, відкладень та граничних умов. Це не лише забезпечує залежність для проектування, наукових досліджень, будівництва та експлуатації, але й для перевірки та оптимізації проекту та регулювання.

Фактори моніторингу включають головним чином гідрологію, осадочні породи та рельєф русла. Дослідження рельєфу русла проводиться головним чином для того, щоб визначити закономірність еволюції русла в основному, відкладення осаду у водосховищі, ерозію нижче за течією та еволюцію ключових ділянок після заповнення водосховища.

2 ПРОЕКТУВАННЯ ГІДРОЛОГІЧНОЇ МЕРЕЖІ ТА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ
Для збору основних даних та надання послуг з будівництва басейнових споруд, Комісія з водних ресурсів Янцзи з 1950-х років поступово створила велику кількість гідрологічних станцій вздовж головної течії та приток річки Янцзи. До 1990-х років була в основному сформована повна мережа гідрологічних станцій та мережа моніторингу осаду. Вона включає 118 гідрологічних станцій та понад 350 гідрографічних станцій. Крім того, було виконано великий обсяг робіт з річкових досліджень та аналізу осаду. Дані гідрологічних та осадочних спостережень за останні десятиліття протягом кількох поколінь забезпечили наукову основу для демонстрації, проектування, будівництва та експлуатації ТГП.

Прототип спостереження виконано для потреб дослідження осаду, будівництва та експлуатації резервуару TGR у різні періоди. Після початку зберігання у водосховищі у 2003 році проблема з осадом виникла як у верхній, так і в нижній течії, тому прототип спостереження та відповідні дослідження осаду були виконані безпосередньо для потреб експлуатації TGP. Мета спостереження включає такі аспекти: опанування фонових даних про стан природного русла перед повним забором; визначення довідкової інформації для прийняття рішення щодо плану встановлення поетапного забору; моніторинг у режимі реального часу змін ерозії та відкладень як у верхній, так і в нижній течії після забору, а також виявлення проблем для своєчасного вжиття контрзаходів; перевірка застосованої технології моделювання та підвищення достовірності прогнозування осаду TGP.

Діапазон спостережень за прототипами гідрологічних відкладень охоплює район водосховища, місце розташування дамби та нижню течію. З 1949 року, на основі тривалих вимірювань відкладень, спостережень за руслом, розвідки та дослідження, було накопичено багато даних прототипних спостережень та результатів аналітичних досліджень, що задовольняє потреби планування, проектування та наукових досліджень на етапі визначення. Фаза будівництва є проміжною після профази, а загальний період будівництва становить 17 років, тому необхідно постійно спостерігати за змінами стоку, відкладень та граничних умов. Це не лише забезпечує залежність для проектування, наукових досліджень, будівництва та експлуатації, але й для перевірки та оптимізації проекту та регулювання.

Фактори моніторингу включають головним чином гідрологію, осадочні породи та рельєф русла. Дослідження рельєфу русла проводиться головним чином для того, щоб визначити закономірність еволюції русла в основному, відкладення осаду у водосховищі, ерозію нижче за течією та еволюцію ключових ділянок після заповнення водосховища.

Радарний датчик швидкості потоку рівня води для таких сценаріїв, як греблі, відкриті канали та підземні трубопровідні мережі, він може відстежувати дані в режимі реального часу