TECHNOLOGY OF FLOOD WATER ZONES MODDELING IN DOWNSTREAM POOL OF HYDROELECTRIC POWER STATION AT STRONG FLOW THROUGH ITS WATER ABSTRACTION POINTS Andrey S. Gachenko1, Alexei E. Hmelnov1, Nikolay V. Abasov2, Evgeny N. Osipchuk2 1 Matrosov Institute for System Dynamics and Control Theory SB RAS, Irkutsk, Russia 2 Melentiev Energy Systems Institute, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia Abstract The article provides a technology for estimating of potential flooding areas in the lower pool of the Irkutsk HPP at high mandatory water flow expenses through its water abstraction points, that probability has increased significantly since 2001, following the adoption by the Government of Russian Federation of a decree on strict control limits of Lake Baikal level within 456-457 m (in Pacific reference system). The article offers investigation on structure and method of digital modeling of the relief of the Angara river within 67 km in conditions of limited information (inaccuracy of the underwater and above-water relief). Keywords: flooding, expenditure, digital relief, morfostvor, coastline, morphing ТЕХНОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ИРКУТСКОЙ ГЭС ПРИ ВЫСОКИХ РАСХОДАХ ЧЕРЕЗ ЕЕ ГИДРОСТВОРЫ Гаченко А.С.(1), Хмельнов А.Е.(1), Абасов Н.В.(2), Осипчук Е.Н.(2) 1 Институт динамики систем и теории управления СО РАН, Иркутск 2 Институт систем энергетики СО РАН, Иркутск В работе приводится технология формирования оценок потенциальных зон затопления в нижнем бьефе Иркутской ГЭС при высоких вынужденных расходах воды через ее гидростворы, вероятность которых существенно возросла с 2001 года после принятия Постановления Правительства РФ о жест- ких границах регулирования уровня озера Байкал в пределах 456-457 м (в тихоокеанской системе от- счета). Рассматривается структура и способ построения цифровой модели рельефа участка р. Ангара в пределах 67 км в условиях ограниченной информации (неточность подводной и надводной частей ре- льефа). Ключевые слова: затопление, расход, цифровой рельеф, морфоствор, береговая линия, морфинг. Введение. Уровень оз. Байкал определяется притоком воды крупными и средними ре- ками в него впадающих, а также расходом воды через гидростворы Иркутской ГЭС (ИГЭС), за время эксплуатации которой максимальный расход составил 4180м3/с в 1973 году в течение суток, что привело к значительным затоплениям в ее нижнем бьефе. Согласно техническому проекту ИГЭС (1951 г.), в экстремальных случаях (менее 1% обеспеченности) допускаются расходы до 6000м3/с. Данная работа направлена на формирование прогноза зон возможного затопления в ниж- нем бьефе Иркутской ГЭС с оценками ущербов в условиях экстремальной водности на оз. Байкал и притоках р. Ангары. Подход к определению зон затопления. В настоящее время в нижнем бьефе ИГЭС име- ется несколько водопостов для ежедневного измерения уровней. Русло р. Ангара протяженно- стью более 100 км до начала Братского водохранилища имеет довольно сложную структуру с множествами островов, заводей, проток и впадений в нее крупных и мелких речек. Наиболее опасной с точки зрения затопления является зона от плотины ИГЭС до г. Ангарск протяжен- ностью 67 км. Перепад уровня реки на этом участке составляет около 22 м, что соответствует средней скорости понижения 0.3 м/км. Учитывая сложность и опасность проведения экспериментов по высоким сбросам через гидростворы ИГЭС, а также большие затраты на проведение регулярных измерений уровня реки по всему участку с уточнением границ урезов воды (береговых линий), требуется постро- ение одной или нескольких моделей ее течения для формирования оценок потенциальных зон затопления. Постоянный космомониторинг указанного района позволяет уточнять границы береговых линий с точностью в несколько метров. Показатели сканирования прибрежного ре- льефа реки также постоянно уточняются. В этой связи базовой основой моделирования установившегося (и неустановившегося) течения является построение адекватной трехмерной модели подводной части реки и ее со- пряжения с обобщенными цифровыми моделями (из разных источников) надводной части. При достаточно точной настройке модели течения с использованием базовых гидравли- ческих расчетов по заданным береговым линиям и расходам реки вдоль ее русла можно фор- мировать оценки потенциальных зон затопления. Формирование цифровой модели рельефа реки. В ходе выполнения проекта по расчёту зон затопления в нижнем бьефе Иркутской ГЭС возникла необходимость получения модели рельефа, учитывающей форму речного дна. Если надводный рельеф с разной степенью дета- лизации представлен на топографических векторных электронных картах различных масшта- бов, то информацию о подводном рельефе реки Ангары в электронном виде найти не удалось. Существующие данные о глубинах для некоторых навигаторов имеют фрагментарный харак- тер и по отзывам специалистов не отличаются какой-либо точностью. 252 Рельеф дна континентальных водоемов редко отображается на топографических картах, очень мало свежей информации о глубинах рек и даже достаточно крупных водоемов. Отсут- ствие изображения рельефа дна объясняется трудоемкостью проведения промеров. Точные и массовые промеры дна водоемов начали осуществляться только с появлением ультразвуковых способов измерения (эхолотирования). Ультразвуковые способы промеров дна требуют про- ведения непосредственных измерений с поверхности водоема. Стоимость промеров глубин остается достаточно высокой, поэтому съемки дна проводятся только по мере научной или практической необходимости с достаточным объемом финансирования. В настоящее время для больших пространств судоходных участков рек, озер и водохранилищ рельеф дна наибо- лее детально и полномасштабно отображается на специальных навигационных картах (ло- циях). Смысловая нагрузка и содержание навигационных карт подчинены целям безопасности судовождения, что ограничивает их применение в других отраслях хозяйственной деятельно- сти. Область построения цифровой модели рельефа дна определяется пространственными границами объекта исследования. В нашем случае она ограничивается береговой линией. Про- ектный уровень, к которому приводятся измеренные глубины, не соответствует положению береговой линии, которая имело место в процессе измерений. Информация о положении бе- реговой линии определяется синтетическим методом. Для этой цели используются фото- планы, топографические карты, непосредственные измерения с помощью лазерного дально- мера или информация о расстоянии от края границы промерного галса до уреза воды. Вслед- ствие этого окончательное положение линии уреза берега при проектном уровне было пред- ставлено в «бумажной» форме. Поэтому для использования ее при построении численной мо- дели рельефа применялись процедуры интерактивной оцифровки. По причине того, что поло- жение береговой линии постоянно меняется из-за колебания уровней воды, то для получения однозначного результата необходимо производить согласно значениям срезки уровня на день проведения промеров. Объект исследования, которым является река, имеет вытянутую форму, поэтому цифровые модели строятся на небольшие отрезки реки в соответствии с размером листа составляемой карты. Единственным достоверным источником по глубинам р. Ангара оказался атлас, который распространяется в бумажном виде. В связи с этим возникла необходимость оцифровки пред- ставленных там карт и их совмещения с имеющейся топоосновой. Оцифровка бумажного Атласа карт реки Ангара (рис. 1) была проведена при помощи свободно распространяемого векторизатора картографических изображений Easy Trace 7.99. Были оцифрованы: изолинии глубин, отметки точек глубины, береговая линия. Рис. 1. Результат оцифровки фрагмента р. Ангара. 253 Листы атласа ориентированы в произвольных направлениях с целью наиболее компакт- ного размещения участков реки на страницах. Для их дальнейшего использования были вы- полнены поворот и сдвиг в систему координат карты, содержащей модель рельефа. Для вы- бора параметров поворота проводилось сопоставление характерных точек контуров береговых линий (мысы, заливы, оконечности островов и т.д.) двух карт. Была реализована вспомога- тельная программа, которая вычисляет параметры преобразования по заданному списку пар координат точек и выполняет преобразование карты. Для поиска параметров преобразования используется метод наименьших квадратов. Для работы метода достаточно задать две пары соответствий точек, но использование большего их числа позволяет получить более точный результат, а также оценить эту точность по среднеквадратичному отклонению. Среднеквадра- тичное отклонение по заданным примерам при этом составляло 25-70 м. Величина отклонения объясняется наличием существенных расхождений контуров, поскольку эти расхождения мо- гут затрагивать и используемые для задания соответствия карт характерные точки. Попытка совмещения контуров векторизованной береговой линии с береговой линией топоосновы показала, что используемый атлас был подготовлен схематично, без привязки к какой-либо карте. Т.е. в атласе отражаются характерные изгибы береговой линии, но совме- стить эту линию с более точным контуром посредством поворота и сдвига невозможно. Опыт использования вычисляемого по сопоставленным характерным точкам преобразования пово- рота и сдвига показал, что получаемый результат уже не удаётся заметно улучшить дальше путём уточнения параметров преобразования. Для того, чтобы сделать возможным использование для построения модели рельефа не- достаточно точных данных, было разработано программное обеспечение для морфинга элек- тронных карт. Для выполнения морфинга необходимо найти непрерывное преобразование плоскости, которое может совместить неточные контура береговых линий с более точными. Слои береговых линий используются для совмещения карт потому, что они присутствуют на обеих картах. После этого то же преобразование применяется к другим слоям карты подвод- ного рельефа (изобатам и отметкам глубин). Полученные в результате данные оказываются лучше согласованными с информацией о надводном рельефе. Моделирование зон затопления для установившегося режима р. Ангара. Установив- шийся режим р. Ангара на исследуемом участке ИГЭС-Ангарск устанавливается через 10-15 часов после задания режима сброса воды через створы ИГЭС. При высоких расходах (более 4000 м3/с), установившийся режим будет иметь вид квазиустановившегося со значительными отклонениями за счет: размыва берегов, изменения подводного рельефа реки, колебаний при- тока р. Иркут, изменения скоростей реки из-за различного сопротивления дна и по ряду других возможных причин. В этой связи, модель зон потенциальных затоплений носит оценочный характер, требующей детальных исследований при высоких расходах. Рис. 2. Морфостворы. 254 Для расчета зон затопления была разработана оригинальная модель в виде задания боль- шого набора базовых морфостворов (рис. 2), отражающих основные разветвления/соединения ее рукавов и находящихся на расстояниях 400-700 метров друг от друга. Морфостворы выби- рались таким образом, чтобы их продолжения вдоль левого и правого берегов не пересекались при поднятии уровня до 5-ти метров. Весь участок ИГЭС – г. Ангарск разбит на 4 зоны. На основе выбранных направляющих морфостворов сформированы контуры их попе- речных сечений в виде зависимости высоты от расстояния до крайней точки левого берега морфоствора. Предполагается, что уровень воды вдоль всех водных участков морфоствора яв- ляется одинаковым. Технология расчёта зон затопления. Методом итераций для малого изменения уровня реки проведены расчеты указанных показателей с задаваемой ошибкой по заданным и рассчи- танным расходам. Для заданного расхода выполнен расчет морфометрических характеристик для каждого из морфостворов, начиная с последнего, для которого определяется уровень на основе средней скорости по формуле Шези. Коэффициенты шероховатости для начальных расчетов разде- лены на 2 части: русловую в диапазоне 0.02 – 0.05 и пойменную в диапазоне 0.05 – 0.07. Уточ- нение коэффициентов шероховатости производится через верификацию уровней для несколь- ких гидрологических пунктов (ИГЭС, о. Юность, г. Иркутск, речной порт, Боково, Ангарск) по имеющимся статистическим показателям суточных уровней р. Ангара (1971, 1973, 1983 гг.). После итерационных процедур уточнения уровня в каждом базовом морфостворе фор- мируется структура их характеристик, на основе которых определяются параметры промежу- точных морфостворов с равномерным по длине изменением уровня водной поверхности и про- веркой гидравлических показателей. Заключение. В результате данной работы на основе данных цифровой модели было вы- полнено моделирование границ зон затопления в нижнем бьефе для установившегося режима р. Ангара при разных расходах через гидротехнические сооружения Иркутской ГЭС (от 3000 до 6000 м3/с учётом расхода р. Иркут). По результатам проведенного моделирования были определены границы береговых линий р. Ангара на участке от Иркутской ГЭС до г. Ангарск, построены карты зон затопления с использованием космических снимков из открытых карто- графических источников (рис. 3) и цифровых карт различных масштабов, по которым сфор- мирован предварительный перечень объектов потенциального риска затоплений с нанесением контуров затопления при различных режимах водности. Данная методика позволяет проводить регулярное обновление расчетов при уточнении данных цифрового рельефа и показателей расходов через створы ГЭС в режиме реального времени. Рис. 3. Пример визуализации зон затопления при различных расходах Иркутской ГЭС. 255 Работа выполнена при поддержке Центра коллективного пользования ИНЦ ФАНО (ЦКП ИРНОК http://net.isc.irk.ru/), в рамках грантов РФФИ № 16-37-00411, проектов Про- граммы № I.33П фундаментальных исследований Президиума РАН и интеграционной про- граммы «Фундаментальные исследования и прорывные технологии как основа опережающего развития Байкальского региона и его межрегиональных связей» № 0341-2016-001. ЛИТЕРАТУРА [1] Никитин В.М., Савельев В.А., Бережных Т.В., Абасов Н.В. Гидроэнергетичские проблемы озера Байкал: прошлое и настоящее // Регион: экономика и социолгия. 2015. № 3(87). С. 273-295. [2] Бычков И.В., Никитин В.М. Регулирование уровня озера Байкал: проблемы и возможные реше- ния // География и природные ресурсы. 2015. № 3. С. 5-16. [3] Абсов Н.В., Осипчук Е.Н., Никитин В.М., Бережных Т.В. Формирование и визуализация зон за- топления в нижнем бьефе Иркутской ГЭС / Актуальные проблемы науки Прибайкалья, вып. 1. Иркутск: Изд. Института географии СО РАН, 2015. С. 6-12. [4] Грушевский М.С. Волны попусков и паводков в реках. 2015. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 340 с. [5] Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек. Л: Гидрометеоиздат, 1981. 308 с. 256