Моделирование режимов попусков из Ассуанского водохранилища с учетом требований природно-хозяйственного комплекса нижнего течения р. Нил

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Моделирование режимов попусков из Ассуанского водохранилища с учетом требований природно-хозяйственного комплекса нижнего течения р. Нил

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При использовании водных ресурсов характерным является столкновение интересов общества и окружающей природной среды. Интересы общества выражаются в виде требований, предъявляемых к источникам природных вод, с целью удовлетворения потребностей в свежей воде. На этом фоне интересы окружающей природной среды проявляются в виде сохранения объема, режима и естественного состава природных вод близкими к естественным условиям.

Наиболее реально столкновение интересов общества и природы проявляется при создании и функционировании водохранилищ комплексного назначения, осуществляющих коренное преобразование водных ресурсов во времени и пространстве.

К числу таких водохранилищ относится и водохранилище Асуанского гидроузла на р. Нил - одно из крупнейших водохранилищ мира. С созданием этого водохранилища резко изменился водный режим и сток наносов в нижнем течении и дельте р. Нил. До сооружения высотной Асуанской плотины на участке Асуан - вершина дельты безвозвратные потери стока составляли 10-20 куб. км/год и в дельту поступало 60-70 куб. км/год и до 60 млн. куб. м. наносов. В настоящее время в силу интенсивного использования водных ресурсов не только в низовьях р. Нил, но и в ее верхнем и среднем течении, приток в дельту и сток в Средиземное море резко сократился (до 3-5 куб. км в год в маловодные годы). Это способствовало интрузии морских вод в водотоки дельты, увеличивая минерализацию воды в них до 1 г/л. Все это существенно ухудшило экологическую ситуацию в нижнем течении и дельте р. Нил. Кроме того, ликвидация затопления пойменных земель лишила их естественного источника удобрений в виде отложений плодородного ила, что потребовало дополнительных затрат для повышения плодородия возделываемых земель.

Одновременно создание столь значительного водохранилища (полный объем 168 куб. км, а площадь водного зеркала около 6500 кв. км.) в условиях аридной зоны сопряжено со значительными потерями воды на испарении с его водной поверхности, достигающими 20 куб. км в год. Немаловажное значение приобретают в этих условиях и вопросы заиления чаши водохранилища за период его эксплуатации. Следует отметить, что опыт эксплуатации водохранилищ Центральной Азии показывает, что наряду с гидрометеорологическими условиями на величину потерь на испарение и динамику заиления оказывает режим работы водохранилища.

В связи с этим исследование режимов функционирования водохранилища Асуанского гидроузла и на этой основе создание комплексной методики определения рационального попускового режима для удовлетворения требований населения и хозяйства Египта с учетом улучшения экологической обстановки в нижнем течении и дельте р. Нил является весьма своевременным и актуальным.

Цель и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается, во-первых, в исследовании закономерностей функционирования водохозяйственного комплекса водохранилища Асуанского гидроузла и, во-вторых, в совершенствовании методики выбора рационального режима попуска из водохранилища, обеспечивающего устойчивое функционирование природно-хозяйственного комплекса нижнего течения и дельты р. Нил. Для реализации поставленных целей потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:

· анализ современных методов управления водными ресурсами водохранилищ многоцелевого назначения;

· анализ и оценка межгодовой изменчивости стока р. Нил с целью обоснования расчетного притока воды в водохранилище;

· анализ и оценка потерь воды на испарение с водной поверхности и разработка методики его определения для условий водохранилища Асуанского гидроузла;

· оценка стока наносов и растворенных веществ в нижнем течении и дельте р. Нил;

· разработка имитационной модели функционирования Асуанского водохозяйственного комплекса;

· моделирование попускового режима водохранилища Асуанского гидроузла в изменяющихся природно-хозяйственных условиях.

Методика и объект исследования. Общим методическим положением является теория системного анализа и современные подходы к моделированию режимов функционирования сложных водохозяйственных систем речных бассейнов аридной зоны. Задача моделирования попускового режима водохранилища Асуанского гидроузла формулируется как задача управления большими системами с учетом всех внешних и внутренних связей. В качестве математического аппарата используется принцип имитационного моделирования, реализующий алгоритм максимального потока в сетях. В качестве критерия при этом используется так называемый критерий справедливых уступок.

Объектом исследований является водохозяйственный комплекс (ВХК) водохранилища Асуанского гидроузла на р. Нил.

Научная новизна. В методической части работы исследованы особенности ВХК речного бассейна аридной зоны с позиции системного подхода. Выявлены особенности условий функционирования сложных водохозяйственных систем (ВХС) и установлены существующие взаимосвязи между ВХС и обществом, с одной стороны, и с природной средой, с другой.

Конкретно научная новизна работы заключается в следующем:

· установлены отличительные черты современного подхода к задачам определения рациональных режимов работы водохранилищ многоцелевого назначения;

· выявлены социально-экономические и эколого-водохозяйственные функции, обеспечивающие устойчивое функционирование ВХС речного бассейна;

· разработана методика оценки приточности речных вод в водохранилище, учета потерь воды на испарение и динамики заиления;

· впервые для ВХК водохранилища Асуанского гидроузла разработана имитационная модель его функционирования для обоснования принятия решений по назначению комплексного попуска в его нижний бьеф, учитывающего интересы общества и природы;

· проанализирована и дана оценка эффективности комплексного попуска в условиях различной водности при разных начальных наполнениях водохранилища и уровнях развития водопотребления.

Практическая ценность работы. На основе полученных результатов разработана методика расчета режимных параметров, включая режим попусков, ВХК водохранилища Асуанского гидроузла. Данная методика представляет собой инструмент для моделирования режимов функционирования в изменяющихся природно-хозяйственных условиях. Предложенная методика может быть использована для построения диспетчерских правил управления водными ресурсами водохранилища Асуанского гидроузла.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных моделирования и материалов наблюдений, а также использованием современных подходов имитационного моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы, одна из которых опубликована в журнале «Мелиорация и водное хозяйство», входящим в список ВАК.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях:

"1^st International conference of civil engineering science" 7-8 October, Assiut - Egypt 2003; "Second international conference on great rivers attractors for local civilization " 12-14 October, Assiut - Egypt 2003; "Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России" 21-23 Апреля, Москва 2005 г.; "Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем" 17-20 Апреля, Москва 2006 г.; "Роль обустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК" 23-25 апреля, Москва 2007 г. и научных семинарах кафедры гидрологии, метеорологии и регулирования стока МГУП.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 264 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунок, 18 таблицу и список литературы из 139 наименований.

Основное содержание работы

водохранилище река испарение гидроузел

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов и структура работы.

Первая глава посвящена анализу существующих, и используемых в настоящее время, методов моделирования сложных водохозяйственных комплексов (ВХК). Изложено современное состояние вопроса определения основных параметров функционирования водохранилищ в изменяющихся природно-хозяйственных условиях.

Установлено, что функции, которые выполняет ВХК, сложны и разнообразны: распределение водных ресурсов между участниками комплекса, обеспечение санитарных, рыбохозяйственных, транспортных и других попусков воды из водохранилищ, управление работой водопропускных и водозаборных сооружений, контроль качества воды. В последние годы на первый план выдвигаются еще и такие функции, как охрана окружающей среды, предотвращение загрязнения и нарушения экологического равновесия, рекреация.

В сложных условиях взаимодействия природы и общества при создании ВХК и переходе к интенсивному комплексному использованию водных ресурсов нельзя рассматривать управление водохранилищем только как управление изолированным гидротехническим сооружением, необходимо рассмотрение и анализ функционирования ВХК как системы, отражающей сложные взаимосвязи хозяйственной деятельности, использования для этого водных ресурсов и последствия этой деятельности (включая и строительство водохранилищ) на окружающую природную среду. Но все же главной задачей управления ВХК является построение правил управления водохранилищем, как наиболее сложным объектом системы.

В связи с развитием орошения и зарегулированием стока рек аридной зоны (Нил, Тигр, Евфрат, Сырдарья, Амударья и др.) резко уменьшаются паводковые разливы, особенно на их нижних участках. Этот процесс, с одной стороны, способствует уменьшению непроизводительных затрат речного стока, а с другой -- приводит к повышению аридности климата низовьев, усилению иссушения, исчезновению озер, опустыниванию почв и потере их продуктивности. С уменьшением поступления речных вод, в низовьях твердый сток уменьшился, соответственно снизилось и поступление питательных веществ (фосфора, азота и гумуса). За счет повышения минерализации речной воды низовья рек перестают быть областью аккумуляции твердого и биогенного стока и превращаются в приемник солей, выносимых из верхней и средней частей бассейнов. В связи с изменением гидрологических и гидрогеологических условий в низовьях рек качественно трансформируется и эволюционирует почвенный покров.

В решении вопроса об управлении ВХК достигнуты значительные успехи, это, прежде всего исследования по теории регулирования речного стока, исследования физико-географических аспектов комплексного использования водных ресурсов, различные аспекты применения математических методов для решения задач рационального использования водных ресурсов. Однако реальный процесс управления водными ресурсами характеризуется следующими недостатками: недостаточная системность подхода к управлению и недостаточное исследование ресурсов как элемента окружающей среды; неполный учет стохастичности гидрометеоусловий при выборе эффективного управления; отсутствие критерия, позволяющего сравнивать различные режимы эксплуатации; отсутствие объективных (экономических) критериев для рационального вододеления в период дефицита водных ресурсов; отсутствие единого методического подхода, свободного от отраслевых интересов к оценке ущербов от дефицита воды; трудность формализации ВХК из-за различного состава потребителей, особенностей их территориального расположения, сложности их взаимодействия, взаимодействия самого ВХК с территориально-производственным комплексом рассматриваемого региона; недостаточная оценка влияния водохозяйственных мероприятий на водные и наземные экосистемы; и, недостаточное научное обоснование управления водными ресурсами, которое способствовало бы решению общих задач природопользования в целом.

Анализируя опыт применения экономико-математических моделей оптимизации, можно отметить, что эти методы успешно применяются при решении задач оценочного характера, а также в области разработки частных специализированных моделей отдельных отраслевых ВХК, т.е. при решении задач, для которых могут быть четко сформулированы экономические критерии. Работы Воропаева Г.В., Исмайлова Г.Х., Кардаша В.А., Мечитова И.И., Кисарова О.П., Пряженской В.Г., Храновича И.Л. и др. посвящены оптимизации оросительных систем. Задача определения оптимальных режимов ГЭС как для изолированных водохранилищ, так и каскада в целом была рассмотрена в работах Великанова А.Л., Елаховского С.Б., Воропаева Г.В., Исмайылова Г.Х., Обрезкова В.И., Пряженской В.Г., Храновича И.Л. и др.

Задача определения рационального распределения водных ресурсов ВХК водохранилища Асуанского гидроузла сводится к определению оптимальных режимов работы Асуанского водохранилища. Соответственно такой постановке, задача сводится к нахождению оптимального режима попусков в нижний бьеф водохранилища Асуанского гидроузла.

Поставленная задача усложняется тем, что при моделировании попускового режима необходимо иметь: модель притока речных вод в водохранилище Асуанского гидроузла; модель оценки дополнительных потерь на испарение, фильтрацию и шлюзование; модель трансформации наносов в верхнем бьефе; батиграфические и объемные зависимости водохранилища.

Вероятностная природа основного ресурса -- речного стока придает функционированию ВХК стохастический характер. Учет стохастического характера водных ресурсов при их распределении принципиально может быть осуществлен двумя разными подходами. Первый подход основан на использовании календарных последовательностей стока (наблюденных или смоделированных). Для каждого наблюденного (смоделированного) стокового ряда решается задача оптимального распределения водных ресурсов для различных вариантов структуры ВХК. После этого осуществляется статистическая обработка результатов, и определяются обобщенные характеристики, при помощи которых устанавливается вероятностная картина водообеспеченности применительно к той или иной структуре ВХК.

Второй подход основывается на использовании метода композиции кривых обеспеченности полезной отдачи водохранилищ, их наполнения, холостых сбросов и других характеристик.

Вторая глава посвящена анализу и оценку межгодовой изменчивости притока речных вод в водохранилище Асуанского гидроузла, оценку испарения с водной поверхности и сток наносов и качества воды р. Нил.

В бассейне Нила, как и в бассейнах всех рек аридной зоны Земли, выделяются зоны формирования и потерь стока. Зона формирования его стока охватывает территорию бассейнов Белого и Голубого Нила, а зона потерь - от впадения р. Атбары до моря. В зоне формирования стока водный режим Нила обусловливается выпадающими здесь обильными дождями. В экваториальной части бассейна Белого Нила наблюдаются два максимума осадков - весенний (март-июнь) и осенний (сентябрь-ноябрь), что, обусловливает повышенную водность реки, как летом, так и зимой. Годовой сток Белого Нила в среднем составляет 15 км³/год. В Судане и бассейнах Голубого Нила и Атбары дожди идут летом (июнь-сентябрь). В Судане Белый Нил, сильно разливаясь летом вследствие муссонных дождей в пределах области Сэдд, теряет здесь 2/3 своих вод на испарение с водной поверхности, транспирацию водной растительности и аккумуляцию воды в понижениях рельефа. В питании Нила главную роль играет Голубой Нил, приносящий летом до 70% воды и обеспечивающий подъем воды в Ниле. Для периода условно-естественного режима (до сооружения высотной Асуанской плотины) среднемноголетний объем годового стока р. Нил у г. Асуан составлял 82,8 км³/год с колебаниями от 34,8 км³/год (1913 г.) до 142,0 км³/год (1878 г.). Межгосударственным соглашением 1959 г. объем стока 84 км³/год был разделен для использования в следующем соотношении: Египту - 55,5 км³/год, Судану - 18,5 км³/год и 10 км³/год оставались на потери на испарение и фильтрацию. В зоне потерь стока на участке от г. Асуан до вершины дельты на водозабор, испарение и фильтрацию расходовалось 10 - 20 км³/год и, таким образом, в дельту Нила поступало в среднем 64-74 км³/год.

На рис.1. приведен график колебаний годовых объемов притока в водохранилище Асуанского гидроузла за рассматриваемый период. Как видно, колебания годового стока характеризуются последовательным чередованием лет (или групп лет) различной водности. В то же время видно, что, начиная с 1968/69 гг., наблюдается явное снижение годовых объемов стока в сравнении с предшествующим периодом. Более наглядно характер динамики годового стока р. Нил проявляется при рассмотрении его разностной интегральной кривой (рис.2.). При этом выделяются два макропериода в динамике годового стока:

1) 1871/72 - 1968/69 гг. (n=98 лет) - период повышенного стока;

2) 1969/70 - 2004/05 гг. (n=36 лет) - период пониженного стока.

Кроме того, первый из выделенных периодов подразделяется на два подпериода с 1871/72 по 1898/99 гг. (n=28 лет) и с 1899/00 по 1968/69 гг. (n=70 лет), различающихся средней величиной годового стока.

Рис.1. Многолетние колебания годового стока р. Нил у г. Асуан за 1871/1872 - 2004/2005 гг.

Рис.2. Разностная интегральная кривая годового стока р. Нил за 1871/1872 - 2004/2005 гг.

В таблице 1. приведены выборочные оценки основных статистических параметров исходного временного ряда годовых объемов стока р. Нил и выделенных характерных периодов в его динамике. При рассмотрении данных этой таблицы, прежде всего, обращает на себя внимание отличие оценок параметров последнего из выделенных характерных периодов в сравнении с параметрами исходного ряда. Так, средний сток за период 1969/70 - 2004/05 гг. меньше среднемноголетнего стока на 22,7 км³ /год (27%), а его дисперсия составляет всего лишь 38% от дисперсии всего ряда. Бросается в глаза также резкое отличие коэффициентов автокорреляции годового стока - 0,13 и 0,51.

Таблица 1. Выборочные оценки основных статистических параметров годового притока р. Нил в водохранилище Асуанского гидроузла, км³/год

Анализ динамики годового притока к нижнему течению р. Нил (нижний бьеф высотной Асуанской плотины), суммарных затрат стока на участке высотной Асуанской плотины - г. Каир и притока воды к вершине дельты за период 1969/70 - 2004/05 гг. позволил получить следующие уравнения

[W_ЗАТ ] = 0,465 W_НТ + 2,2 км³/год (1)

[W_ВД ] = 0,481 W_НТ + 0,9 км³/год (2)

Существенна также и взаимосвязь составляющих годового водного баланса смежных лет [R(1)= 0,634-0,644]. Для рассматриваемого периода характерно также наличие положительного линейного тренда в динамике составляющих водного баланса, аппроксимируемого следующими уравнениями:

[W_НТ] = 0,125t+54,7 км³/год (3)

[W_ЗАТ] = 0,099t+26,8 км³/год (4)

[W_ВД] = 0,023t+28,0 км³/год (5)

где t- временной индекс, изменяющийся от 1 до 40; Wнт- приток к нижнему течению; Wзат- суммарные затраты стока; Wвд- приток к вершине дельты. Коэффициенты корреляции составляют соответственно 0,38, 0,52 и 0,13. Наличие тренда обусловлено некоторым увеличением годового притока в конце рассматриваемого периода. Сохранится ли он в дальнейшем, будет зависеть как от режима попусков в нижний бьеф ВАП, так и от роста безвозвратных затрат стока в нижнем течении и дельте Нила.

Одним из самых значимых видов потерь воды из водохранилища является испарение с его водной поверхности. Особенно велики потери на испарение в условиях жаркого, сухого климата. Именно в таких условиях находится рассматриваемое в работе водохранилище Асуанского гидроузла. Площадь водного зеркала водохранилища составляет порядка 6500 км². Длина водохранилища 500 км, средняя ширина 12 км. Поэтому неудивительно, что при проектировании этого водохранилища высказывались серьезные опасения, что из-за больших потерь на испарение и фильтрацию водохранилище трудно будет наполнить. Значительные объемы потерь воды на фильтрацию, имевшие место в первые годы наполнения водохранилища, практически прекратились. Поэтому в настоящее время основным источником потерь является испарение с его водной поверхности.

Величины температуры поверхности воды и воздуха, упругости водяного пара и скорости ветра над водоемом на высоте 200см принимались средними за месяц и усреднялись для всех точек наблюдений над водоемом. На предварительном этапе исследований был осуществлен анализ исходной информации за рассматриваемый расчетный период (1997-2003гг.), проведена оценка изменения метеоэлементов в пределах акватории водохранилища (рис. 3).

Как видно из рисунка, значения температуры поверхности воды, воздуха на высоте 200см над водной поверхностью и упругости водяного пара также на высоте 200см над водной поверхностью, достаточно близки между собой в среднем за рассматриваемый период (1997 - 2003гг.). Однако в отдельные годы рассматриваемого периода на северной и южной частях акватории водохранилища наблюдаются довольно существенные различия в величинах метеоэлементов. Связь между метеоэлементами в северной и южной частях акватории достаточно тесная. Коэффициенты корреляции между температурой водной поверхности в северной и южной частях составляют 0,91, а между температурой воздуха над водной поверхностью на высоте 200 см - 0,96. Также довольно тесная связь наблюдается между значениями упругости водяного пара на высоте 200 см над водной поверхностью, коэффициент корреляции равен 0,72. Наименьшая теснота связи характерна для скорости ветра, коэффициент корреляции равен 0,54. При этом измеренные на испарительных плавучих установках значения испарения в северной и южной частях акватории очень близки между собой, они практически одинаковы, за исключением случайного выброса нескольких точек.

В данной работе определение испарения с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла при наличии данных наблюдений выполнены на основе уравнения (6). Учитывая, что уравнение (6) получено для условий России, нами также использованы несколько его модификаций, различающихся коэффициентами при переменных (7-10).

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

где e₀ - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мб; e₂₀₀ - среднее значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200см, мб; u₂₀₀ - среднее значение скорости ветра над водоемом на высоте 200см, м/с; i - число суток в расчетном интервале времени (месяц).

Рис.3. Изменение метеорологических характеристик для северной и южной частей акватории водохранилища Асуанского гидроузла за 1997-2003 гг.

Испарение с водной поверхности было рассчитано в месячном разрезе за период 1997-2003 гг., используя уравнения (6-10). Сопоставление рассчитанных величин испарения с измеренными на плавучей установке, показало достаточно хорошее соответствие для северной части акватории водохранилища Асуанского гидроузла. Коэффициент корреляции измеренных и рассчитанных значения испарения составляет 0,8. Менее тесная связь наблюдается для южной части акватории, коэффициент корреляции равен 0,52. Однако, следуя логике формирования испарения с водной поверхности, следует признать достоверность расчетных значений испарения в южной части акватории.

При расчете испарения по уравнению (7) его величины отличаются для северной и южных частей акватории, хотя они достаточно тесно связаны между собой (коэффициент корреляции равен 0,74). Значения испарения с водной поверхности водохранилища Асуанского гидроузла очень велики. Их годовые значения изменяются от 2400 мм до 4000 мм (рис.4), составляя в среднем за рассматриваемый период для северной части акватории 2579 мм, а для южной - 3229 мм. Увеличенные значения испарения в южной части акватории в 2001г. по сравнению с северной можно объяснить чрезвычайно высокими значениями температуры воды в жаркие месяцы, обусловившими повышенные градиенты упругости водяного пара, а соответственно и увеличенные значения испарения. К сожалению, в 2001г. отсутствовали данные измерений испарения на промежуточных плавучих установках. При этом следует отметить, что данные измерений на промежуточных плавучих установках носят фрагментарный характер и, на наш взгляд, не отличаются высокой достоверностью. В заключение отметим, что полученные результаты были использованы для предварительной оценки испарения с водной поверхности в пределах Асуанского водохозяйственного комплекса (глава 4).

Рис.4. Изменение испарения с водной поверхности для северной и южной частей акватории водохранилища Асуанского гидроузла.

Однако они требуют уточнения с привлечением данных метеорологических наблюдений по береговым метеостанциям и на водохранилище за более продолжительный период, а также дополнительной информации о состоянии самого объекта, включая состояние мелководной зоны.

Создание высотной Асуанской плотины (ВАП) привело к двум главным последствиям. Первое состоит в снижении максимальных расходов с 10000 до 2500 м³/с в период паводков, а второе заключается в том, что сток наносов р. Нил почти полностью аккумулируется в чаше водохранилища Асуанского гидроузла.

Средний годовой сток наносов до зарегулирования р. Нил водохранилищем Асуанского гидроузла составлял в створе водохранилища около 60 млн. м³ при средней мутности 1900-2000 г/м³. Мутность воды у г. Каира (вершина дельты) вследствие осаждения наносов в пойме снижалась до 600-700 г/м³. В настоящее время до 90% наносов осаждается в водохранилище, преимущественно в его хвостовой части, со скоростью около 110 млн. м³/год. Ниже плотины наносы практически отсутствуют. При таком ежегодном объеме отложения наносов можно полагать, что за период его 40-летней эксплуатации в нем отложилось около 4,5 км³ наносов, что составляет около 14% мертвого объема водохранилища (V_мо= 31 км³).

Анализ динамику отложения наносов (съемок 1964, 1977, 2000 и 2004гг.) показывает, что фронт заиления за 40 - летней период эксплуатации водохранилища Асуанского гидроузла продвинулся на 200 км, а отметки дна в хвостовой части водохранилища существенно увеличились. Зарегулирование стока р. Нил, кроме того, повлияло на характер русловых процессов в нижнем течении и дельте реки. На всем расстоянии от Асуана до моря падение отметок дна составляет около 80 м на 950 км или 0,08 м/км. В связи с этим без значительных наводнений, имевших место до создания ВАП, река имеет мало энергии для транспорта наносов или размыва берегов.

Развитие регулярного орошения и переход к масштабному использованию минеральных удобрений, а также рост промышленного производства обусловили повсеместную тенденцию к ухудшению качества вод р. Нил в пределах Египта. На протяжении от Асуана до Средиземного моря в настоящее время имеется около 88 точек сброса возвратных вод орошения и промышленно-коммунальных сточных вод. Для оценки влияния этих сбросов на качество воды р. Нил в настоящее время в Египте используется «Индекс качества речных вод» (WQI), представляющий собой отношение i-го показателя качества воды, наблюдаемого в той или иной точке по длине реки, к стандарту его содержания в воде. На всем протяжении нижнего течения р. Нил индекс качества изменяется от 5% у г. Луксор до 90-108% на участке от Наг-Хамади до Сухаг. В целом же приблизительно 90% участков имеют индекс ниже 50%, что свидетельствует о относительно высоком качестве воды р. Нил. В целом же можно констатировать, что в настоящее время качество вод р. Нил в нижнем бьефе водохранилища Асуанского гидроузла близко к нормативному. Тем не менее, дальнейший рост населения страны и промышленного производства, несомненно приведут к ухудшению качества речных вод, что потребует, либо очистку сбросных и стока возвратных вод до надлежащей качеству, либо дополнительного количества воды из водохранилища Асуанского гидроузла в виде специального санитарного попуска, позволяющего снизить риск загрязнения речных вод. Кроме того, следует иметь в виду, что при увеличении водозабора в дельте реки на фоне повышения уровня Средиземного моря минерализация речных вод здесь может увеличиться до 500-800 мг/л, что потребует соответствующих мероприятий по ее снижению, в том числе и за счет увеличения объемов попусков из водохранилища Асуанского гидроузла.

Третья глава посвящена построению имитационной модели Асуанского ВХК для моделирования режимов попусков из него с учетом интересов природных комплексов нижнего течения и дельты р. Нил. Задача функционирования ВХК водохранилища Асуанского гидроузла сформулирована следующий образом. Рассмотрим водохозяйственный комплекс водохранилища Асуанского гидроузла, состоящий из высотной Асуанской плотины с гидроэлектростанцией мощностью 3,1 млн.кВТ и среднегодовой выработкой 10 млрд. кВТ.час, низконапорной старой Асуанской плотины, и шести низконапорных гидроузлов (баражей) в нижним течении и дельте реки, осуществляющих подачу воды в магистральные каналы. Участники ВХК удовлетворяют свои требование на воду за счет комплексного попуска из водохранилища в нижний бьеф и водозабора непосредственного из водохранилища на орошение впадины Тошка. Комплексный попуск включает попуски на ирригацию, гидроэнергетику, промышленно-коммунальное водоснабжении, судоходство, санитарный и экологический попуски. Период регулирования [0, Т] разбивается на n равных (или неравных) отрезков с помощью моментов времени таких, что. Выбор зависит от вида регулирования речного стока в пределах одного водохозяйственного года с увязкой его со следующим годом, а продолжительность расчетного интервала полагается равной одному месяцу, декаде или пентаде. Учитывая важность водоснабжения населения, а также малую долю промышленного водоснабжения (не более 5% от общего водопотребления), в рамках данной постановки предусматривается их полное обеспечение и соответственно их требования в модель включаются в виде ограничения. Предполагается также, что все ирригационные и неирригационные потребители , расположенные вдоль реки, формируют загрязненные сбросные и возвратные воды. Сброс этих вод в русло реки прежде всего ухудшает показатели качества речной воды, это в свою очередь сопряжено с ухудшением почвенно-мелиоративных условий и, как следствие этого, со снижением продуктивности орошаемых земель. В связи с этим предполагается, что каждая ирригационная система на выходе имеет накопители (искусственные или естественные), позволяющие в зависимости от ассимилирующей способности реки перераспределять во времени и в пространстве сток возвратных вод и тем самым сохранять нормативы показателей качества речной воды. Основным требованием к накопителям является максимум их опорожнения в конце водохозяйственного года (в зависимости от водности года) при сохранении в некоторых контрольных створах водотока, расположенных ниже по течению, концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) в речной воде, не превышающей предельно допустимую. В соответствии с принятыми условиями требуется определить оптимальный режим попусков из водохранилища с учетом сохранения надлежащего качества речной воды на всем протяжении реки до впадения в Средиземное море. Математическая постановка рассматриваемой задачи такова: требуется минимизировать функционал

(11)

(12)

(13)

(14)

при где -вектор наполнения, -вектор попусков из водохранилищ, -оптимальное значения попусков, -вектор притока речных вод, -текущее время, А и В-матрицы системных условий.

Решение задачи управления ВХК водохранилища Асуанского гидроузла в постановке (11)-(14) требует использования прямых методов стохастического программирования. Учитывая неполноту вероятностной характеристики исходной информации, исключительную трудоемкость расчетов (особенно при динамической постановке задачи) для решения поставленной задачи (11)-(14) строится имитационная модель функционирования каскада водохранилищ многоцелевого назначения.

В настоящей работе для решения задачи управления ВХК водохранилища Асуанского гидроузла, в постановке (11) -- (14) использована имитационная модель, приведенная в работе Г.В. Воропаева, Г.Х. Исмайылова, В.М. Федорова «Проблемы управления водными ресурсами Арало-Каспийского региона. М.: Наука, 2003». Соответственно ограничение (12) применительно к водохранилищу Асуанского гидроузла описывается следующей системой уравнений:

- Q_i (t) + _i(t)+U_i(t)+ r_i(t)= 0, V_i(t₀)=V_i⁰, (15)