Scientific journal
International Journal of Experimental Education
ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,839

1 1
1 Tuvinian Institute for the exploration of natural resources SB RAS
2314 KB

Гидрографическая сеть Тувы относится к верхней части бассейна Енисея и к бассейну Убсу-Нурской бессточной котловины Центральной Азии.

В настоящее время сокращение сети метеорологических станций и водомерных постов на реках, озерах и водохранилищах привело к невозможности получения объективных гидрологических сведений. Так, на территории Республики Тыва до 1991 г. существовало 22 пункта наблюдений, на сегодняшний день действует 16 водомерных постов. В связи с этим на первый план выходят косвенные методы определения гидрологической информации. Известно [Калинин 2000; Пьянков 2002], что топографические и тематические карты являются источником ряда важнейших гидрографических характеристик рек и их бассейнов, необходимых для анализа и выявления закономерностей гидрологического режима водных объектов. В то же время в имеющихся изданиях водного кадастра [Гидрологический ежегодник, 1987] приведены далеко не все гидрографические характеристики рек и их бассейнов и не по всем водомерным постам (например, не приведены средние уклоны бассейнов и главного водотока, густота речной сети и т.д.). Это связано с ограниченными возможностями традиционных способов [Калинин и др., 1999] определения гидрографических характеристик водных объектов и их бассейнов.

Основная часть стока малых и средних рек Республики Тува формируется внутри горноскладчатого (обрамления) территории, где гидрометеорологическая изученность территории явно недостаточна. Это затрудняет установление стока с её отдельных частей, стимулируя разработку различных методических приемов и поиск косвенных признаков водоносности рек. Наиболее часто для этого используются закономерности распределения стока в зависимости от местных природных условий – высоты местности, длины рек, уровня подземных вод и некоторых других факторов.

Развитие малой гидроэнергетики в России было широко развернуто в послевоенные годы (мощностью преимущественно менее 5 мВт). За период 1946–1952 гг. было построено около 7000 МГЭС общей мощностью 1500 мВт., которые сыграли большую роль в восстановлении народного хозяйства [Малик, 1997; Бушуев и др., 1998; Фельдман и др., 1989]. Затем интерес к малой энергетике был утрачен, в связи с активным строительством крупных гидроэлектростанций. В настоящее время вопрос использования энергии малых рек возник вновь, особенно он актуален для экономического развития Тувы. К началу 90-х годов из-за отсутствия бюджетных средств было прекращено строительство ЛЭП (линии электропередач) в наиболее отдаленные населенные пункты. В связи с этим тревожное положение сложилось в зоне децентрализованного энергоснабжения, составляющего более чем 40 % территории Тувы, где постоянно проживает около 70 тыс. человек. Основными энергоисточниками в ряде отдалённых населенных пунктов являются ДЭС (дизельные электростанции), работающие на жидком привозном топливе. Все действующие дизельные станции убыточны [Научно-технический центр «Энерготехнология», Межотраслевое научно-техническое объединение «Инсэт» Центральный научно-исследовательский дизельный институт, Постоянное представительство Республики Тыва по Северо-Западным регионам России, 1999].

В настоящее время решение вопроса проектирования МГЭС должно строиться на принципиально новых подходах и новых технологиях. Для развития малой гидроэнергетики требуется уточнение гидроэнергетического потенциала рек Тувы. Ниже сделана попытка оценить гидроэнергетический потенциал рек Тувы с использованием разработанной нами ГИС «Гидроэнергетические ресурсы Республики Тува».

В связи с недостаточной обеспеченностью территории республики водомерными постами и межведомственными трудностями использования существующих данных по гидропостам, исходим из имеющихся и доступных данных, таких как топографические карты масштаба 1:100000 и общегеографическая карта масштаба 1: 1000000.

Для расчёта потенциальной энергии Э реки на участке протяженностью L (км), при падении на нём h (м) и среднем расходе на этом участке Q (м3/с) использовались формулы, приведённые в работе [Безруких, 2002]:

kot01.wmf, (1)

kot02.wmf, кВт.ч (2)

где Q – расчетный расход воды, м3/с, H – расчетный напор, м; N – мощность, кВт; Т – время, часы; Э – вырабатываемая энергия, кВт.ч.

Таким образом, для расчета валовых гидроэнергетических ресурсов следует знать значения H и Q.

При выборе энергетических параметров МГЭС, для обеспечения её надёжной и безаварийной эксплуатации, наибольший практический интерес представляет среднемноголетний расход Qмнг и максимальный паводковый расход Qмакс. Для определения расчётного расхода Qмакс необходимо иметь значение среднемноголетнего расхода Qмнг, позволяющего при выбранном значении напора H подсчитать мощность NГЭС. Правильное решение этой задачи важно для определения экономической эффективности МГЭС.

Оценка валового энергетического потенциала для территории Республики Тува затруднена из-за отсутствия полной гидрологической и гидрометрической информации, о чем упоминалось выше. Поэтому использование геоиформационных технологий и методов математического моделирования являются эффективным инструментом решения задач оценки валового гидроэнергетического потенциала.

Анализ имеющихся наблюдений (1974–2002 гг.) за уровнем воды в различных точках гидрографической сети бассейна реки Енисей (рисунок) и фрактальный анализ речных систем Саяно-Тувинского нагорья показывают, что речные системы согласованно реагируют на изменение гидрологической обстановки, находятся в функциональной зависимости от природных условий и геоморфологических особенностей территории. Это позволяет рассматривать бассейн Большого и Малого Енисея как единый природный объект. На основе цифровой модели этого объекта можно проводить вызывающие интерес вычисления.

На основе созданных цифровых моделей речной сети проводились расчёты расхода воды Q для определения потенциальной мощности водотока в заданной точке речного русла.

Рассматривались зависимости стока рек от некоторых определяющих факторов, количественными показателями которых явились вычисленные гидрографические характеристики. В качестве показателей стока рек выбраны среднемноголетние годовые, максимальные и минимальные (летние и зимние) расходы воды. В результате выявлены зависимости стока от длины главного водотока, площади водосбора, суммарной длины рек в пределах бассейна.

Следует отметить, что аппроксимация поведения суммы длин притоков отмечалась в работе [Синюкович и др., 2000]. Мы использовали зависимости расход – длина для определения удельного расхода воды, необходимого при вычислении потенциальной мощности водотока в определённых точках речного русла.

Количество рек (притоков) в пределах бассейна определялось для масштабов 1:1000000 и 1:100000. Анализ вычисленных коэффициентов густоты речной сети показал, что их абсолютные значения находятся в тесной зависимости от масштаба карты, по которой они определяются. Количество рек по картам масштаба 1:100000 получилось в среднем в 3 раза больше, по сравнению с определенными в масштабе 1:1000000. Это объясняется особенностями картографической генерализации – при уменьшении масштаба уменьшается учитываемая извилистость, а следовательно, длина водотоков и количество их притоков. Значения суммарной длины рек в пределах бассейна также отличаются в среднем в 3 раза, при практически неизменных площадях водосборов.

Расчет всех параметров проведен по топографическим картам масштабов 1:1000000 и 1:100000. Интересные результаты дало сравнение площадей оцифрованных бассейнов рек в пределах водосбора Республики Тува с опубликованными данными [Гидрологический ежегодник, 1984–1987]. В случае, когда площади в среде ГИС определялись по картам масштаба 1:1000000, разница между ними и опубликованными данными в среднем не превышает 2,69 %, при этом максимальное отклонение составило 11,04 % (табл. 1).


koteln1.wmf

Уровень воды бассейнов Большого и Малого Енисея

Таблица 1

Соотношение площадей водосбора по данным «Гидрологический ежегодник» [1984–1987гг.] и определённых посредством ГИС

Река

Площадь водосбора до устья (F), км2

Отклонение Fводсб ГИС от Fводосб Гидр. изученности

 

Гидрлог.

изученность FГ

Водный кадастр FВК

В среде ГИС

FГИС

kot04.wmf %

kot05.wmf %

kot06.wmf kot07.wmf

Бол. Енисей (Тора-Хем)

15600

15600

15560

0

0,25

0,25

Хамсара (Хамсара)

4890

4890

4754

0

2,78

2,78

Бол.Енисей (Ырбан)

 

36800

36810

   

2,7

Сыстиг-Хем

4430

4430

4337

0

2,1

2,1

Бол.Енисей (Севи)

44600

44600

44550

0

0,11

0,11

Бол.Енисей (Кара-Хаак)

56500

56500

56560

0

0,11

0,11

Тапса

1170

1170

1114

0

4,78

4,78

Мал.Енисей

58600

 

59760

 

1,94

 

Мал.Енисей (сев. Аржан)

20200

 

17970

 

11,04

 

Мал.Енисей (Усть-Ужеп)

42300

42300

42000

0

0,71

0,71

Мал.Енисей (Сарыг-Сеп)

53300

 

54840

 

2,88

 

Бурен (Бурен-Аксы)

5980

5980

5709

0

4,53

4,53

Хемчик

25500

 

25680

 

0,71

 

Эрзин (Эрзин)

4240

 

4242

 

0,047

 

Мизим (Сизим)

867

867

843,4

0

2,72

2,72

Шагонар (Арыскан)

456

456

481.9

0

5,68

5,68

 

Среднее отклонение

2,69

Максимальное отклонение

11,04

Минимальное отклонение

0,047


Выявленные закономерности формирования стока рек являются весьма показательными и, безусловно, найдут применение для изучения и оценки водных ресурсов, а также для определения режимной гидрологической информации наряду с известными расчетными методами.

Рассмотрим связь длины реки с интересующим нас параметром – расходом воды, необходимым для определения потенциальной мощности водотока.

Для этого по электронной карте определяем длину всей реки и ее притоков и рассчитываем удельный расход для всего бассейна – путем деления известного расхода в самой нижней точке реки на сумму длин всех притоков данной реки на интересующем нас водотоке. Удельный расход используется для расчета реальных расходов воды и энергетической мощности водотоков:

kot08.wmf – для Большого Енисея (3)

kot09.wmf – для Малого Енисея; (4)

Qрас – рассчитанный расход воды;

kot10.wmf – суммарная длина вышерасположенных притоков.

Используя формулы (3, 4), произведены расчеты N и Q для рек, входящих в речные бассейны Большого и Малого Енисея. Вычисленные значения (Q) – расхода воды по предлагаемой методике сравнивались с имеющимися данными «Государственного Водного кадастра» (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительная характеристика расхода воды по данным ГИС и Государственного водного кадастра

Речной бассейн

Qрас – рассчитанный расход воды, м3/с

Q – расход воды по данным «Государств. Водного кадастра», м3/с.

kot12.wmf %

Бурен

29,59

32,0

7,53

Мизим (пос. Сизим)

4,6

5,37

14,33

Ужеп

5,49

8,25

33,45

Каргы

17,99

23,6

23,77

Бол. Енисей (пос. Тора-Хем)

158,27

176

10,07

Систиг-Хем (пос Тозан)

35,43

60,3

41,24

Уюк (пос Чкаловка)

16,94

11,47

47,68

Хамсара (пос Хамсара)

58, 72

89,2

34,17

Тапса (с Кара-Хак)

10,37

19,53

46,9

Улуг-Баш

17,19

   

Серлиг-Хем

26,70

   

Харал

7,41

   

О-Хем

11,66

   

Эржей

4,05

   

Хоор-Ос

8,28

   

Ожу

9,36

   

Унжей

3,02

   

Улуг-Шивей

7,0

   

Дерзиг

9,4

   

Азас

33,88

   

Расчет показал, что значения N для малых гидроэлектростанций, проектируемых для строительства на территории республики Тува, определенные с использованием предлагаемой методики и полученные ранее по стандартным методикам, согласуются (табл. 3).

Таблица 3

Рассчитанная с помощью ГИС и предполагаемая мощность проектируемых ГЭС

Проектируемые ГЭС

Nуст проектируемая мощность (кВт)

Nрас мощность, рассчитанная используя ГИС (кВт)

«Чазылар» на р. Хамсара

165 (3 агр х 55)

332

На р Чаваш

1728 (8 агр х 216)

224.9

«Тывинская» на р. Хамсара

1728 (8 агр х 216)

1210.7

На р. Сыстыг-Хем

110 (2 агр х 55)

192.2

На р. Сейба

110 (2 агр х 55)

38.3

На р. Хут

110 (2 агр х 55)

58.3

На р. Чавач

165 (3 агр х 55)

44.7

На р. Балыктыг-Хем

440 (8 агр х 55)

69.5

 

Предлагаемая методика определения расхода воды Q позволяет при ограниченной исходной информации производить интересующие нас вычисления. Это поможет определять перспективные в гидроэнергетическом отношении водотоки при существующей ограниченной гидрологической информации.

Таким образом, применение ГИС-технологий позволяет поднять на новый качественный уровень исследования гидрологических процессов и явлений.

Используя инструментарий геоинформационных систем и ГИС – проект «Гидроэнергетические ресурсы Республики Тува» были впервые рассчитаны некоторые новые показатели и коэффициенты.

Использование ГИС для вычисления некоторых гидрологических показателей, согласно исследованиям [Пьянкова и др., 2000; Калинина и др., 2000], играют далеко не последнюю роль в понимании ряда важнейших гидрологических процессов и явлений и позволяют, особенно при отсутствии данных наблюдений, косвенным путем получить важные гидрологические сведения. К их числу следует отнести порядки рек, а также суммарные длины рек и горизонталей в пределах бассейна. Расчет всех параметров проведен по электронным топографическим картам масштабов 1:1000000 и 1:100000. Выявлены новые закономерности процессов формирования речного стока и сделан шаг в развитии косвенных методов их определения.

Итак, развитие средств вычислительной техники и информационные технологии позволяют создать на их основе цифровую модель интересующего объекта, чтобы представить разнородную информацию в графическом виде для интерпретации и принятия решений.

Водные ресурсы Республики Тува (РТ) включают в себя запасы более 15 тысяч крупных и малых рек, а также грунтовые и подземные воды. Но на сегодняшний день они почти не используются, хотя расширение возможностей их эксплуатации открыло бы дополнительные перспективы для экономического развития и благосостояния населения республики. Речная сеть наиболее развита в горных и труднодоступных районах, и использование гидроэнергетического потенциала этих рек, например для строительства малых гидроэлектростанций, позволило бы решить проблему энергоснабжения. Основными энергоисточниками в населённых пунктах Тоора-Хем, Севи, Хут, Мугур-Аксы, Кунгуртук и других являются дизельные электростанции, работающие на все дорожающем жидком дальнепривозном топливе. Развитие малой гидроэнергетики позволяет экономить органическое топливо в районах, удаленных от энергосистем, и может быть наиболее приемлемым в экологическом отношении и надёжным источником независимого снабжения электроэнергией отдалённых районов. Однако для более точного определения энергетического потенциала реки и наиболее выгодного месторасположения малых гидроэнергетических устройств необходимо учитывать множество факторов. Но недостаточное количество гидрологических постов наблюдений по рекам, а также отсутствие полной гидрологической и гидрометрической информации затрудняют объективную оценку валового энергетического потенциала объектов малой гидроэнергетики. Использование же ГИС обеспечивает комплексное отображение ситуации за счёт графического представления различной информации на географической карте и облегчает её восприятие, что повышает эффективность принятия решений и оценки экологических последствий. Применение методов фрактального анализа для исследования речных систем также позволяет учитывать конкретные свойства каждой речной системы при её моделировании и вычислении количественных характеристик, в частности – расхода воды.