|
|
Сооружение плотины и отсечение
части акватории морского бассейна при строительстве ПЭС, а также работа
агрегатов электростанции могут приводить к существенной трансформации
приливных колебаний. Поэтому оценка эксплуатационных качеств проектируемой
ПЭС и оптимального режима ее работы, а также объема необходимых строительных
работ и возможных экологических последствий должна опираться не на «природные»
данные о приливных колебаниях, существующих до начала строительства, а на
расчетные данные прогноза с учетом возможной трансформации приливного режима.
Такая трансформация может быть весьма значительной, что
может не только повлиять на выбор створа, но иногда и привести к отказу от
проекта. Например, по расчетам Гринберга, сооружение плотины в зал. Фанди, вблизи
м. Шигнекто должно привести к снижению местной величины прилива на 1/3; это
послужило основанием для рекомендации перенести створ ПЭС ближе к вершине
залива. Для ПЭС Шозе (Франция) 96 аналогичное уменьшение должно было
составить 1 м.
Морские бассейны, перспективные для использования
приливной энергии, обычно имеют вид заливов. Природный режим приливных
колебаний в таких бассейнах формируется, как правило, по схеме
вторжение—отражение, т. е. в результате интерференции прямых и отраженных
(встречных) приливных волн. Суммарные приливные колебания в заливе относятся
к типу прогрессивно-стоячих (смешанных) волн.
При сооружении ПЭС акватория залива делится на две более
или менее изолированные друг от друга части: внешнюю акваторию и отсеченный
бассейн. Характер трансформации колебаний в каждой из этих частей будет
существенно различным. Строго понятие трансформации прилива можно относить
только к внешней акватории, потому что характер колебаний в отсеченном
бассейне полностью определяется действием агрегатов ПЭС, т. е. эти колебания
имеют искусственное происхождение и не могут считаться частью природного
приливного процесса. Колебания во внешней акватории продолжают оставаться
частью природного процесса, хотя и трансформированного.
Трансформационны е эффекты во внешней акватории могут быть
вызваны: 1) наличием дамбы и 2) действием агрегатов ПЭС.
К первой группе можно отнести следующие основные эффекты:
1. Изменение места отражения приливной волны.
При сооружении дамбы место отражения волны сдвигается от вершины залива в
сторону устья, а фаза отраженной волны уменьшается пропорционально двойному
времени пробега расстояния от дамбы до вершины. В большинстве случаев этот
эффект ведет к увеличению амплитуды и уменьшению фазы колебаний с наружной
стороны дамбы по сравнению с этими параметрами в природных условиях.
2. Изменение дисси- пативных свойств бассейна. Как
правило, сооружение дамбы ведет к уменьшению диссипации, во-первых, из-за
отсечения мелководной вершины залива и, во- вторых, из-за возникновения
пучности и ослабления приливных течении в обширной зоне, прилегающей к дамбе.
Это приближает колебания к типу стоячих волн, в результате чего амплитуда у дамбы
(в пучности) должна возрасти, но зато на расстоянии четверти длины приливной
волны от дамбы в (узле) должно произойти уменьшение амплитуд с
соответствующим усилением приливных течений.
3. Изменение геометрии и резонансной настройки
бассейна. Изменение длины и средней глубины бассейна при отсечении его
вершины может как приблизить оставшуюся часть бассейна к резонансу с внешним
приливным воздействием, так и удалить ее от резонанса. В первом случае
реакцией на сооружение дамбы будет увеличение амплитуды прилива, а во втором
— ее уменьшение. Этот эффект проявляется тем резче, чем меньше потери
энергии, как диссипатив- ные, так и на излучение в океан.
Ко второй группе можно отнести следующие эффекты:
1. Ослабление отражательной способности дамбы при
работе агрегатов ПЭС, обусловленное отбором полезной энергии турбинами,
передачей части энергии в отсеченный бассейн и дополнительной диссипацией при
протекании воды через турбины и водопропускные отверстия. В общем случае этот
эффект ведет к снижению амплитуды с наружной стороны дамбы.
2. Возмущения, вносимые работой агрегатов ПЭС. При
работе агрегатов происходит ритмичное, но прерывистое протекание воды через
тело плотины, это приводит к локальным искажениям плавного характера
колебаний по обе стороны от нее.
Колебания уровня в отсеченном бассейне будут кардинальным
образом отличаться от тех. которые происходили здесь в природных условиях,
поскольку сам характер движений в отсеченном бассейне в значительной степени
утрачивает волновую природу и определяется теперь гидравлическим процессом
наполнения-опорожнения. Если считать, что свободная поверхность отсеченного
бассейна сохраняет горизонтальное положение, то соответствующие «объемные»
колебания уровня могут считаться заранее известными при заданном режиме работы
агрегатов и водопропускных отверстий (т. е. при заданных расходах). Такому
допущению соответствует так называемая плоская модель, с помощью которой было
получено значительное число прогностических оценок. Однако регулярный, хотя и
прерывистый пропуск воды через плотину порождает в отсеченном бассейне
дополнительные вынужденные колебания, приводящие к перекосам водной
поверхности, которые накладываются на чисто «объемные» изменения уровня. Этот
эффект учтен в последних гидродинамических моделях ПЭС Северн, Мезенской и
Пенжинской.
Характер и интенсивность вынужденных колебаний и связанных
с ними перекосов поверхности отсеченного бассейна зависят от его размеров и
диссипативных свойств. При небольших горизонтальных размерах бассейна
возмущения, порожденные потоками воды через плотину, практически сразу
охватывают весь бассейн, подъем и опускание уровня в его пределах почти
одновременны, а перекосы его поверхности несущественны для режима работы ПЭС.
Однако если размеры бассейна не слишком малы и его длина составляет заметную
долю местной длины приливной волны, то для распространения возмущения по нему
требуется время, сравнимое с приливным периодом, и реакция бассейна
приобретает колебательный характер. При слабой диссипации это проявляется в
движениях типа стоячей волны, наложенных на однородные по площади «объемные»
изменения уровня. Если протяженность отсекаемого бассейна достаточна для
того, чтобы при распространении граничного возмущения заметно проявилось
действие диссипации, то реакция бассейна приобретает характер смешанной,
прогрессивно-стоячей волны с нарастанигм фазы от плотины в сторону вершины
бассейна.
При односторонней схеме работы ПЭС к перечисленным
особенностям уровенного режима в отсеченном бассейне добавляется стационарное
смещение среднего уровня относительно его положения в природных условиях.
Такое смещение требуется для обеспечения достаточных напоров при стационарных
колебаниях уровня и нулевом суммарном расходе через плотину в среднем за
период: при заданном одностороннем режиме работы ПЭС эта ситуация является
устойчиво равновесной и устанавливается автоматически. При наиболее
распространенной схеме работы «на отливе» смещение среднего уровня в бассейне
происходит в сторону повышения. Такой повсеместный и стационарный подъем
среднего уровня представляет собой важный трансформационный эффект, который
может иметь значи- 98 тельные экологические последствия .
Перечисленные трансформационные эффекты могут быть весьма
значительными, что указывает на необходимость их предварительной оценки и учета
при разработке проектов ПЭС.
В настоящее время наиболее эффективным и рациональным
методом прогностической оценки таких эффектов является математическое
(гидродинамическое) моделирование, получающее все более широкое
распространение как за рубежом, так и в нашей стране. При моделировании
приливных явлений в реальных морских бассейнах сложных очертаний и с
неоднородным рельефом дна решение исходных уравнений геофизической
гидродинамики может быть получено только численными методами с
использованием, как правило, конечно- разностных вычислительных схем. Анализ
результатов решения при этом осуществляется путем варьирования параметров
задачи, т. е. путем численных экспериментов.
Применение математического моделирования для расчета
прогностической приливной картины и оценки ожидаемых трансформационных
эффектов было начато недавно. Тем не менее к настоящему времени разработано и
реализовано довольно большое число прогностических приливных моделей, главным
образом для заливов Фанди, Бристольского, Мезенского, а также для Пенжинской
губы.
Задача прогностической оценки трансформации приливных
колебаний решается на этих моделях, как правило, в два этапа. На первом этапе
осуществляется воспроизведение прилива в естественных условиях, что позволяет
произвести калибровку и отладку модели на основе данных фактических
наблюдений. На втором этапе воспроизводятся приливные колебания с учетом
влияния ПЭС путем введения в модель плотины ПЭС с агрегатами и
водопропускными отверстиями, работающими в определенном режиме. Сопоставление
результатов
двух этапов дает оценку влияния ПЭС, а варьирование
условий численных экспериментов в сочетании с оптимизацией решения по уровню
выработки позволяет определить наиболее благоприятный вариант расположения
плотины ПЭС и режима работы ее агрегатов.
Уравнения движения (10.1) и (10.2) совместно с уравнением
неразрывности (10.3) образуют систему, связывающую все три искомые компоненты
приливных движений и и v. Пространственная область решения этой системы
определяется очертаниями и рельефом дна моделируемого бассейна, включая его
жидкую (открытую) границу. Временнйе свойства решения могут описываться либо
гармонической (для отдельной приливной гармоники), либо более сложной (для
суммарного прилива) изменчивостью.
При численном моделировании система (10.1) —(10.3)
представляется в конечно-разностной форме. Пространственные производные и
производные по времени заменяются своими конечно-разностными аналогами, а
исследуемый бассейн аппроксимируется расчетной сеточной областью. Величины и
и v рассчитываются алгебраически в узловых точках этой области на любой
момент времени (с дискретностью, определяемой временным шагом Д/) при задании
начальных и граничных условий. Поскольку моделируемые колебания представляют
собой, как правило, стационарный либо квазистационарный процесс, начальные
условия имеют условный смысл, практически не влияют на конечный результат, и
поэтому расчет для простоты можно вести от «состояния покоя», т. е. от
нулевых значений и и v в начальный момент времени. В то же время граничные
условия имеют решающее значение для вида решения и его конкретных параметров.
В рассматриваемой задаче имеются три типа граничного контура, требующие
различных граничных условий.
Для первого типа граничного контура, т. е. для «твердого»
(совпадающего с береговой чертой) участка границы расчетной области, наиболее
распространенным условием является условие непротекания vn = 0, где v„ —
нормальная к берегу составляющая приливного течения. Однако в районах
береговой осушки используют также условие «подвижной границы»,
предусматривающее подключение к расчетной области новой пространственной
ячейки (чем имитируется заливание берега), если подъем уровня вблизи берега
приводит к превышению локальной глубиной h* = = h -f £ некоторого
критического значения Кр- При достижении того же критического значения /IrP
на спаде уровня указанная ячейка отключается от расчетной области, имитируя
осушку.
Вторым типом граничного контура является открытый, или
«жидкий», участок границы расчетной области. Здесь также используются два
варианта граничного условия: один — при воспроизведении природного прилива и
второй — при прогностическом расчете. В первом случае на жидкой границе
задаются фиксированные колебания уровня £ (t), соответствующие
отдельной приливной гармонике либо природному суммарному приливу и
определенные на основании данных наблюдений или специальных вычислений. Во
втором случае, когда моделируется прогностическая картина и параметры
колебаний на жидкой границе заранее неизвестны, на ней ставится так
называемое импедансное граничное условие, характеризующее энергопропускную
способность границы путем задания определенного соотношения между I и vn.
Конкретные прогностические значения £ и vn, удовлетворяющие данному
соотношению на границе, находятся в процессе расчета. После выхода решения на
стационар оно дает прогностическую картину колебаний уровня и приливных
течений, трансформированную по всему бассейну.
Граничным контуром третьего типа является плотина ПЭС.
Здесь также возможны различные варианты граничных условий. Так, в случае
глухой дамбы {при закрытых агрегатах и водопропускных отверстиях) на линии
плотины задается условие непротекания и отсекаемый бассейн ПЭС полностью
отключается от процесса приливных колебаний. При действующей ПЭС граничное
условие задается через режим расхода Q(t) на участке плотины, где расположены
агрегаты и водопропускные отверстия Этот режим может быть либо фиксированным
во времени на основании, например, пред- варительнрй оптимизации работы ПЭС,
либо его можно задавать в зависимости от напора на плотине (во втором случае
реализуется обратная связь между режимом работы ПЭС и ее трансформирующим 100
воздействием на параметры приливных колебаний). Изменения уровня в отсекаемом
бассейне при действу, ющей ПЭС будут происходить в результате двух процессов:
процесса наполнения-опорожнения бассейна («объемные» изменения) и
колебательного процесса, сопровождающегося переменными перекосами свободной
поверхности.
Не останавливаясь более подробно на описании существующих
прогностических приливных моделей и методике численных экспериментов,
изложенных в соответствующих работах, ссылки на которые приводятся ниже,
рассмотрим кратко наиболее важные из полученных результатов.
Залив Фанди. Приливы в зал. Фандн относятся к типу
полусуточных и являются наибольшими в мире — в бухте Майнас величина
сизигийного прилива достигает 16,2 м.
Прогностические оценки трансформационных эффектов в зал.
Фанди анализировать нелегко, так как они получены для различных вариантов
расположения и числа ПЭС, а также режима их работы и, кроме того, на моделях,
значительно различающихся по своим параметрам и теоретическому обоснованию.
Можно отметить, что по результатам большинства исследователей при сооружении
ПЭС следует ожидать небольшого уменьшения амплитуды колебаний с наружной стороны
плотины. Наиболее полные результаты получены в работах, которые легли в
основу проекта ПЭС Фанди 1977 г. Эти результаты относятся к различным
комбинациям трех ПЭС, расположенных в створах , обозначен' ных на 20.8 через
А6, А8 (бухта. Шигнекто) и В9 (бухта Майнас, м. Эконо- ми).
Во всех вариантах сооружение и работа ПЭС приводят к
уменьшению величины прилива в районе приливного створа, составляющему 5—6 %
своего природного значения.
Данные о взаимном влиянии ПЭС, а также об эффектах,
возникающих при их комбинированном действии, приведены в табл. 10.2.
В некоторых случаях, как видно из табл. 10.2, действие
одной из ПЭС либо их комбинации может приводить к усилению прилива в
каком-либо из других створов, но ни в одном случае работа ПЭС не
сопровождается увеличением колебаний в ее створе.
Отдельная серия экспериментов позволила охарактеризовать
влияние действующих ПЭС на районы, удаленные от створов, — пункты Сент-Джон и
Ярмут на входе в зал. Фанди, а также Бостон в прилегающем к Фанди зал. Мэн.
Оказалось, что в этих районах действие ПЭС, расположенной в створе В9,
приводит к росту величины прилива на 10—40 см, а действие других ПЭС
практически не ощущается.
Бристольский залив. Приливные колебания Бристольского
зал., представляющего собой в сущности эстуарий р. Северн, имеют полусуточный
характер. Максимальная величина сизигийного прилива в вершине залива
достигает 14,5м. Бристольский залив имеет довольно простую форму, и при
исследовании приливов в нем иногда использовались аналитические модели. На
16.2 показаны варианты расположения плотины ПЭС, из которых вариант А (створ
Кардифф—Уестон) принят в проекте 1986 г.
Сравнение результатов моделирования изменения величины
прилива вблизи сплошной дамбы (наибольший трансформационный эффект)
показывает их существенное расхождение]. Так, при одномерной (плоской) модели
Хипс, применяя конечно-разностный метод, получил умень- шение величины
прилива вблизи дамбы на 60 см, у Таунсона и др. это уменьшение по методу
характеристик составило 40 см, а в работе фирмы NEDECO — 100 см (при конечно-разностном методе). Двумерная модель дала при конечно-разностном методе у Майлсаувеличение
на 140 см, а у Оуэна — уменьшение на 76 см.
По мнению авторов работы, увеличение амплитуд более
обосновано физически, поскольку при отсечении дамбой мелководий, обладающих
сильным диссипа- тивным действием, отражение приливной волны становится более
полным. Во всяком случае приходится признать, что ожидаемые последствия
сооружения ПЭС в Бристольском заливе в отношении амплитуд пока не удается достоверно
предсказать даже с точностью до знака.
Мезенский залив. Прогностическое моделирование приливного
режима для отечественных проектов ПЭС до последнего времени применялось в
весьма ограниченных размерах. Из реалистических попыток такого моделирования
для Мезенского залива, где преобладание гармоники М2 является подавляющим,
можно назвать, пожалуй, лишь исследование Н. А. Сеземана, расчет которого
дает оносительное уменьшение амплитуды вблизи сплошной дамбы в устье рек
Мезень и Кулой на 10 %. Упомянем также работу В. А. Макарова, А. Б. Мензина и
В. И. Водопьянова, хотя ее результат получен путем не математического, а
электрического моделирования. Для сплошной дамбы в створе м. Травяной— м.
Мгла этот результат показывает во всей области модели увеличение амплитуд,
нарастающее по мере приближения к плотине.
В последнее время новые данные по прогностическому 4
моделированию Мезенского залива были получены В. М. Горел- ковым. Для случая
сплошной дамбы в створе м. Абрамов — м. Михайловский результаты моделирования
предсказывают увеличение амплитуды не только в оставшейся после отсечения
части Мезенского зал., но и на большей части всей воронки Белого моря с
максимумом (свыше 80 см) в южной части Канинского и северной части
Конушинского берегов. В створе дамбы рост амплитуды составляет от 20 до 60 см, нарастая с юго-запада на северо- восток. В намечаемом створе ПЭС увеличение амплитуды
составляет почти 40 см. Изменения фаз приливных колебаний также значительны;
в восточной части бассейна они максимальны, достигая 30—40°, т. е. превышают
по времени целый час. При этом вблизи дамбы происходит сдвиг в сторону более
раннего наступления полной воды, а вдали от нее имеет место запаздывание.
В случае действующей ПЭС (односторонняя схема работы «на
отливе») общий характер изменений приливного режима оказывается таким же, что
и при наличии сплошной дамбы. На основной части моделируемого бассейна
происходит увеличение амплитуд приливных колебаний с максимумом, примерно
равным 60 см, вблизи южной оконечности Канинского берега
В створе проектируемой ПЭС увеличение амплитуды составляет
около15 см. Изменение фаз приливных колебании более отчетливо выражено в
восточной части бассейна и в районе створа проектируемой ПЭС, где наступление
полной воды ожидается примерно на час раньше, чем в природных условиях.
Анализ движений воды в бассейне, отсекаемом плотиной ПЭС,
показывает, что амплитуда формирующихся здесь колебаний существенно
уменьшается по сравнению с амплитудой колебаний в природных условиях^ При
этом у плотины эта амплитуда почти вдвое меньше, чем в вершине залива.
Отсутствие фазовых изменений в продольном направлении свидетельствует о
стоячем характере колебаний в отсеченном бассейне, которые сопровождаются
продольными перекосами водной поверхности примерно 1/100 ООО. При указанной
односторонней схеме работы ПЗС в пределах внутреннего бассейна происходит
повышение среднего уровня примерно на 90 см по отношению к среднему уровню внешнего бассейна (или к природному среднему уровню).
Пенжинская губа.
Исследование природного прилива Пенжинской губы выполнено
Л. А. Сгибне- вой. В последние годы в работах О. Г, Баринова, В. М. Горелкова
и А. В. Некрасова были сделаны первые шаги в направлении прогностического
моделирования приливов этого бассейна для одного из вариантов положения плотины
(створ м. Средний — м. Водопадный). Приведем главные результаты численных
экспериментов, относящиеся к гармоникам Кг и Мг, которые можно считать
«представителями» суточных и полусуточных составляющих прилива.
Влияние сплошной дамбы ( 10.2) приводит к повсеместному
увеличению амплитуд у суточной гармоники, причем коэффициент усиления
(отношение трансформированной амплитуды к природной) составляет от 1,1 на
входе в губу до 1,5 у плотины. Фаза суточной гармоники уменьшается вблизи
плотины и увеличивается в районе устья. Для полусуточной гармоники вблизи
плотины также происходит существенное увеличение амплитуд (коэффициент
усиления близок к 1,9), но у входа в губу амплитуды снижаются. Фазовая
трансформация у полусуточной гармоники качественно та же, что и у суточной,
но примыкающая к плотине зона уменьшения фазы становится более узкой.
Указанные отличия полусуточных трансформационных эффектов от суточных связаны
с различием в длинах волн соответствующих приливных составляющих и как
следствие с неодинаковым изменением резонансных свойств для них при
сооружении плотины. Расчет времени пробега приливной волны от устья
Пенжинской губы до створа проектируемой ПЭС показывает, что для полусуточных
гармоник сооружение плотины создает во внешнем бассейне ситуацию, близкую к
резонансной, в то время как для суточных гармоник такая ситуация
соответствует слабому антирезонансу. Резонанс для полусуточных гармоник,
приводящий к значительному увеличению их амплитуд у плотины (пучность),
одновременно ведет к падению амплитуд на входе (узел). В сочетании со
сравнительно однородным увеличением амплитуд суточных составляющих это
заметно изменяет тип суммарного прилива, определяемый критерием Д, в
результате чего следует ожидать возникновения зоны суточного суммарного
прилива в южной части бассейна. Для течений результат должен быть обратным,
т. е. плотина должна привести к относительному усилению полусуточных
составляющих на входе в Пенжинскую губу.
При смешанном типе прилива прогностическое моделирование с
учетом работы ПЭС теряет смысл для отдельных гармоник, так как связанные с
ними колебания, будучи значительно меньше суммарных, не могут обеспечить
реального режима работы агрегатов. Поэтому прогностический расчет
трансформационных эффектов, обусловленных влиянием действующей ПЭС, следует
проводить только для суммарного прилива с последующим выделением, если
требуется, отдельных гармонических составляющих. Полученные к настоящему
времени предварительные результаты таких вычислений свидетельствуют о том,
что расчетная картина во внешнем бассейне представляет собой в таком случае
«смягченную» аналогию того, что имело место при сплошной дамбе. В отсеченном
бассейне при заданном режиме работы ПЭС «на отливе» происходит стационарный
подъем среднего уровня. На его фоне происходят колебания, представляющие
собой сочетание «объемных» изменений уровня с волнообразными движениями,
обнаруживающими признаки прогрессивной волны с нарастанием фазы от плотины к
вершине отсеченной акватории, что приводит к отличию фактических напоров от
«объемных», причем эти различия в напорах могут достигать нескольких десятков
сантиметров.
|