Pomiary przepływu i osadów w ramach projektu Trzech Przełomów

Abstrakcyjny
Problem przepływu i osadów jest jednym z kluczowych czynników wpływających na działanie i żywotność Projektu Trzech Przełomów (TGP). Podczas demonstracji, planowania, projektowania, budowy i eksploatacji TGP zastosowano wiele podejść do badania problemów przepływu i osadów, uzyskując wiele istotnych wyników. Aby zrozumieć postęp w pomiarach przepływu i osadów w reprezentatywnych projektach Chin oraz doświadczenia w obserwacji osadów w bardzo dużych zbiornikach, w niniejszym artykule przedstawiono głównie pomiary przepływu i osadów w TGP. Obejmuje to ogólną sytuację TGP, rozmieszczenie sieci stacji hydrologicznych, czynniki pomiarowe, nową technologię pomiarową oraz zmiany osadów w zbiorniku i poniżej po spiętrzeniu TGP. Wyniki pomiarów osadów pokazują, że podstawowa sytuacja problemów z osadami jest korzystna, a te problemy prawdopodobnie mogą się kumulować, rozwijać i przekształcać z czasem, dlatego należy zwracać na nie stałą uwagę.

1 WSTĘP
Projekt Trzech Przełomów (TGP) to największy na świecie projekt ochrony zasobów wodnych i energetyki wodnej. Zapora znajduje się w Sandouping, w mieście Yichang w prowincji Hubei, na linii podziału między środkowym a górnym biegiem głównego nurtu rzeki Jangcy. Kontroluje ona obszar zlewni o powierzchni 1 miliona km², a średni roczny odpływ sięga 451 000 milionów m³. Z pojemnością retencyjną wynoszącą 22,15 miliarda metrów sześciennych, projekt odgrywa kluczową rolę w kontroli powodzi w dorzeczu Jangcy. Przy normalnym poziomie piętrzenia 175 m, całkowita pojemność retencyjna zbiornika wynosi 39 300, z czego 22 150 milionów m³ to pojemność przeciwpowodziowa. Rozwój TGP koncentruje się na korzyściach związanych z zapobieganiem powodziom, wytwarzaniem energii i transportem wody. Poprawi on również stan środowiska naturalnego. W tym okresie osiągnięto kompleksowe korzyści w zakresie kontroli powodzi, żeglugi, wytwarzania energii i wykorzystania zasobów wodnych.

Jako kluczowy element systemu kontroli powodzi w środkowym i dolnym biegu rzeki Jangcy, zapora TGP kontroluje 96% dopływu do rzeki Jingjiang, najniebezpieczniejszego odcinka rzeki podczas powodzi, oraz ponad dwie trzecie dopływu do Wuhan. Zapora TGP odgrywa niezastąpioną rolę w łagodzeniu powodzi i ograniczaniu masowych powodzi w górnym biegu rzeki Jangcy. Do końca sierpnia zapora zatrzymała 180 miliardów metrów sześciennych wody w okresach powodziowych. W latach 2010 i 2012 odnotowała dopływy przekraczające 70 000 metrów sześciennych na sekundę i zmniejszyła szczyty powodziowe o około 40%, znacznie zmniejszając presję kontroli powodzi na obszarach położonych niżej. W porze suchej przepływy wzrosły do ponad 5500 metrów sześciennych na sekundę, dostarczając ponad 20 miliardów metrów sześciennych wody rocznie do środkowego i dolnego biegu rzeki Jangcy.

Prototypowa obserwacja została przeprowadzona w celu wsparcia badań osadów, budowy i eksploatacji TGP w różnych okresach. Pomiary prototypu posłużyły do analizy zmian odpływu i ładunku osadów w głównym korycie rzeki Jangcy, a także zmian i ewolucji koryta rzeki. Rozmieszczenie miejsc przedstawiono na rysunku 1. Obecne wyniki obserwacji są zasadniczo zgodne z wynikami etapu studium wykonalności (Lu i Huang, 2013), ale ze względu na redukcję osadów w górnym biegu rzeki i budowę zbiorników kaskadowych na rzece Jinsha po latach 90. XX wieku, sedymentacja zbiornika Trzech Przełomów (TGR) jest znacznie mniejsza niż wcześniej, co skutkuje większą intensywnością i zasięgiem erozji dna rzeki poniżej TGP.

2 PROJEKTOWANIE SIECI HYDROLOGICZNEJ I SYSTEM POMIAROWY
Aby zebrać podstawowe dane i świadczyć usługi w zakresie budowy infrastruktury basenowej, Komisja Zasobów Wodnych Changjiang stopniowo, od lat 50. XX wieku, utworzyła dużą liczbę stacji hydrologicznych wzdłuż głównego nurtu i dopływów Jangcy. Do lat 90. XX wieku powstała w zasadzie kompletna sieć stacji hydrologicznych i monitoringu osadów. Obejmuje ona 118 stacji hydrologicznych i ponad 350 stacji pomiarowych. Ponadto, wykonano wiele prac związanych z pomiarami rzek i analizą osadów. Dane hydrologiczne i obserwacyjne dotyczące osadów z ostatnich dekad, gromadzone przez kilka pokoleń, stanowiły podstawę naukową do demonstracji, projektowania, budowy i eksploatacji systemu TGP.

Prototypowa obserwacja została przeprowadzona w celu wsparcia badań osadów, budowy i eksploatacji TGR w różnych okresach. Po rozpoczęciu składowania w zbiorniku w 2003 r. problem osadów pojawił się zarówno w górnym, jak i dolnym biegu, a prototypowa obserwacja i odpowiadające jej badania osadów zostały przeprowadzone w celu bezpośredniego wsparcia eksploatacji TGP. Cel obserwacji obejmuje następujące aspekty: Opanowanie danych tła naturalnego stanu koryta przed całkowitym spiętrzeniem; Stworzenie odniesienia do decyzji o planie spiętrzenia instalacji; monitorowanie w czasie rzeczywistym zmienności erozji i depozycji zarówno w górnym, jak i dolnym biegu po spiętrzeniu oraz identyfikacja problemów, aby podjąć środki zaradcze na czas; walidacja przyjętej technologii symulacji i zwiększenie wiarygodności prognozowania osadów TGP.

Zakres obserwacji prototypu osadów hydrologicznych obejmuje obszar zbiornika, teren zapory oraz dolny bieg rzeki. Od 1949 roku, w oparciu o wieloletnie pomiary osadów, obserwacje kanałów oraz badania i eksploracje, zgromadzono wiele danych z obserwacji prototypów i wyników analiz, co zaspokaja zapotrzebowanie na planowanie, projektowanie i badania naukowe w fazie definiowania. Faza budowy jest etapem przejściowym następującym po fazie profa, a całkowity okres budowy wynosi 17 lat, dlatego konieczna jest ciągła obserwacja zmienności odpływu, osadów i warunków brzegowych. Zapewnia to nie tylko niezawodność w projektowaniu, badaniach naukowych, budowie i eksploatacji, ale także walidację i optymalizację projektu oraz regulacji.

Czynniki monitorujące obejmują głównie hydrologię, osady i ukształtowanie terenu kanału. Badanie ukształtowania terenu kanału ma na celu przede wszystkim uzyskanie informacji o regularności ewolucji kanału w stanie surowym, osadzaniu się osadów w zbiorniku, erozji w dół rzeki oraz ewolucji kluczowych odcinków po spiętrzeniu TGP.

2 PROJEKTOWANIE SIECI HYDROLOGICZNEJ I SYSTEM POMIAROWY
Aby zebrać podstawowe dane i świadczyć usługi w zakresie budowy infrastruktury basenowej, Komisja Zasobów Wodnych Changjiang stopniowo, od lat 50. XX wieku, utworzyła dużą liczbę stacji hydrologicznych wzdłuż głównego nurtu i dopływów Jangcy. Do lat 90. XX wieku powstała w zasadzie kompletna sieć stacji hydrologicznych i monitoringu osadów. Obejmuje ona 118 stacji hydrologicznych i ponad 350 stacji pomiarowych. Ponadto, wykonano wiele prac związanych z pomiarami rzek i analizą osadów. Dane hydrologiczne i obserwacyjne dotyczące osadów z ostatnich dekad, gromadzone przez kilka pokoleń, stanowiły podstawę naukową do demonstracji, projektowania, budowy i eksploatacji systemu TGP.

Prototypowa obserwacja została przeprowadzona w celu wsparcia badań osadów, budowy i eksploatacji TGR w różnych okresach. Po rozpoczęciu składowania w zbiorniku w 2003 r. problem osadów pojawił się zarówno w górnym, jak i dolnym biegu, a prototypowa obserwacja i odpowiadające jej badania osadów zostały przeprowadzone w celu bezpośredniego wsparcia eksploatacji TGP. Cel obserwacji obejmuje następujące aspekty: Opanowanie danych tła naturalnego stanu koryta przed całkowitym spiętrzeniem; Stworzenie odniesienia do decyzji o planie spiętrzenia instalacji; monitorowanie w czasie rzeczywistym zmienności erozji i depozycji zarówno w górnym, jak i dolnym biegu po spiętrzeniu oraz identyfikacja problemów, aby podjąć środki zaradcze na czas; walidacja przyjętej technologii symulacji i zwiększenie wiarygodności prognozowania osadów TGP.

Zakres obserwacji prototypu osadów hydrologicznych obejmuje obszar zbiornika, teren zapory oraz dolny bieg rzeki. Od 1949 roku, w oparciu o wieloletnie pomiary osadów, obserwacje kanałów oraz badania i eksploracje, zgromadzono wiele danych z obserwacji prototypów i wyników analiz, co zaspokaja zapotrzebowanie na planowanie, projektowanie i badania naukowe w fazie definiowania. Faza budowy jest etapem przejściowym następującym po fazie profa, a całkowity okres budowy wynosi 17 lat, dlatego konieczna jest ciągła obserwacja zmienności odpływu, osadów i warunków brzegowych. Zapewnia to nie tylko niezawodność w projektowaniu, badaniach naukowych, budowie i eksploatacji, ale także walidację i optymalizację projektu oraz regulacji.

Czynniki monitorujące obejmują głównie hydrologię, osady i ukształtowanie terenu kanału. Badanie ukształtowania terenu kanału ma na celu przede wszystkim uzyskanie informacji o regularności ewolucji kanału w stanie surowym, osadzaniu się osadów w zbiorniku, erozji w dół rzeki oraz ewolucji kluczowych odcinków po spiętrzeniu TGP.

Radarowy czujnik prędkości przepływu wody do zastosowań takich jak zapory przeciwpowodziowe, kanały otwarte i podziemne sieci rurociągów. Umożliwia monitorowanie danych w czasie rzeczywistym.