מדידת זרימה ומשקעים עבור פרויקט שלושת הערוצים

תַקצִיר
בעיית זרימה ומשקעים היא אחד הגורמים המרכזיים המשפיעים על פעולת השיגור ועל חיי פרויקט שלושת הערוצים (TGP). גישות רבות יושמו לחקר בעיות הזרימה והמשקעים של TGP במהלך ההדגמה, התכנון, העיצוב, הבנייה והתפעול שלו, והושגו תוצאות חשובות רבות. כדי להבין את התקדמות מדידת הזרימה והמשקעים בפרויקטים מייצגים של סין ואת הניסיון בתצפית על משקעים במאגרים גדולים במיוחד, מוצגת בעיקר מדידת הזרימה והמשקעים של TGP במאמר זה. הוא כולל את המצב הכללי של TGP, את פיזור רשת התחנות ההידרולוגיות, את גורמי המדידה, את טכנולוגיית המדידה החדשה ואת השינויים במשקעים במאגר ובמורד הזרם לאחר אגירת TGP. תוצאות מדידת המשקעים מראות כי המצב הבסיסי של בעיות המשקעים הוא טוב, ובעיות משקעים אלו עשויות להצטבר, להתפתח ולהשתנות עם הזמן, ולכן יש להקדיש להן תשומת לב מתמשכת.

1 מבוא
פרויקט שלושת הערוצים (TGP) הוא פרויקט שימור המים והאנרגיה ההידרואלקטרית הגדול ביותר בעולם. הסכר נמצא בסנדופינג, בעיר ייצ'אנג, במחוז הוביי, המהווה את קו המפריד בין הזרם האמצעי לזרם הזרם הראשי של נהר היאנגצה. הוא שולט על שטח ניקוז של מיליון קמ"ר, ונפח הנגר השנתי הממוצע מגיע ל-451,000 מיליון מ"ק. עם קיבולת אגירת שיטפונות של 22.15 מיליארד מ"ק, הפרויקט ממלא תפקיד מרכזי בבקרת שיטפונות באגן נהר היאנגצה. עם מפלס אגירה רגיל של 175 מ"ק, קיבולת האגירה הכוללת של המאגר היא 39,300 ו-22,150 מיליון מ"ק ממנו הם קיבולת בקרת שיטפונות. פיתוח ה-TGP מתמקד במניעת שיטפונות, ייצור חשמל והובלת מים. הוא ישפר גם את הסביבה האקולוגית. במהלך תקופה זו, הושגו יתרונות מקיפים בנוגע לבקרת שיטפונות, ניווט, ייצור חשמל וניצול משאבי מים.

כחלק מרכזי במערכת בקרת השיטפונות בחלקים האמצעיים והתחתונים של נהר היאנגצה, הסכר שולט ב-96% מהזרימה לנהר ג'ינגג'יאנג, קטע הנהר המסוכן ביותר במהלך שיטפונות, ובמעל שני שלישים מהזרימה לווהאן. הסכר ממלא תפקיד חיוני בהפחתת השיטפונות ובהפחתת השיטפונות העצומים בחלקים העליונים של נהר היאנגצה. עד סוף אוגוסט, הסכר עצר 180 מיליארד מטרים מעוקבים של מים במהלך עונות השיטפונות. הוא ראה זרימות של למעלה מ-70,000 מטרים מעוקבים לשנייה בשנים 2010 ו-2012 והפחית את שיאי השיטפונות בכ-40%, מה שהקל מאוד על לחץ בקרת השיטפונות באזורים במורד הזרם. במהלך עונות יבשות, הספיקות עלו ליותר מ-5500 מטרים מעוקבים לשנייה, ומספקות יותר מ-20 מיליארד מטרים מעוקבים של מים בשנה לחלקים האמצעיים והתחתונים של נהר היאנגצה.

תצפית האב-טיפוס מבוצעת למטרות מחקר, בנייה ותפעול משקעים של מאגר שלושת הערוצים בתקופות שונות. מדידות אב-טיפוס שימשו לניתוח השינויים בנגר ובעומס המשקעים בערוץ הראשי של נהר היאנגצה, כמו גם את השינויים וההתפתחות של אפיק הנהר. פיזור האתרים מוצג באיור 1. תוצאות התצפית הנוכחיות תואמות בעיקרן את שלב מחקר ההיתכנות (Lu & Huang, 2013), אך עקב צמצום המשקעים במעלה הזרם ובניית מאגרי אשד בנהר ג'ינשה לאחר שנות ה-90, השקיעה במאגר שלושת הערוצים (TGR) קטנה בהרבה מבעבר, וכתוצאה מכך עוצמה ומרחק גדולים יותר של סחף אפיק הנהר במורד הזרם של מאגר שלושת הערוצים.

2 מערכת תכנון ומדידה של רשתות הידרולוגיות
כדי לאסוף נתונים בסיסיים ולספק שירותים לבניית הנדסת אגן, ועדת משאבי המים של צ'אנגג'יאנג הקימה בהדרגה מספר רב של תחנות הידרולוגיות לאורך הנחל הראשי ויובליו של נהר היאנגצה מאז שנות ה-50. עד שנות ה-90, הוקמה למעשה רשת תחנות הידרולוגיות ורשת ניטור משקעים שלמה. היא כוללת 118 תחנות הידרולוגיות ויותר מ-350 תחנות מדידה. בנוסף, הושלמה כמות גדולה של עבודות סקרים וניתוח משקעים של הנהרות. נתוני התצפית ההידרולוגית ותצפית המשקעים של העשורים האחרונים במשך מספר דורות סיפקו בסיס מדעי להדגמה, תכנון, בנייה ותפעול של TGP.

תצפית האב-טיפוס מבוצעת כדי לשרת את מחקר הסחף, הבנייה והתפעול של מאגר TGR בתקופות שונות. לאחר שהמאגר החל לאחסן בשנת 2003, הופיעה בעיית הסחף הן בחלקים העליונים והתחתונים, ותצפית האב-טיפוס ומחקר הסחף המתאים בוצעו כדי לשרת את תפעול מאגר TGR ישירות. מטרת התצפית כוללת את ההיבטים הבאים: שליטה בנתוני הרקע של מצב התעלה הטבעית לפני אגירה מלאה; מתן התייחסות להחלטה על תוכנית אגירה בתשלומים; ניטור בזמן אמת של שינויי הסחף והשקיעה הן בחלקים העליונים והתחתונים לאחר האגירה, וגילוי הבעיות, על מנת לנקוט באמצעי נגד בזמן; אימות טכנולוגיית הסימולציה שאומצה, והגברת אמינות חיזוי הסחף של מאגר TGP.

טווח התצפית של אבות טיפוס של משקעים הידרולוגיים כולל את אזור המאגר, אתר הסכר והחלקים התחתונים. מאז 1949, בהתבסס על מדידת משקעים ארוכת שנים, תצפית על תעלות, חיפוש וחקירה, נצברו נתוני תצפית רבים של אבות טיפוס ותוצאות מחקר ניתוח, ובכך ענו על דרישות התכנון, העיצוב והמחקר המדעי בשלב ההגדרה. שלב הבנייה הוא שלב ביניים שיבוא לאחר שלב הפרופאזה, ותקופת הבנייה הכוללת היא 17 ימים, ולכן יש צורך לעקוב באופן רציף אחר השינויים בנגר, בסדימנט ובתנאי הגבול. זה לא רק מספק תלות לתכנון, מחקר מדעי, בנייה ותפעול, אלא גם לאימות ואופטימיזציה של תכנון ורגולציה.

גורמי הניטור כוללים בעיקר הידרולוגיה, משקעים ושטח התעלה. סקר שטח התעלה נועד בעיקר לברר את סדירות התפתחות התעלה במקור הגולמי, את שקיעת המשקעים במאגר, את הסחף במורד הזרם ואת התפתחות האזורים המרכזיים לאחר ליטוש ה-TGP.

2 מערכת תכנון ומדידה של רשתות הידרולוגיות
כדי לאסוף נתונים בסיסיים ולספק שירותים לבניית הנדסת אגן, ועדת משאבי המים של צ'אנגג'יאנג הקימה בהדרגה מספר רב של תחנות הידרולוגיות לאורך הנחל הראשי ויובליו של נהר היאנגצה מאז שנות ה-50. עד שנות ה-90, הוקמה למעשה רשת תחנות הידרולוגיות ורשת ניטור משקעים שלמה. היא כוללת 118 תחנות הידרולוגיות ויותר מ-350 תחנות מדידה. בנוסף, הושלמה כמות גדולה של עבודות סקרים וניתוח משקעים של הנהרות. נתוני התצפית ההידרולוגית ותצפית המשקעים של העשורים האחרונים במשך מספר דורות סיפקו בסיס מדעי להדגמה, תכנון, בנייה ותפעול של TGP.

תצפית האב-טיפוס מבוצעת כדי לשרת את מחקר הסחף, הבנייה והתפעול של מאגר TGR בתקופות שונות. לאחר שהמאגר החל לאחסן בשנת 2003, הופיעה בעיית הסחף הן בחלקים העליונים והתחתונים, ותצפית האב-טיפוס ומחקר הסחף המתאים בוצעו כדי לשרת את תפעול מאגר TGR ישירות. מטרת התצפית כוללת את ההיבטים הבאים: שליטה בנתוני הרקע של מצב התעלה הטבעית לפני אגירה מלאה; מתן התייחסות להחלטה על תוכנית אגירה בתשלומים; ניטור בזמן אמת של שינויי הסחף והשקיעה הן בחלקים העליונים והתחתונים לאחר האגירה, וגילוי הבעיות, על מנת לנקוט באמצעי נגד בזמן; אימות טכנולוגיית הסימולציה שאומצה, והגברת אמינות חיזוי הסחף של מאגר TGP.

טווח התצפית של אבות טיפוס של משקעים הידרולוגיים כולל את אזור המאגר, אתר הסכר והחלקים התחתונים. מאז 1949, בהתבסס על מדידת משקעים ארוכת שנים, תצפית על תעלות, חיפוש וחקירה, נצברו נתוני תצפית רבים של אבות טיפוס ותוצאות מחקר ניתוח, ובכך ענו על דרישות התכנון, העיצוב והמחקר המדעי בשלב ההגדרה. שלב הבנייה הוא שלב ביניים שיבוא לאחר שלב הפרופאזה, ותקופת הבנייה הכוללת היא 17 ימים, ולכן יש צורך לעקוב באופן רציף אחר השינויים בנגר, בסדימנט ובתנאי הגבול. זה לא רק מספק תלות לתכנון, מחקר מדעי, בנייה ותפעול, אלא גם לאימות ואופטימיזציה של תכנון ורגולציה.

גורמי הניטור כוללים בעיקר הידרולוגיה, משקעים ושטח התעלה. סקר שטח התעלה נועד בעיקר לברר את סדירות התפתחות התעלה במקור הגולמי, את שקיעת המשקעים במאגר, את הסחף במורד הזרם ואת התפתחות האזורים המרכזיים לאחר ליטוש ה-TGP.

חיישן מהירות זרימת מפלס מים מכ"ם לתרחישים כגון סכרים, תעלות פתוחות ורשתות צינורות תת-קרקעיות, הוא יכול לנטר נתונים בזמן אמת