Использование геоинформационных систем для поиска перспективного места строительства малых гидроэлектростанций в Республике Хакасия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО Сибирский федеральный университет

Использование геоинформационных систем для поиска перспективного места строительства малых гидроэлектростанций в Республике Хакасия

Д.Н. Кургунов

Аннотация -- в настоящее время в электроснабжении отдаленных районов республики Хакасия существует ряд проблем, решением которых является строительство малых ГЭС (МГЭС). Место будущего строительства малой ГЭС определить довольно сложно. Для этого необходимо провести анализ всех приемлемых вариантов и произвести их сравнение по факторам: геологическим, топографическим, гидрологическим и т.д., которые должны быть заранее определены. Из-за больших площадей исследования и большого числа факторов, влияющих на выбор месторасположения будущего створа ГЭС, возникает необходимость в использовании современных технологий. В настоящее время для определения места створа будущей МГЭС перспективным является метод с использованием геоинформационных систем (ГИС).

Ключевые слова -- геоинформационные системы, малые ГЭС, выбор места строительства.

Abstract--at present, there are a number of problems in the electricity supply of remote regions of the Republic of Khakassia, the solution of which is the construction of small hydroelectric power plants (SHPPs). The location of the future construction of a small HPP is difficult to determine. To do this, it is necessary to analyze all acceptable options and compare them by factors: geological, topographical, hydrological, etc., which must be determined in advance.Due to large areas of research and a large number of factors influencing the choice of the location of the future power station, it becomes necessary to use modern technologies. At present, a method with the use of geoinformation systems (GIS) is promising to determine the location of future SHPP.

Keywords --geoinformation systems, small hydro power plants, choice of construction site.

Развитие малой гидроэнергетики является перспективным направлением в освоении гидроресурсов нашей страны. С помощью малой гидроэнергетики можно решить много проблем в современном энергоснабжении, главной из которых является обеспечение электрической энергией удаленных и труднодоступных потребителей.

В настоящее время в электроснабжении отдаленных районов республики Хакасия существует ряд проблем, решением которых является строительство малых гидроэлектростанций (МГЭС).

На территории Хакасии учтено 324 реки. Регион является подходящим местом для развития малой гидроэнергетики. Место будущего строительства малой ГЭС определить довольно сложно. Для этого необходимо провести анализ всех приемлемых вариантов и произвести их сравнение по факторам: геологическим, топографическим, гидрологическим и т.д., которые должны быть заранее определены.

Из-за больших площадей исследования и большого числа факторов, влияющих на выбор месторасположения будущего створа ГЭС, возникает необходимость в использовании современных технологий. В настоящее время для определения места створа будущей МГЭС перспективным является метод с использованием геоинформационных систем (ГИС).

Определение способа исследования и постановка задачи

.До недавнего времени проектирование ГЭС основывалось на так называемом «традиционном» методе. Такой подход накладывает ограничение на количество рассматриваемых створов для одной реки, что ведет к неточностям при выборе места строительства ГЭС.

Современные технологии позволили пересмотреть подходы к проектированию. Применение ГИС технологий позволяет увеличить объем анализируемой информации (анализ больших пространств и территорий), что приводит к получению более подробных и точных результатов. При помощи ГИС возможно исследование максимального количества створов при максимальном числе определяющих факторов.

Задачей данной работы является определение наилучшего варианта МГЭС для электроснабжения объектов инвестиционной программы. Выполнение этой задачи производится путем сравнения различных вариантов створов и их параметров при помощи определяющих факторов, с применением ГИС технологий.

Определяющие факторы

Под факторами в данной работе подразумевается совокупность условий, по которым происходит выбор створа, а под критериями - правила, исходя из которых будет производиться принятие решений на соответствие этим условиям.

Для наиболее полного обоснования строительства ГЭС, помимо решения задач эффективного и полного использования гидроэнергетических ресурсов, должны соблюдаться жизненно важные интересы социального характера и охраны окружающей природной среды [2]. Все факторы, влияющие на выбор створов, можно разделить на 4 группы [2]:

Экономические:

- основные параметры проектируемой ГЭС;

-затраты на создание водохранилища;

-срок строительства ГЭС;

-близость к ЛЭП;

-близость к автомобильным дорогам;

-близость к карьерам строительных материалов;

-близость к населенным пунктам;

-близость к потребителю;

-близость к месторождения полезных ископаемых.

Экологические:

-затопление заповедников и особо охраняемых природных территорий;

-затопление могильников и мест, представляющих археологическую ценность;

-затопление лесных массивов, пастбищ и пашен;

-ущерб, наносимый фауне.

Социальные:

-наличие населения в зоне затопления;

-потребность в электроэнергии;

-наличие программ по поддержке развития малой энергетики в регионе.

Технические:

-гидрология реки;

-топография местности;

-гидроэнергетический потенциал;

-инженерно-геологические условия.

Алгоритм исследования

После определения факторов целесообразно описать алгоритм, по которому будет производиться исследование. Алгоритм построен на основе отсекающих и определяющих критериев. Отсекающие критерии (например, определение применимости типовых гидротурбин) вводятся для выбраковки вариантов створов. Определяющие критерии служат для сравнения створов с точки зрения энергетических характеристик.

Началом алгоритма служат различные исходные данные (данные водомерных постов, план развития региона и т.д), на основе которых проводится исследование. Далее идет обработка этих данных для получения конечного результата, причем если исходных данных не хватает, или они представлены в форме отличной от требуемой, то производится их промежуточная обработка. После этого используются отсекающие критерии для выбраковки неподходящих вариантов. Например, после определения отметок нормального подпорного уровня (НПУ) и уровней нижнего бьефа (УНБ) производится проверка по критерию применимости типовых гидротурбин (возможна ли установка турбин входящих в стандартную номенклатуру). Если полученные данные не соответствуют предъявляемому критерию, то вариант считается выбракованным и далее не рассматривается.

Предложенный алгоритм представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Алгоритм исследования

Итогом алгоритма является последний этап в ходе которого каждому параметру всех не выбракованных створов присваивается оценочный коэффициент для сравнения.

Присвоение коэффициента производится по следующему принципу, продемонстрированному на примере параметра мощности ГЭС:

(1)

где, -коэффициент по мощности ГЭС;

- мощность ГЭС;

-максимальная мощность для рассматриваемой реки.

После нахождения коэффициентов для каждого параметра, производится их умножение (нахождение суммарного коэффициента створа) и упорядочивание по принципу от большего к меньшему.

Рис. 2

Предпочтение отдается створам, получившийся суммарный коэффициент которых ближе остальных к значению равном единице.

Применение алгоритма

Для проведения исследования были выбраны 4 реки (Тёя, Белый Июс, Большая Ерба, Она) находящиеся максимально близко к планируемым объектам строительства в соответствии с планом социально-экономического развития Республики Хакасия до 2030 года. Затем для каждой реки были выявленыстворы, подходящие для строительства ГЭС. Для этого при помощи программы Google Earth на всем протяжении рек были рассмотрены их поперечные сечения. Пример рассматриваемого сечения представлен на рисунке 2.

В соответствии с данными [5] были построены кривые связей расходов и уровней бьефов, что позволило определить отметки НПУ и расходы (рисунок 3). После этого проводится оценка створов по предварительным параметрам будущей плотины (построение треугольника плотины).

Рис. 3 Поперечное сечение реки Она

Мощность ГЭС для каждого створа определяется по выражению (2):

(2)

где, - мощность ГЭС, МВт;

-напор, м;

-расход, м³/с;

-усреднённый параметр КПД гидроагрегата МГЭС.

Рис. 1. Кривые связей уровней нижнего бьефа и расходов для реки Она

После нахождения основных энергетических параметров производится расчет запасов воды в снежном покрове, а также обработка данных о водохранилище.

В программном обеспечении ArcGisPro создается модель затопления водохранилища, а также определяется площадь снежного покрова, который попадает в водосборную часть долины реки.

Важным на данном этапе является обработка полученных данных на соответствие ряду факторов связанных с затоплением земель. Если в зону затопления попадают заповедники, места обитания редких видов представителей флоры и фауны, могильники и места, представляющие археологическую ценность, то створ следует считать выбракованным, рассмотрение которого дальше не производится. Затем необходимо рассчитать примерные затраты на затопление пашен, угодий, лесных массивов, переселение населения и сопоставить полученные резульататы.

Далее, используя данные ГЭС-аналогов и усредненные показатели, определяются примерные затраты необходимые на создание водохранилища для каждой из отметок НПУ в каждом рассматриваемом створе.

Итогом работы по алгоритму являются наилучшие створы для каждой реки в отношении энергетических, экологических, технических факторов.

Анализ объектов инфраструктуры

Определение близости объектов инфраструктуры при помощи ГИС заметно облегчает поставленные перед проектировщиком задачи, при этом, не снижая качества обработанных данных.

Анализ близости объектов инфраструктуры в выбранных районах будет производиться также с применением ГИС.

Для каждого из ниже представленных объектов инфраструктуры определяется расстояние от проектируемого места расположения гидроузла:

-ЛЭП;

- автомобильные дороги;

- карьеры строительных материалов;

- населенный пункт;

- потребитель;

- месторождения полезных ископаемых.

После этого, для установленных значений (измеренное расстояния от ГЭС до каждого объекта)вычисляется оценочный коэффициент, который представляет собой отношение вычисленного значения к минимальному расстоянию среди других створов.

Далее проводится анализ полной картины расположения объектов инфраструктуры.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Использование ГИС-технологий для выбора створов МГЭС позволяет получить результаты предпроектного характера.

2. Метод позволяет определить факторы, критерии и построить цифровую модель рельефа.

3.Рассчитаны параметры возможных створов с использованием ГИС для 4 рек и получены следующие результаты:

Онакская ГЭС - N=15,4 МВт,Q=141,2 м³/с;

V=0,34 км³;P=16527 м³;S= 42387,8тыс.руб; Н=12,1 м.

Тейская ГЭС - N=22,2 МВт;Q=178,5 м³/с;

V=0,31 км³;P=5287 м³;S= 38647,7тыс.руб; Н=13,8 м.

Ербинская ГЭС - N=27,8 МВт; Q=152,4 м³/с;

V=0,4 км³;P=4401 м³;S= 49868 тыс.руб;Н=20,3 м.

Июсская ГЭС - N=14,3 МВт; Q=141 м³/с;

V=0,47 км³;P=8894 м³;S= 58594,9 тыс.руб; Н=11,2 м.

где S- затраты на создание водохранилища;

P- запасы воды в снежном покрове;

V- объем водохранилища.

Строительство малых ГЭС поможет решить проблемы в электроснабжении и развитии региона.

геоинформационный гидроэлектростанция хакасия

Список литературы

1. Иванов Т.С., БаденкоН.В, Олешко В.А. Геоинформационные методы поиска перспективных створов для строительства ГЭС // Инженерно-строительный журнал. - 2013 - №4(39). - с.70-82.

2. Нормы и требования / авт. НП «Гидроэнергетика России»; ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» // Гидроэлектростанции. Научное обоснование создания гидроэнергетических объектов. - Москва 2009 г.

3. C. Daly, G. PalominoA GIS-based assessment of maximum potential hydropower production in La Plata basin under global changes / Renewable Energy. - 2013 г.. - Т. 50. - стр. 103-114.

4. Пупасов-МаксимовА. М.Задача оптимизации местоположения и структуры малой ГЭС на стадии обоснования инвестиций [Электронный ресурс]/ Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. - № 5 (18).

5. Сведения о водомерных постах России по данным ЮНЕСКО [Электронный ресурс].http://webworld.ru/

6. ГИС Центра Регистра и Кадастра [Электронный ресурс]. http:// http://gis.vodinfo.ru/

7. Постановление Президиума Правительства Республики Хакасия от 07.09.2015 № 87-п. Об утверждении Прогноза социально-экономического развития Республики Хакасия на период до 2030 года.

8. Иванов Т.С., Баденко Н.В., Олешко В.А. Арефьев Н. В. Никонова О. Г., Анализ мирового опыта автоматизированного расчета гидроэнергопотенциала рек и поиска перспективных створов гидроузлов / Гидротехническое строительство. - 2015. - №3. - с. 30-37.

9. Сема Е.Г., Фроленко Н.С., Тенешев А.В. Перспективы спользования гидроэнергетических ресурсов Республики Хакасия/ Сборник материалов IV Научно-практической конференции «Гидроэлектростанции в ХХI веке».-2017 г.

10. Толстихина Л.В., Кургунов Д.Н.Использование геоинформационных систем для поиска перспективного места строительства малых ГЭС в Республике Хакасия/ Сборник материалов IV Научно-практической конференции «Гидроэлектростанции в ХХI веке».-2017 г.

References

1. Ivanov T.S., Badenko N.V., Oleshko V.A Geoinformational methods of searching promising cross-sections for the construction of hydropower plants // Engineering and construction magazine. - 2013 - No. 4 (39). - p.70-82.

2. Norms and requirements / aut. NP "Hydropower of Russia"; JSC VNIIG them. B.Е. Vedeneev "// Hydroelectric power stations. Scientific basis for the creation of hydropower facilities. - Moscow 2009

3. [C. Daly, G. Palomino A GIS-based assessment of the maximum potential hydropower production in La Plata basin under global changes / Renewable Energy. - 2013 - T. 50. - pp. 103-114.

4. Pupasov-Maksimov AM The task of optimizing the location and structure of a small HPP at the stage of investment justification [Electronic resource] / Internet-journal "Naukovedenie". - 2013. - No. 5 (18).

5. Information about water-measuring posts of Russia according to UNESCO [Electronic resource] http://webworld.ru/

6. GIS of the Register Center and Cadastre [Electronic resource]. Http: // http://gis.vodinfo.ru/

7. Postanovleniye Prezidiuma Pravitel'stva Respubliki Khakasiya ot 07.09.2015 № 87-p. Ob utverzhdenii Prognoza sotsial'no-ekonomicheskogo razvitiya Respubliki Khakasiya na period do 2030 goda.

8. Ivanov T.S., Badenko N.V., Oleshko V.A. Aref'yev N. V. Nikonova O. G., Analiz mirovogo urovnya avtomatizatsii gidrologicheskogo analiza gidrodinamicheskikh i gidrodinamicheskikh issledovaniy gidrouzlov / Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo. - 2015 god. - №3. - s. 30-37.

9. Sema Ye.G., Frolenko N.S., Teneshev A.V. Perspektivy spol'zovaniya gidroenergeticheskikh resursov Respubliki Khakasiya / Sbornik materialov IV Nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Gidroelektrostantsii v KHKHI veke» .- 2017 g.

10. [Tolstikhina L.V., Kurgunov D.N. Ispol'zovaniye geoinformatsionnykh sistem dlya poiska perspektivnykh mest stroitel'stva malykh GES v Respublike Khakasiya / Sbornik materialov IV Nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Gidroelektrostantsii v KHKHI veke» .- 2017 g.

Размещено на Allbest.ru