10455
.pdf50
Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчёты Водохранилища
Водохранилище – искусственно созданный водоём для хранения воды
и регулирования стока. Пруд – искусственный водоём небольших размеров и |
||||||||||||||
площадью водной поверхности |
менее |
1 |
|
2. |
Речные |
водохранилища |
||||||||
создаются путём перегораживания рек |
плотинами. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
км |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Основные характеристики водохранилища: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
- Характерные уровни: НПУ, УМО, ФПУ в метрах. |
|
в |
|
2. |
||||||||||
- Площадь зеркала ( |
км |
|
|
|
|
|
, |
|
, |
|
|
|||
- Характерные объёмы: полезный (VПЛЗ), мёртвый |
(VМ), полный |
|||||||||||||
(V(ПЛЗ+М)), форсированный (VФ) - в |
|
3. |
|
НПУ |
|
УМО |
|
ФПУ |
|
км |
|
|||
|
– рабочая ёмкость |
|
|
|
|
|
||||||||
Полезный объём |
поверхности воды): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
водохранилища, предназначена для |
регулирования стока с целью гарантированного обеспечения потребителей водой и заключена между НПУ и УМО.
Мёртвый объём – объём чаши водохранилища, тот минимум, который предназначен для аккумуляции наносов в течение длительного срока эксплуатации. В нормальных условиях эксплуатации Vм не срабатывается и в регулировании стока не участвует, но водохранилище может опорожняться по истечении срока эксплуатации. Объём мёртвый должен быть больше
объёма наносов за период предполагаемой эксплуатации. |
|
|
|||||||
Vм > Т( |
|
(1 – δ) + |
|
), |
|
|
|||
где Т – срок предполагаемой |
эксплуатации; |
|
Д- годовой объём взвешенных |
||||||
|
|
|
|
|
|||||
наносов; δ - доля уходящих из |
водохранилища наносов; |
|
- годовой объём |
||||||
|
|
|
|
|
Д |
||||
донных наносов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Объём форсировки – VФ – объем, заключенный между ФПУ и НПУ – |
резервная ёмкость водохранилища служит для предотвращения наводнения – противопаводковый объём.
Наивысшей отметке уровня воды в водохранилище отвечает ФПУ. До отметки ФПУ допускается кратковременное наполнение водохранилища, когда пропускная способность водосбросных отверстий (сооружений) оказывается ниже притока воды в водохранилище (в основном весной и не каждый год) – это ЧС.
Основной расчётный уровень водохранилища – нормальный подпорный уровень. Расположен на 20÷100 см ниже ФПУ. Водохранилище к отметке НПУ обычно наполняется в конце весеннего половодья.
51
|
|
I – зона постоянного затопления; |
|
|
|
||||||||
|
|
II – зона долговременного затопления; |
|||||||||||
|
|
III – зона кратковременного затопления. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n = м, |
|
||||
|
|
Число лет незаиления водохранилища: |
|||||||||||
где |
|
– ежегодный объём наносов ( |
взвешенных и донных): |
||||||||||
н |
|
в |
н |
|
|
||||||||
|
Вес взвешенных наносов |
н |
|
= |
вв |
, |
|
||||||
|
= |
в |
+ |
д |
|||||||||
|
вВес |
м |
|
|
|
всех взвешенных наносов. |
|||||||
где |
|
= 0,7÷0,8 Т |
– удельный вес |
Р |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
донных3 |
наносов |
|
|
|
д = дд, |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
|
= 1,5÷1,7 Т |
- удельный вес |
|
всех донных наносов. |
||||||||
д |
|
Р |
|
|
|
|
|
||||||
|
Посколькум3 |
не всегда целесообразно проводить изыскания, то |
|||||||||||
принимают вес донных наносов как долю от взвешенных:: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= β |
|
|
., |
|
где: β – |
некоторая доля, для |
горных |
рек β >0,1, для равнинных рек |
||||||||||
β=0,0÷50,1. |
|
|
|
Рд |
|
|
Рв |
|
|||||
|
|
Окончательно: |
н = вв + β ввд = вв(1 + д). |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наносы и твёрдый сток
Речные наносы – твёрдые минеральные частицы, переносимые потоком
иобразующие русловые и пойменные отложения. Они образуются в результате водной эрозии, т.е. разрушении поверхности Земли под действием текущей воды. Различают 2 основных вида наносов:
1.Наносы, попадающие в реку в результате смыва частиц грунта талыми и дождевыми водами.
2.Наносы, являющиеся продуктами размыва потоком ложа самой реки
иеё притоков.
Воздействие потока на русло проявляется в размыве (начальная стадия), переносе материалов размыва и их отложении (конечная стадия). На равнинных реках размыв происходит в верхнем течении, отложения (аккумуляции) в нижнем течении. Поток размывает не только дно (глубинная эрозия), но и берега русла и долины реки (боковая эрозия). В результате русло расширяется в плане, что приводит к расширению долины и образованию извилин – меандр. Это происходит в основном в среднем течении. В зависимости от характера перемещения наносов потоком различают взвешенные, влекомые и донные наносы.
52
Такое деление наносов весьма условное, при различных скоростях движения наносы одинаковой крупности могут быть как во взвешенном состоянии, так и во влекомом. Количественное содержание взвешенных
твёрдых частиц, |
которые |
|
перемещаются в |
толще потока, |
определяется |
|||||||
мутностью. |
|
|
|
= |
н·106, |
г |
|
|
|
|
|
|
где – масса взвешенных |
наносов в пробе,3г; А – объём пробы воды, |
|
3 |
. |
||||||||
|
|
|
А |
м |
|
|
дну, |
это |
||||
нВлекомые |
наносы – |
более |
крупные, |
перемещаются |
по |
|
||||||
|
см |
|
|
происходит под действием гидродинамического давления, возникающего при обтекании их потоков. При этом на частицу действуют: сила лобового давления (зависящая от скорости течения и размеров частиц); подъёмное усилие (создаётся как результат повышения давления с лобовой стороны и понижения с низовой и боков частицы). Измеряют донными батометрами.
Пробы донных наносов берут специальными приборами – щупами. Если изыскания не проводятся приборами, то обычно количество
донных (влекомых) наносов принимают в некоторой доли от взвешенных. |
||||||||||||||||||
|
|
Расход взвешенных наносов: |
|
|
|
кг м |
|
кг |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
в |
= |
|
Q, |
|
м3 |
· |
|
3 = |
с |
, |
|
|
|
где – средняя мутность. |
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
||||||||
где β – некоторая доля. |
|
|
д |
|
|
в |
|
с |
|
|
|
|
||||||
|
|
Расход наносов за определённый промежуток времени (месяц, год, |
||||||||||||||||
сезон) – сток наносов или твёрдый сток. |
|
|
|
106 |
|
|
||||||||||||
где ср – среднегодовой расход |
|
|
= |
ср T, |
|
|
||||||||||||
|
|
Формула твёрдого стока за год: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
Т, |
|
|
|
|
||
|
|
– среднемноголетняя |
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
срНорма стока наносов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с в году. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
воды; Т = 31,5· |
|
|
|
|||||||||
где |
|
|
|
|
мутность воды. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
Примеры: |
|
|
|
в = |
ср |
|
|
|
|
|
||||||
0,1÷0,25 кг; на юге – до 20 |
кг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
ср = |
||||||||
|
|
1) В Европейской части средняя мутность рек составляет |
|
|||||||||||||||
|
|
2) м |
|
м |
|
|
|
каскада гидроузлов ежегодно перемещала |
||||||||||
|
|
Река3 |
Волга до постройки3 |
по своей длине до 30 млн тонн наносов. После возведения гидроузлов в Каспийское море попадает 12÷18 млн тонн , с 80/х гг прошлого столетия стали углублять Волжские водохранилища.
3) Река Сырдарья, называют «Королевой Средней Азии» (Средняя Азия, Узбекистан) несет в Аральское море свыше 200 млн тонн наносов.
|
|
|
|
|
|
|
53 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расходы наносов различной вероятности превышения |
С ′ |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для определения процента обеспеченности расхода наносов требуется |
|||||||||||||||||
знать: нормы стока наносов |
в, и коэффициенты, относящиеся к наносам |
|
||||||||||||||||
и . |
|
|
|
|
||||||||||||||
′ |
Для определения среднемноголетнего расхода наносов |
|
необходимо |
|||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
иметь длительный ряд наблюдений, но такие наблюдения за |
твёрдым стоком |
|||||||||||||||||
|
в |
|
|
|||||||||||||||
организованы |
недавно, |
|
поэтому |
|
|
пользуются |
|
косвенным методом |
||||||||||
определения: |
|
в |
|
|
|
|
|
= |
|
|
в |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
в |
= |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
соответствует расход |
|||||||
|
По наблюдениям за месяц расходу наносов |
|||||||||||||||||
воды Q. Надо определить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
, если известно |
|
в |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Коэффициент вариации для в |
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
С ′ |
С |
|
|
наносов принимается: |
|
|
|
|
|||||||||
|
С ′ |
= 1,6 |
– для равнинных рек; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
= 3,5С |
– для горных рек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
′ |
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент асимметрии: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2 , где – коэффициент вариации для воды Строится кривая обеспеченности.
Зависимости F = f(h) и V = f(h)
Главная задача водохозяйственного расчёта – определение полезного объёма и выбор отметки НПУ. Полезный объём зависит от:
1.Назначения водохранилища (запасные – повышение расхода в маловодные периоды; задерживающие или противопаводковые – борьба с наводнениями; комплексные);
2.Продолжительности регулирования (суточные, сезонные и многолетние).
Полезный объем водохранилища находится путём сопоставления расчётного стока реки и суммарного водопотребления.
Для построения зависимостей F = f(h) и V = f(h):
1.Проектируется гидроузел, создаётся водохранилище.
2.Выясняется, какая у него будет ёмкость в зависимости от решаемых задач, например, по потреблению.
3.Делается геодезическая съёмка, строится план участка в горизонталях.
4.Определяем объем и уровни водохранилища.
Регулирование стока водохранилищем
Регулирование стока — это процесс перераспределения его водохранилищами во времени и в пространстве. В современных условиях всякое гидротехническое сооружение, связанное с регулированием речного стока, имеет комплексное назначение. Так, водохранилища
54
гидроэлектростанции, кроме регулирования стока для энергетических целей, обычно используются и для водохозяйственных целей —ирригации, судоходства, водоснабжения и т. п. Имеется ряд объектов, в основном преследующих водохозяйственные цели, а энергетические задачи решаются попутно.
Естественный режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках снегового питания в периоды весеннего половодья (1,5—3 мес.) проходит обычно до 60÷70% годового стока. Существенно различается годовой сток и в многолетнем разрезе.
Такое распределение стока находится в резком противоречии с режимом его потребления. Так, для нужд энергетики в многолетнем разрезе предпочтителен равномерный режим стока. В годовом разрезе гидроэлектростанции предъявляют повышенный спрос на воду в осеннезимние месяцы, т. е. когда расходы воды в реке наименьшие. В суточном разрезе график нагрузки ГЭС отличается значительной неравномерностью, тогда как приточность равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна.
Все это приводит к необходимости перераспределения естественного стока во времени. Это осуществляется с помощью регулирования стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток, в то время когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.
Как уже отмечалось, регулирование бывает нескольких видов:
-суточное регулирование;
-недельное регулирование;
-годичное регулирование;
-многолетнее регулирование;
-компенсирующее регулирование;
-трансформация половодья;
-каскадное регулирование.
Рассмотрим годичное регулирование. Регулирование стока заключается во временном задержания объёма половодья (паводка) и дальнейшем его перераспределением в течение года. Регулирование выполняют аналитическим (более приближённым) и графическим (более точным) способами.
Могут возникнуть 2 различных расчётных случая: если величина избытков сосредоточена в виде сплошного ряда без разрывов, то полезный объём водохранилища равен сумме недостатков; когда недостатки в течение года разрываются на периоды (в половодье и в паводок имеются избытки) объём водохранилища принимается несколько меньше суммы всех недостатков и нужно подобрать величину ёмкости водохранилища с тем, чтобы в течение года регулирование проводилось от нуля до нуля.
55
Определение мёртвого объёма
Величина мёртвого объёма назначается, исходя из числа лет незаиления водохранилища. Поскольку скорости в водохранилище значительно меньше скоростей в реке, взвешенные наносы оседают на дно.
Для них нужно предусмотреть ёмкость: |
|
|
|
||
где з – число лет незаиления; н - |
|
= |
· |
|
, |
объём ежегодного стока наносов. |
|||||
м |
|
з |
н |
|
Русловые процессы в нижнем бьефе
В нижний бьеф поступает осветлённая вода, т.к. наносы остаются в водохранилище. Это ведёт к размыву русла и понижению его отметки, а так же понижению уровня воды в нижнем бьефе (так называемая просадка уровней). Когда водохранилище заиливается, поток наносов восстанавливается, происходит отложение наносов в нижний бьеф. Может произойти повышение дна реки и уровня воды. Крупные водохранилища испытываются на заиление в течение нескольких столетий. Тем не менее, в практике гидростроительства известны случаи очень быстрого их уничтожения наносами. Бороться с заилением водохранилищ можно путём уменьшения эрозий и твёрдого стока в его бассейне и своевременного сброса наносов из водохранилищ через специальные грязеспуски.
Потери воды из водохранилища
При создании водохранилища вследствие затопления и подтопления части территорий, подпора и повышения УГВ происходит изменение соотношения между элементами водного баланса. В результате возникают дополнительные потери воды, основные из которых:
-на испарение,
-на фильтрацию.
К потерям временного характера относят:
-объём воды, необходимый для заполнения мёртвого объёма и пополнения запасов подземных вод в начальный период эксплуатации;
-временные потери воды из-за оседания льда и покрывающего его снега на берегах водохранилища в период его зимней сработки.
Потери на испарение
Являются следствием того, что создание водохранилища приводит к затоплению значительно территории и часть суши заменяется водной поверхностью. Рассмотрим речной бассейн. Наряду с затоплением при создании водохранилище происходит подтопление прилегающей к водохранилищу территории. При этом повышаются уровни грунтовых вод, испарения увеличиваются. Площадь подтопления определяют как часть
56
суши, прилегающей к контуру водохранилища с глубиной залегания грунтовых вод не более 2÷2,5 м. Суммарный объём потерь воды при
испарении: н = затоп + подтоп
Для северных районов дополнительный объём на подтопление мал, а для сухой зоны большой. В связи с созданием водохранилища меняется климат района. По гидрохимическим и гидробиологическим особенностям водохранилище ближе к озёрам, чем к рекам. Затопленные почвы, размыв берегов, торфяники, растительность пополняют воду водохранилищ органическими веществами, увеличивая тем самым содержание углекислоты и уменьшая количество растворённого кислорода.
Потери на фильтрацию
Подпор, создаваемый плотиной водохранилища, затопление и подтопление значительной территории приводят к изменению режима грунтовых вод в зоне влияния водохранилища, увеличению потерь воды на фильтрацию.
Потери на фильтрацию складываются из:
-через дно и берега водохранилища;
-через тело, основание и в обход плотины.
Потери на фильтрацию через плотину невелики. Их удаётся свести к минимуму с помощью различных противофильтрационных устройств (понур, экран, ядро). Потери на фильтрацию через ложе водохранилища зависят от напора и гидрогеологических условий (к ним относят породы, слагающие долину реки, их водонепроницаемость, положение уровня и режима грунтовых вод). Очевидно, что большие потери на фильтрацию наблюдаются при: большом напоре; большой площади ложи водохранилища; ложе водохранилища сложено водопроницаемыми грунтами (трещиноватые песчаники, известняк и др.); УГВ на склонах располагается на склонах ниже НПУ.
Фильтрация из водохранилища – очень сложное и недостаточно изученное явление. При её оценке необходимо опираться на результаты гидрогеологических исследований, расчётов и опыты эксплуатации уже действующих водохранилищ. Гидрогеологические исследования для всего водохранилища, площадь которого очень значительная – вещь весьма дорогостоящая. Поэтому, основываясь на опыте эксплуатации, для предварительных расчётов пользуются рекомендациями Полякова. Потери на
фильтрацию определяются: ф ( ПЛЗ+ м)
= 100 ,
57
Потери на льдообразование
Скорость течения воды в водохранилище меньше, чем в реках. В результате этого на водохранилище увеличивается толщина льда: на крупных водохранилищах на 15÷20%, а на прудах и малых водохранилищах горных рек до 80%. Потери бывают возвратные и безвозвратные. С наступлением тёплого периода года лёд тает, и вся вода остаётся в водохранилище, поэтому сам процесс льдообразования никакой убыли воды из водохранилища не вызывает, однако, если зимой водохранилище срабатывается, площадь зеркала его уменьшается, часть льда оседает на берегах. Объём воды, содержащейся в осевшем льде, временно исключается из использования – это возвратные потери. Если лёд весной будет сброшен из водохранилища с
водой, то эти потери безвозвратные. |
|
) л( )− л( +1), |
|
|
|
||||||||
|
Потери на льдообразование: |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
= |
( |
- |
|
|
|
|
||||
где |
|
плотность льда. |
2 |
|
|
|
|
|
|||||
= 0,9 – относительнаяп |
|
л |
|
т+1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
лПри регулировании стока реки водохранилища требуется выполнение |
||||||||||||
условие: |
потребл + |
потерь должно быть < |
стока. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
Озёра |
|
|
|
|
|
|
|
|
Озеро – замкнутое понижение (котловина или впадина), заполненное |
||||||||||||
водой подземным или поверхностным путём. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Классификация: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. В зависимости от вида связи с мировым океаном (по водному |
||||||||||||
балансу): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Бессточные – озеро Эльтонь (солоноватое озеро на севере |
||||||||||||
Прикаспийской низменности, площадь зеркала 152 |
|
2, добывают пищевую |
|||||||||||
соль); озеро Баскунчак (добывают соль, площадь |
зеркала 106 |
|
2); |
||||||||||
|
км |
|
|
км |
|||||||||
|
- Сточные – озеро Байкал (пресноводное, |
в него |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
впадает 336 рек, а |
вытекает одна – Ангара, находится на высоте 456 м и окружено гора и, |
||||
площадь зеркала 31,5 тыс. |
|
2, самое глубокое в мире, h = 1620 м); озеро |
||
|
название Нево, площадь зеркала 17,5 тыс. |
|
, |
|
Ладожское (древнерусское км |
|
2 |
||
средняя глубина 51 м, впадают реки Волхов, Свирь и др., вытекает Нева)км. |
|
2. По питанию:
-Бесприточные – не имеют притоков, чаще всего заполняются водами половодий и паводков (озера на левом берегу Воли на Борской стороне Нижнего Новгорода);
-Приточные – питаются паводками впадающих в них рек (Устинские
озёра в Арзамасском районе); - Приточно-сточные (Оз. Байкал).
3. По происхождению котловин:
58
-Тектонические – в результате резких изменений в земной коре
(Байкал, Севан);
-Вулканические – под действием вулканических сил в кратерах потухших вулканов (Курильское озеро);
-Деформационные – в результате выдувания горных пород и в понижениях между барханами и дюнами;
-Ледниковые – в котловинах, выпаханных ледниками (озеро Селигер);
-Провальные (карстовые, суффозионные, термокарстовые) – результат химической деятельности подземных и поверхностных вод (озёра Волжско-
онежского водораздела, Марий Эл);
-Речные – старицы;
-Приморские – лагуны и лиманы. 4. По химическому составу воды:
-Пресные;
-Минеральные.
Крупнейшее озеро мира – Каспийское море-озеро Большинство крупных естественных озёр имеет тектоническое или
ледниковое происхождение. В особую группу выделяются озёра антропогенного происхождения (пруды, водохранилища, а так же озёра, возникающие на месте копий, карьеров). Каждое озеро состоит из 3 взаимосвязанных частей:
1.Котловина – форма рельефа земной коры;
2.Вода и растворённые в ней вещества – части гидросферы;
3.Растительное и животное население водоёма.
Морфометрические характеристики водоёма
Морфометрия озера связана с количественными оценками и изменением формы озера и его элементов. Морфометрические показатели определяются по плану или карте водоёма в изобатах и относятся к определённому уровню воды. Морфометрия с греч: морфо – форма, метри – мерить.
Форма озера может быть самая разная.
Длина озера (ℓ) – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удалёнными точками, измеренное короткими линейными отрезками
Средняя ширина озера (b) – b = Fоз/ℓ
Большая ось озера – кратчайшее расстояние, измеренное между двумя удалёнными точками одной прямой.
Малая ось (ЖЗ) – линия, перпендикулярная большой оси в месте наибольшей ширины.
Максимальная глубина озера находится по данным промеров, средняя вычисляется от деления объёма на площадь.
59
Режим озёр (водохранилищ)
Уровенный режим озёр и водохранилищ характеризуется приходнорасходными характеристиками: осадками, стоком притоком, фильтрацией, испарением, водопотреблением. Баланс воды представляет результат расчёта приходно-расходных характеристик. Рассмотрим озеро:
Приходные:
р1
x – атмосферные осадки, приходящиеся на площадь зеркала озера, мм
– приток грунтовых вод, мм
у – сток с площадки водосбора, мм
с – конденсация, мм |
|
Расходные: |
|
z – испарение с поверхности зеркала, мм |
|
у1 |
– сток из озера через реку, мм |
– подземный отток. |
|
Рассмотрим водный баланс, т.е. соотношение прихода и расхода. |
|
р2 |
∆ = (х + у + + с) – (z + + ) |
Если ∆ мало, то такой водоём характеризуется малой изменчивостью |
||
р1 |
у1 |
р2 |
уровней, если ∆ значительно и первое слогаемое превосходит второе, то такие озёра являются очень удобными для водоснабжения.
Волнение
Движение воды в озёрах может быть:
1.Поступательным – течение.
2.Колебательным.