3.2. Расчет регулирующей емкости рекультивационнго водохранилища

Рекультивационное регулирование стока средних и малых рек полагает трансформацию гидрографа половодья в рекультивационный попуск с руслоформирующим расходом воды, позволяющим создавать в русле условия для транспорта взвешенных и донных наносов. В таком регулировании возникает необходимость на реках, последствия деградации которых выразились в сокращении стока половодья, утрате руслом достаточной пропускной способности для ежегодного “самопромыва”. С другой стороны, в отдельные многоводные годы при максимальных расходах воды (в несколько раз превышающих руслоформирующий) наблюдается не характерный для данных расходов высокий подъем уровней, что приводит к затоплению значительных площадей, которого можно было бы избежать, имея возможность регулирования расходов воды в половодье и “промытое” от наносов русло. Задачи рекультивационного регулирования хорошо иллюстрируются схемами трансформации гидрографа стока в половодье (рисунок 3.8).

а

б

Рисунок 3.8 – Схемы формирования рекультивационного попуска

в годы различной водности: а – многоводный год (Q_max>Q_p), б – маловодный год (Q_max<Q_p); 1 – естественный гидрограф половодья, 2 – гидрограф

рекультивационного попуска.

Для осуществления рекультивационных попусков строятся регулирующие водохранилища в верхней части рек на их беспойменных участках. Особенностью гидроузлов рекультивационных водохранилищ является то, что их водосбросное сооружение должно обеспечить требуемое регулирование расходов воды в половодье и с наступлением межени не допускать подпора уровней в верхнем бьефе более 0,3 м при бытовых расходах воды; в межень водохранилище полностью опорожнено.

Эти условия требуют расположения порога отверстий водосбросного сооружения на возможно низших отметках, т.е. сооружение по отношению к гребню плотины должно быть донным и большую часть года работать в безнапорном режиме.

Максимально возможный уровень воды (ФПУ) и регулирующий объем водохранилища диктуется в основном топографическими условиями его размещения: чем больше будет регулирующий объем, тем меньшей будет величина превышения расчетного расхода сооружения над руслоформирующим.

При проектировании рекультивационного водохранилища и его водосбросного сооружения необходимо рассматривать обе схемы трансформации половодья: для многоводного года с объемом стока и максимальным расходом воды 1% вероятности превышения (ВП) и для маловодного года с объемом стока половодья и максимальным расходом 75 (80)% ВП.

Исходные данные, кроме обосновывающих необходимость осуществления на реке рекультивационного регулирования, представляются следующими материалами:

- гидрографы стока половодья 1% и 75 (80)% ВП для створа проектируемого водохранилища, значения максимальных расходов и объемов воды указанной обеспеченности;

- руслоформирующий расход воды для участка нижнего бьефа на длине 2 – 3 меандр при отсутствии боковой приточности;

- график связи уровней и расходов воды для створа проектируемого гидроузла Z = f(Q);

- батиграфические кривые (связь статического объема и площади затопления с уровнем воды в водохранилище) для проектного створа; если рассматривается несколько створов размещения гидроузла, то батиография представляется для каждого створа;

- инженерно-геологические и гидрогеологические условия района проектирования (для оценки “потери” стока на насыщение береговой зоны при подпоре уровня);

- максимально возможный подпорный уровень для данного створа, при котором исключается вероятность затопления и подтопления ценных в хозяйственном использовании земель и объектов.

При схематизации гидрографа стока половодья по треугольнику, для случая многоводного года, регулирующий объем водохранилища зависит от коэффициента регулирования расходов воды α = Q_p /Q_max, где Q_p – руслоформирующий расход воды, м³/с. На рисунке 3.9 показаны расчетные схемы регулирования весеннего стока.

При Q_max > Q_p попуск уже обеспечен естественным стоком, и задача регулирования заключается в уменьшении максимального расхода воды до руслоформирующего. Регулирующий объем водохранилища для схем А и Б (см. рисунок 3.9) будет равен:

β = (1 – α)², (3.18)

где β =W_p /W_пол , W_пол – объем стока половодья (численно равен площади гидрографа).

Для схемы В:

β = (1 – α)(1 – α τ_с ), (3.19)

где τ_с = t_c / T – относительная продолжительность периода спада половодья.

Для схемы Г: β = 1 – α . (3.20)

Графики, иллюстрирующие зависимость объема регулирования от α, представлены на рисунке 3.10. При заданном предельном объеме водохранилища можно выбрать ту или иную схему регулирования стока половодья.

А	Б
В	Г

Рисунок 3.9 – Расчетные схемы для определения регулирующего объема

водохранилища (при Q_max > Q_p) : А – объем регулирования превышает объем

притока на спаде половодья; Б – объем регулирования меньше объема притока на

спаде половодья; В – объем регулирования включает часть стока на подъеме

половодья; Г – начало попуска совпадает с Q_p на спаде половодья.

по формуле (3.20)

по формуле (3.19)

по формуле (3.18)

α

β

Рисунок 3.10 – Связь регулирующей емкости рекультивационного

водохранилища (β) с коэффициентом регулирования расходов воды (α)

Продолжительность попуска определится из условия сработки накопленного объема стока, плюс продолжительность попуска на “срезаемой” части половодья.

Для схемы А:

τ_рп = 1 – α + [(1 – α)² + α²τ_с]/2α , (3.21)

где τ_рп = t_рп / Т – относительная продолжительность попуска.

Для схемы Б:

. (3.22)

Для схемы В:

. (3.23)

Для схемы Г:

. (3.24)

Графики связи τ_рп = f(α) показаны на рисунке 3.11 для четырех рассматриваемых схем регулирования.

α

схема А

схема Б

схема В

схема Г

τ_р.п.

Рисунок 3.11 – График для определения продолжительности

рекультивационного попуска при различных схемах

регулирования половодья

При α > 0,554 схема А переходит в схему Б, а при α < 0,544 – наоборот, схема Б переходит в схему А (см. рисунок 3.9, А, Б). Обобщающая кривая зависимости продолжительности попуска (τ_рп) от коэффициента регулирования максимальных расходов воды (α) показана утолщенной кривой, которая учитывает “переходы” схем при изменении α.

Уменьшение регулирующей емкости и продолжительности попуска с приближением α к 1 требует перехода на другие схемы регулирования, определения регулирующей емкости и продолжительности попуска, т.е. необходимо рассматривать процесс регулирования для α > 1 (когда Q_max < Q_p). Схемы, соответствующие условию α = Q_p /Q_max ≥ 1 приведены на рисунке 3.12.

А	Б
В	Г

Рисунок 3.12 – Расчетные схемы рекультивационного регулирования расходов воды (при Q_max < Q_p): А – начало попуска на подъеме половодья; Б – начало попуска на спаде половодья; В – схема полного регулирования стока половодья (β = 1);

Г – иллюстрация влияния коэффициента регулирования α на продолжительность попуска при неизменном регулирующем объеме водохранилища.

Объем регулирования при t_н ≤ t_п выражается зависимостью

β_(І) = ψ_н² /τ_п , (3.25)

где ψ_н = t_н / Т – время начала попуска относительно продолжительности половодья.

При t_н > t_п:

. (3.26)

Между β_(ІI) и ψ_н связь однозначная для конкретного гидрографа стока половодья (они не могут быть принятыми независимо друг от друга). Графическое изображение этой связи на рисунке 3.13.

β

Ψ_н

Рисунок 3.13 – Связь между временем начала попуска и объемом

накопленной воды для его осуществления.

С другой стороны, связь объема регулирования (β) и коэффициента регулирования расходов (α) может определяться продолжительностью попуска. Это видно на схемах Б и Г (см. рисунок 3.12). Тогда имеем:

. (3.27)

На рисунке 3.14 показано семейство кривых связи β и α в зависимости от продолжительности попуска τ_рп.

α

0,15

0,02

0,03

0,2

0,3

0,05

0,4

0,07

0,5

0,1

τ_рп:

β

Рисунок 3.14 – График для определения регулирующего объема

рекультивационного водохранилища в зависимости от

коэффициента регулирования расходов воды (при α > 1)

Следует отметить, что при α > 2,5 даже при полном зарегулировании стока половодья невозможно сформировать рекультивационный попуск продолжительностью более 0,2 Т, где Т – продолжительность половодья. При α = 1…1,5 продолжительность попуска практически не зависит от объема регулирования (β), но первоначальный запас воды должен быть не менее 0,3 от объема половодья.

За руслоформирующий расход в данных расчетах принимается расход воды, соответствующий уровню воды на отметке бровки поймы ( ).

Полученное в пункте 3.1.1 значение принимается за расход попуска: . Морфологический и гидромеханический анализ формирования русел рек позволил получить полуэмпирическую зависимость для определения руслоформирующего расхода:

(3.28)

Здесь уклон принимается средневзвешенным на участке и определяется с продольного профиля всего участка русла.

Длительность воздействия рекультивационных попусков должна быть возможно большей. Но так как это ограничивает хозяйственное использование воды, то следует установить наименьшую продолжительность попуска:

, (3.29)

где - продолжительность половодья.

Объем рекультивационного попуска (тыс.м³):

(3.30)

Доля годового стока, используемая для попуска (коэффициент регулирования стока попуском):

- для средневодного года

, (3.31)

- для маловодного года 75 % вероятности превышения:

, (3.32)

где и - объемы годового стока, соответственно, средний многлетний и 75% обеспеченности.

Ежегодные попуски возможны в том случае, если 0,5 и 1, в противном случае попуски осуществляются один раз в 2-4 года.

Методику расчета регулирующей емкости рекультивационного водохранилища рассмотрим на следующем примере.