§ 41. Работа и энергия реки
Выпавшие на территорию речного бассейна осадки (вода) обладают запасом потенциальной энергии, поскольку они оказываются на более высоких уровнях, чем базис эрозии. При последующем движении по склонам рельефа, а затем по руслу к устью вода совершает работу и постепенно растрачивает весь имевшийся у нее запас энергии. При этом энергия расходуется на трение частиц воды о дно и о берега, на трение частиц воды между собой, на перемещение, перенос и перетирание наносов.
Определим, каким запасом энергии (какой мощностью) обладает река, имеющая падение h и средний расход Q м3/с.
Из курса физики известно, что работа А силы тяжести не зависит от длины и формы пути, проходимого телом (водой), и равна произведению силы тяжести на разность высот h в исходном (исток) и конечном (устье) положениях тела, т. е. А = m*g*h. Мощность же N находят как отношение работы ко времени £, в течение которого работа совершена
Применительно к рассматриваемому случаю произведение массы т, умноженной на ускорение g силы тяжести и деленной на время t, можно приравнять
Тогда N = 1000*Q*h кгм/с. В лошадиных силах и ваттах мощность реки будет соответственно равна
Формулы (9) — (11) дают возможность определить теоретическую мощность реки, а поскольку переработка энергии падающей воды в электрическую осуществляется при помощи турбин, то при подсчетах должен быть еще учтен коэффициент полезного действия (к. п. д.) турбин. К. п. д. современных турбин достигает 92—94%, поэтому получающееся при этом снижение мощности незначительно.
Из формул (9) — (11) следует, что мощность реки зависит от расхода воды в реке и величины ее падения. И поскольку обе эти величины для конкретной реки имеют вполне определенные, конечные значения, то и энергия реки также является величиной конечной. Из этого следует более общий вывод о том, что гидроэнергетические ресурсы любой страны также ограниченны.
Для практического применения приведенных выше формул в избранном месте на реке необходимо создать напор, т. е. разность уровней перед плотиной (верхний бьеф) и ниже ее (нижний бьеф) и направить воду на лопасти турбин. Достигается это строительством плотин и гидроэлектростанций при них. При этом на горных реках, где расходы обычно не очень велики и река имеет узкую долину, строят высоконапорные плотины (высотой 100—300 м), на равнинных реках, при больших расходах, строят плотины небольшой высоты (До 50 м).
На реках значительного протяжения обычно проектируют не одну, а целую систему следующих одна за другой плотин. Такая система плотин и ГЭС называется каскадом (рис. 69).
Каскад электростанций проектируется таким образом, чтобы поднятый у каждой плотины до проектной отметки (НПУ) уровень воды распространялся вверх по течению реки до соседней электростанции. В таком случае возможно получить от реки максимум электроэнергии и улучшить условия судоходства и лесосплава.
Необходимость сопряжения бьефа между станциями на реке ставит перед энергетиками на начальных стадиях проектирования специфическую задачу составления «схемы использования реки", в которой, в частности, должны быть решены такие важные вопросы, как количество электростанций, которое будет запроектировано, где они будут размещены, какова должна быть величина проектного напора и мощность каждой станции. Без решения этой общей проблемы нельзя говорить о строительстве какой-то конкретной гидростанции.