8.3. Характерные объемы и уровни водохранилища

Объем водохранилища устанавливают в результате водохозяй­ственного расчета, определяющего принятые в проектной практике составные части объема водохранилища — мертвый и полезный объем (рис. 8.5).

Мертвый объем vdzl соответствует части объема водохра­нилища, которая для регулирования стока не используется и не срабатывается в нормальных условиях эксплуатации. Уровень водной поверхности в водохранилище, соответствующий мертвому объему, называют уровнем мертвого объема (DZL).

Рис. 8.5. План и схематический продольный профиль водохра­нилища

Для учета изменяющихся условий работы сооружений в буду­щем (за пределами сроков планирования) мертвый объем часто

229

делят на две части. В исключительных случаях верхняя часть мертвого объема может быть несколько сработана (или опорож­нена, что предусматривается устройством донных водосбросных отверстий). Нижняя часть мертвого объема, ограниченная сверху порогом водосбросных отверстий, никогда не срабатывается и не опоражнивается.

Сработка уровня в водохранилище до уровня мертвого объема связана со степенью регулирования и режимом стока. При сезон­ном регулировании стока сработка до уровня мертвого объема или близких ему происходит практически ежегодно. При много­летнем регулировании понижение уровня до отметки DZL бывает сравнительно редко — только в конце целого периода маловодных лет.

При определении мертвого объема основным фактором обычно считают отложение наносов, а также учитывают ряд условий, со­ответствующих требованиям участников водохозяйственного комп­лекса. На реках, транспортирующих большое количество наносов, мертвый объем необходим для аккумуляции твердого стока, чтобы предотвратить уменьшение полезного объема в течение расчетного срока эксплуатации водохранилища, продолжительность которого для промышленного и питьевого водоснабжения принимают от 25 до 50 лет.

При энергетическом использовании водотока уровень DZL водохранилища определяется допустимым, сравнительно неболь­шим снижением напора, при котором обеспечивается максималь­ная выработка электроэнергии; мертвый объем при этом значи­тельно превышает объем, потребный по условиям заиления.

При транспортном использовании водохранилища уровень DZL определяют как наинизший навигационный уровень, обеспе­чивающий необходимые судоходные глубины.

В водохранилищах коммунально-промышленного водоснабже­ния и рыбного хозяйства назначение отметки DZL связано прежде всего с вопросами обеспечения санитарно-технических требований и необходимого качества воды, забираемой из водохранилища. Отметка DZL должна обеспечить достаточные глубины в водоеме при летних его уровнях (не менее 2,5 м) во избежание прогрева­ния воды, зарастания водохранилища и т. д.

При коммунальном и промышленном водоснабжении, обслу­живании ТЭС и АЭС назначение отметки DZL диктуется условием нормальной бесперебойной работы водозаборных сооружений при минимальных уровнях воды.

При использовании водохранилища для самотечного орошения отметка DZL назначается с таким расчетом, чтобы обеспечить при сработке водохранилища до отметки DZL поступление воды на поля.

Полезный объем V_use, ьг (призма регулирования)—ос­новной объем водохранилища, систематически используемый для перераспределения притока в водохранилище в соответствии с ре-

230

жимом водоподачи. Он расположен над отметкой DZL и ограни­чен сверху нормальным подпорным уровнем NPL. Отметка NPL является наивысшим уровнем, на длительное стояние которого рас­считаны подпорные сооружения и береговое хозяйство в нормаль­ных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений.

При отметке NPL в водохранилище размещается его полный объем, равный сумме полезного и мертвого объемов:

(8.5)

Полезный объем водохранилища определяют путем сопостав­ления расчетного стока и суммарного водопотребления из водохра­нилища. Методика определения его параметров в зависимости от назначения водохранилища и вида регулирования стока приведе­на ниже.

Полезный объем водохранилища является определяющим при назначении отметки нормального подпорного уровня. Примени­тельно к отметке NPL выполняют расчет габаритов и размещения гидротехнических сооружений, обеспечивающих работу водохра­нилища, устанавливают экономические показатели регулирования стока, определяют ущерб, наносимый народному хозяйству в связи с затоплением земель и построек, переработкой берегов и т. д. Выбор окончательной отметки NPL определяют путем технико-эко­номического сопоставления различных вариантов отметок NPL, на основе которого устанавливают оптимальные размеры водохра­нилища.

В чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических со­оружений допускается в течение непродолжительного времени переполнение водохранилищ выше отметки NPL до так называемо­го форсированного подпорного уровня HWL. Объем водохранили­ща, расположенный между отметками NPL и HWL, называют форсированным. Его используют для срезки расчетных мак­симальных расходов воды в период половодья и паводков с целью уменьшения габаритов водосбросных сооружений. Форсированные уровни связаны с максимальными расходами воды расчетной обеспеченности. В обычной практике форсированные уровни пре­вышают отметку NPL на 20. . . 70 см. При пропуске очень редких расходов, расчетная повторяемость которых в среднем составляет 1 раз в 1000 лет (Р=0,1%) или 1 раз в 10000 лет (Р=0,01%), форсировка достигает высоты 1. . .3 м. При сходе высоких вод, про­ходящих через водохранилище, форсированная емкость незамед­лительно опорожняется. Величина и продолжительность форси-ровки уровня в водохранилище должны быть экономически обо­снованы, так как неоправданное превышение отметки NPL оказывает неблагоприятное воздействие на объекты народного хозяйства, находящиеся в зоне влияния водохранилища, увеличи­вая затопление и подтопление территории и нанося дополнитель­ный ущерб сельскому хозяйству.

231

Сооружение водохранилищ приводит к изменению режима во­дотока не только выше подпорного сооружения, но и в нижнем его бьефе, поэтому при водохозяйственном проектировании норми­руют также расходы и уровни воды в нижнем бьефе водохрани­лища.

При пропуске половодья и паводков ниже водохранилища огра­ничивают максимальный уровень, чтобы предотвратить наводне­ние. Однако в этот период предусматривается поступление в ниж­ний бьеф расходов воды, обеспечивающих и поддерживающих в течение определенного времени затопление заливных пойменных лугов и рыбных нерестилищ.

При промышленно-питьевом и оросительном водоснабжении из водохранилищ поддерживают нормированные минимальные су­точные уровни, при которых обеспечиваются необходимое качест­во воды и нормальные условия работы водозаборных сооружений.

При сельскохозяйственном, транспортном использовании водо­хранилищ, а также для рыбного хозяйства предусматривают сгла­живание амплитуды и частоты колебания уровня в нижнем бьефе водохранилищ путем ограничения внутрисуточных колебаний уровня и удельных сбросных расходов. Это мероприятие благо­приятно сказывается и на снижении интенсивности русловых про­цессов, изменении термического и ледового режима ниже плотины.

Основные параметры водохранилища и сооружений гидроузла должны быть технически и экономически обоснованы. Водохозяй­ственные расчеты для установления оптимальных размеров водо­хранилища выполняют на основе сопоставления народнохозяйст­венного эффекта регулирования стока с капиталовложениями на строительство гидротехнических сооружений и сопутствующие ме­роприятия (дренаж, обвалование и т. п.), со стоимостью инженер­ной подготовки территории, возмещением ущерба от затопления и подтопления, переноса и строительства производственных объек­тов, жилых домов, переселением населения и т. д. Наряду с удов­летворением специфических особенностей основного водопользо­вателя должны быть рассмотрены и обоснованы возможности комплексного использования и охраны водных ресурсов, со­циологические и экологические аспекты регулирования стока, а также возможные изменения водохозяйственного режима и пер­спективное расширение функций водохранилища.

Режим работы водохранилища означает последовательное ис­пользование его запасов, сопровождающееся сработкой уровня в водохранилище, и восполнение водных запасов, обусловливающее наполнение водохранилища. При этом изменению уровня воды в водохранилище Н или глубины d в нем соответствует изменение площади водной поверхности Q и объема воды V. Кривую Й== = Q(H) или Q, = Q(d) называют кривой площадей водной поверх­ности водохранилища, кривую V=V(H) или V=V(d)—кривой объемов водохранилища. Обе эти кривые называют батиграфиче-

232

скими характеристиками водохранилища и наносят обычно на один график (рис. 8.6).

При допущении горизонтальности уровня воды в водохранили­ще (в этом случае отметки горизонталей местности зоны затопле­ния совпадают с отметками уровней воды в створе плотины) кри­вую объемов V=V(H) называют статической. Если же объем водохранилища определен с учетом подпора по кри­вой свободной поверхно­сти в водохранилище, то ее называют динамиче­ской.

Кривую площадей во­ дохранилища получают на основе обработки крупно­ масштабных (1:10 000; 1:25000; 1:50000) топо­ графических карт в пред­ положении горизонталь­ ности водной поверхности водохранилища, соответ­ ствующей различным уровням воды в нем. На-

Рис. 8.6. Батиграфические характеристики во­дохранилища

чиная от отметки горизон­тали, принятой за нуле­вую плоскость, проводят снизу вверх планиметри­рование площадей, заклю­ченных между отдельны­ми горизонталями и створом плотины. С повышением уровня пло­щади зеркала увеличиваются и кривая Q = Q(H), построенная в прямоугольных координатах (рис. 8.6), представляет собой лома­ную линию с перегибами в точках, соответствующих шагу измене­ния уровня. Характер перегибов определяют рельефом затоплен­ной части речной долины.

Элементарные объемы воды, заключенные между смежными по высоте горизонталями, находят по упрощенной формуле

(8.6)

или по формуле усеченной пирамиды

(8.7)

где Q, и Qi+i — площади водной поверхности, соответствующие уровням Hi и Я_ж; AHi,i+i = H_w—Hi — приращение уровня.

Объем первого от дна или от нулевой горизонтали слоя нахо­дят по формуле усеченного параболоида

(8.8)

233

При конечном приращении уровня воды АН полный статиче­ский объем водохранилища до какой-либо отметки И получают суммированием элементарных объемов от нижней (нулевой) гори­зонтали до данной отметки Н:

(8.9)

Статическая кривая объемов V=V(H) имеет вид плавной кри­вой параболического типа.

На крупных слабопроточных водохранилищах с незначитель­ными уклонами водной поверхности пользуются статическими объемами водохранилищ. В отдельных случаях, например в пе­риоды подъема и спада паводочных волн, правильнее учитывать динамические объемы. При этом применяют способы построения кривых свободной поверхности, излагаемые в курсе гидравлики.

К важным характеристикам водохранилища относят также среднюю глубину, которую используют, в частности, для оценки прогреваемости водоема:

(8.10)

и критерий площади литорали* (мелководья)

(8.11)

где Q_H. и V_H. —площадь водной поверхности и объем воды при

уровне Hi] Q/.,- — площадь литорали, соответствующая уровню Hi.

Приближенно площадь литорали определяют вычитанием из

площади водной поверхности водохранилища при отметке уровня

hi площади при отметке на 2 м ниже этого уровня (Я;—

-2).

Рис. 8.7. Объемные характеристики водо­хранилища

Кривые средней глубины и критерия площади литора­ли в функции от отметок уровня совмещают с бати-графическими характеристи­ками водохранилища (рис. 8.6). Угол наклона кривой d_m = d_m(H) к оси абсцисс, характеризующий интенсив­ность изменения d_m от // в зависимости от рельефа за­тапливаемой котловины, мо-

* Литорали — часть береговой области озерной котловины от зоны заплеска волн при максимальном подъеме уровня до глубины проникновения света.

234

жет увеличиваться или уменьшаться. Критерий площади литорали L_a меняется от 1 при d_m^=2 м до значения, стремящегося к нулю с увеличением уровня.

Для практических целей иногда строят кривые зависимости уровня Н, площади водной поверхности Q и средней глубины d_m в функции от объема водохранилища V; их называют объемными характеристиками (рис. 8.7):

Пример вычисления координат основных батиграфических ха­рактеристик приведен в табл. 8.1.

Таблица 8.1. К, построению батиграфических характеристик водохранилища и зависимости d_m = d_m(V)

	Площадь водной			Объем, млн. м3			Литораль
-	поверхности, км2
3							;,	а
						£	с?
о						•«
of			f- *			к и	л	к
Р			§н			II	1	сх ь*
н °	щ	£	СО у Я ~	-^	и	^ >1	о «
о Из	С!	с:	0< 0 S	<		о5 е	с к	£Х
100-	0	0,90	2	1,80	0			_
102	1,8	5,40	2	10,80	1,80	1,0	1,8	1,0
104	9,0	14,25	2	28,50	12,60	1,40	7,2	0,8
106	19,5	25,70	2	51,40	41,10	2,11	10,5	0,539
108	31,9	38,35	2	76,70	92,50	2,90	12,4	0,389
ПО	44,8	51,95	2	103,90	169,20	3,78	12,9	0,288
112	59,1	67,05	2	134,10	273,10	4,62	14,3	0,242
114	75,0	85,25	2	170,50	407,20	5,43	15,9	0,222
116	95,5	104,60	2	209,20	577,70	6,05	20,5	0,215
118	113,7	127,85	2	255,70	786,90	6,92	18,2	0,160
120	142,0	—	—	—	1042,60	7,34	28,3	0,182

* Отметка дна.

Морфологические характеристики чаши водохранилища могут изменяться с течением времени вследствие заиления водохрани­лищ, переработки берегов и других причин, поэтому все выше­названные зависимости нуждаются в периодическом уточнении.