10.4 Водосховище , нижній б'єф та їх характеристики
Основним призначенням водосховищ гідроелектростанцій є трансформація природного, зазвичай нерівномірного, режиму річкового стоку в режим, необхідний для окремих галузей народного господарства і, зокрема, енергетики. Крім того, в деяких випадках призначенням водосховищ є боротьба з повінню в нижньому б'єфі під час повеней. У цих випадках певна кількість води затримується у водосховищі, завдяки чому витрати води в нижньому б'єфі стають істотно меншими природних витрат повеней.
Водосховища створюються шляхом пристрою на річках або інших водотоках дамб, що підвищують рівні води і створюючих необхідної місткості водоймища (мал. 10.14). На цьому малюнку цифрами позначені горизонталі поверхні місцевості.
Мал. 10.14. Схема водосховища.
Верхня межа рівня води, при якому ГЕС і споруди гідровузла працюють тривалий час з дотриманням нормальних запасів надійності, що передбачаються технічними умовами, носить назву нормального підпірного рівня (НПР). Об'єм водосховища при цьому рівні носить назву повного об’єму і позначається Vповн .
Нижня межа або рівень мертвого об'єму (РМО) визначається умовами отримання на ГЕС розрахункових параметрів. Відповідний об'єм носить назва мертвого Vм.о
Різниця між повним і мертвим об'ємами складає корисний об'єм водосховища
Vкорисн=Vповн-Vм.о. (10.1)
Цей об'єм використовується для регулювання стоку.
При пропуску катастрофічних повеней і паводків зазвичай допускається короткочасне підвищення рівня води у водосховищі до відмітки, званої форсованим підпірним рівнем (ФПР).
Об'єм водосховища між відмітками НПР і ФПР є резервним і використовується для трансформації (зрізу) повеней і паводків.
До цих пір приймалося, що поверхня води у водосховищі по всій його довжині встановлюється горизонтально, утворюючи так званий його статичний об'єм. Очевидно, це може бути лише у тому випадку, коли притік у водосховищі відсутній. Оскільки насправді у водосховищі завжди є притік води, то, строго кажучи, поверхня води по його довжині не буде горизонтальною. Це особливо відноситься до його «хвостової частини», де крива вільної поверхні води є кривою підпора, що характеризує зміну рівня поверхні води по довжині водотоку. Об'єм, що утворився, називається динамічним об'ємом водосховища (мал. 10.15). Величина його визначається в основному значенням витрати приточності і під час повеней може бути вельми значною.
У водноенергетичних розрахунках широко використовуються різні графічні залежності, що відображають функціональні зв'язки між різними параметрами водосховища (так звані характеристики водосховищ). До їх числа відноситься перш за все топографічна характеристика, яка може бути двох видів, — статичною і динамічною.
Статична характеристика включає дві криві. Перша— залежність відміток рівня від об'єму водосховища zв.б=zв.б (V) і зазвичай звана об'ємною. Друга відображає зв'язок між відмітками рівня і площею дзеркала водосховища zв.б = zв.б(F). Цю характеристику називають площадковою.
Обидві характеристики (мал. (10.16) виходять в результаті обробки топографічних планів місцевості.
Мал. 10.15. Динамічна місткість водосховища.
Мал.10.16. Криві статичного об’єму і площадки дзеркала водосховища
Мал. 10.17. Криві динамічних об’ємів водосховищ
При обліку динамічної місткості, як було показано вище, об'єм водосховища при заданій відмітці рівня в створі дамби визначатиметься притоком. Внаслідок цього залежність між значеннями рівня і об'ємом водосховища матиме інший характер, оскільки буде функцією двох змінних zв.б = zв.б (V,Qприт). Ці криві (мал. 10.17) називаються кривими динамічного об'єму на відміну від кривої статичного об'єму, зображеної на мал. 10.16, або кривою, відповідною Qприт=0.
Є і інші характеристики водосховища, які ми тут не розглядаємо. Всі вони є основним початковим матеріалом для проведення водноенергетичних розрахунків. У такого роду розрахунках однією з вирішальних умов правильності виконання їх є дотримання водного балансу водосховища.
B загальному вигляді рівняння водного балансу водосховища без холостих скидань за деякий час Т може бути представлене наступною рівністю:
Wрег = Wприт ± ∆V – Wзаб + Wповер – Wвтрат (10.2)
де Wpeг — зарегульований об'єм стоку, тобто той об'єм води, який пройшов за час Т через створ гідровузла (так звана віддача); Wприт — притоку води у водосховищі за час Т (для одиночної ГЕС це побутовий, тобто природний, притік, для каскаду — притік від вищерозміщеної ГЕС з урахуванням бічного притоку між створами); ΔV— використаний об'єм водосховища за період Т (У формулі знак мінус відноситься до періоду наповнення, знак плюс — до періоду зпрацювання водосховища); Wзаб і Wповер— величини забираного з водосховища і такого, що повертається в нього учасниками водогосподарського комплексу (див. § 10.6) за час Т об'єму стоку; Wвтрат — втрати води з водосховища за час Т і зазвичай включають втрати на фільтрацію, випаровування, льодоутворення і шлюзування.
Якщо кожен член цього рівняння розділити на якийсь час Т, то умова балансу стоку може бути виражена через відповідні витрати.
Розглянемо тепер характеристику нижнього б'єфу. Рівень води в нижньому б'єфі ГЕС визначається витратою, яка пропускається через турбіни або які-небудь інші споруди (шлюзи, водоскиди) гідроелектростанції.
При сталому рівномірному русі рівні води в нижньому б'єфі однозначно пов'язані з протікаючою витратою. Цей зв'язок зазвичай визначається за допомогою так званого кривого зв'язку, відображую чого в графічному вигляді залежність рівнів від витрат zн.б = zн.б (Qн.б). Така крива представлена на мал. 10.18.
Мал. 10.18. Криві зв'язку нижнього б'єфу без підпору для зими і літа.
Взимку при змінній витраті ГЕС в її нижньому б'єфі на берегах утворюються пороги, які зменшують площу живого перетину. Тому при одних і тих же відмітках рівня взимку проходитиме витрату менше, ніж літом, і зимова крива ,зв'язку з цим , відповідно буде вища, ніж літня (мал. 10.18 і 10.19).
При каскадному розташуванні ГЕС, якщо нижній б'єф, що розглядається ГЕС (позначимо її № 1) підпирається дамбою нижчерозташованою (ГЕС № 2), то у функціональній залежності рівня нижнього б'єфу від витрати ГЕС № 1 з'явиться додатковий аргумент — відмітка верхнього б'єфу водосховища другою ГЕС(мал. 10.19). В цьому випадку дана функція матиме вигляд:
zн.б1= zн.б1(Qн.б1 , zв.б2). (10.3)
При несталому русі води в нижньому б'єфі однозначний зв'язок між відмітками рівня і витратою порушується і визначення того або іншого вимагає достатньо складних розрахунків, які зараз проводяться винятково з допомогою ЕОМ.
Мал. 10.19. Криві зв'язку нижнього б'єфу з підпором для зими і літа.