Основы управления гидрологическими процессами

вторяемости. В основу такого распределения противопаводковых емкостей должен быть положен принцип максимально возможной срезки расчетных паводковых расходов воды при минимизации воздействия водохранилищ на природные комплексы. К сожале­ нию, обоснования такого распределения в предлагаемой расчетной схеме не приведено. Схема реализуется применительно к условиям равновероятностного формирования ливневых паводков на водо­ сборе, не учитывая возможную асинхронность паводкового стока в пределах речного бассейна из-за неравномерного по площади выпа­ дения осадков.

Слабо изучено негативное воздействие низконапорных и само­ регулирующихся водохранилищ на водосборе, хотя очевидно оно имеет место.

Вопросы для самопроверки

1.Какие цели преследует регулирование стока высоких половодий и паводков?

2.Какими нормативными документами регламентируется выбор расчетной обес­ печенности половодий и паводков?

3.Назовите основные исходные данные для проведения расчетов пропуска поло­ водий и паводков.

4.Общая схема расчетов пропуска высоких половодий и паводков через гидроузлы.

5.В чем заключаются трудности расчетов трансформации половодий и паводков каскадно расположенными водохранилищами?

6.Какова роль противопаводкового (резервного) объема водохранилищ и методы его определения?

7.В чем состоит эффективность так называемой "веерной" системы водохрани­ лищ в борьбе с наводнениями в пределах речного бассейна?

8.Назовите основные нерешенные проблемы при разработке данной системы водохранилищ.

211

Глава 16. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РА СЧЕТЫ ПРИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОМ

ПРОЕКТИРОВАНИИ

16.1.Оценка влияния водохранилища

на гидрологический режим в нижнем бьефе гидроузла

Результатом регулирования стока водохранилищами гидротех­ нических установок является снижение максимальных естествен­ ных расходов (уровней) воды в период половодья и резкое увеличе­ ние меженных расходов воды, особенно в зимний период. Наблю­ даемое изменение водного режима и соответственно теплового по­ тока приводит к изменению ледо-термического режима реки на протяжении нижнего бьефа, а именно - сроков вскрытия и замерза­ ния реки, толщины льда, продолжительности ледостава. Это нега­ тивно сказывается на жителях прибрежных районов, так как нару­ шаются ледовые переправы, а за счет увеличения влажности возду­ ха активизируются острые респираторные заболевания. Поэтому при проектировании и эксплуатации водохранилищ гидроузлов чрезвычайно важно знать, какова степень воздействия водохрани­ лищ на водный и ледо-термический режим реки и на каком удале­ нии от гидроузла выявленное влияние затухает.

Обычно необходимые сведения о зарегулированных расходах и уровнях воды на протяжении нижнего бьефа гидроузла получают путем численного решения основных уравнений Сен-Венана. Эти расчеты весьма трудоемки и требуют подробной информации о русле и пойме на значительном удалении от гидроузла, поэтому чаще всего не могут быть применены.

Упрощенные же методы расчета, исключающие необходимость морфометрических характеристик русла, разработаны для призма­ тических русел и на реках с пойменными участками могут привести к значительным погрешностям. Практические приемы использова­ ния упрощенных методов расчета для оценки изменения расходов (уровней) воды в нижнем бьефе гидроузла подробно изложены с примерами в [7, 8]. Следует отметить, что использование этих ме­ тодов не позволяет дать оценку изменения ледотермического режи­ ма на протяжении нижнего бьефа.

Для выявления возможных количественных изменений водного и ледотермического режимов в нижнем бьефе гидроузла использо­

2 1 2

ван следующий прием, применяемый в практике водохозяйственно­ го проектирования. Из длительного ряда наблюдений за стоком в створе гидроузла выбираются два периода - до строительства гид­ роузла, т.е. бытовой, и после строительства гидроузла, т.е. эксплуа­ тационный, с близкими по величине параметрами годового стока. При этом годы первоначального наполнения водохранилища ис­ ключаются. Если оценка изменения режимов • производится ниже каскадно расположенных водохранилищ, то эксплуатационный пе­ риод соответствует совместной работе всего каскада водохранилищ.

Учитывая, что количественная оценка изменения водного и ледотермического режима производится путем сравнения осредненных данных по периодам, полученные выводы могут быть вполне достоверны. Данная проблема рассмотрена на примере Вилюйского водохранилища на р. Вилюй.

Вилюйская ГЭС I-II сооружена в 1347 км от устья р. Вилюй в районе с суровыми климатическими условиями, где среднемесяч­ ные температуры зимой опускаются ниже минус 30 °С, а летом под­ нимаются до плюс 25 °С. Водохранилище полезным объемом 22,4 км3, что в 1,1 раза больше объема годового стока в створе ГЭС, проводит многолетнее и внутригодовое регулирование стока, срезая расходы весенних месяцев (V —VI) и значительно увеличивая рас­ ходы в зимнюю межень (XII - III).

Расчетный бытовой период принят с 1948 по 1966 г. включи­ тельно, а эксплуатационный —с 1970 по 1987 г. Среднегодовые рас­ ходы воды в среднем за периоды составили соответственно 629 и 628 м3/с. В табл. 16.1 даны расходы воды в среднем по периодам в створе ГЭС.

Резкое увеличение зимних расходов воды (более чем в 100 раз) при положительной температуре сбрасываемой воды (около плюс 2 °С) вызывает формирование мощного теплового потока, повлекше­ го за собой изменения термического и ледового режима реки на большом удалении от ГЭС. При этом непосредственно у плотины ГЭС в нижнем бьефе сохраняется незамерзающий участок (полы­ нья) длиной в среднем 50 - 60 км.

Изменения уровней и температуры воды, сроков замерзания и вскрытия, продолжительности ледостава и толщины льда просле­ жены на участке свыше 2000 км от ГЭС.

2 1 3

Величина изменений среднемесячных уровней воды в эксплуа­ тационный период по отношению к бытовому режиму в расчетных створах нижнего бьефа приведена в табл. 16.2. Эти изменения даны за период весеннего половодья (V - VI), когда наблюдается наи­ большая срезка уровней в створах нижнего бьефа за счет наполне­ ния водохранилища, и за холодный период (период зимней межени) с декабря по март, когда проходит максимум электропотребления, что вызывает резкое повышение расходов (уровней) воды, сбрасы­ ваемой в нижний бьеф.

Естественный режим стока любой реки имеет отпечаток опре­ деленной зарегулированности, оцениваемой коэффициентом ф, чис­ ленно равным отношению базовой площади кривой продолжитель­ ности среднемесячных расходов воды к площади за год. С помо­ щью водохранилищ за счет перераспределения стока из половодья на межень степень зарегулированности, т.е. (р, должна повышаться. Для оценки величины изменения ф на протяжении нижнего бьефа Вилюйской ГЭС - I, II рассчитаны и построены совмещенные кри­ вые продолжительности среднемесячных уровней воды, а не расхо­ дов воды, что вызвано отсутствием стоковых данных, до и после строительства водохранилища. Так как при этом оценивается не абсолютные значения ф в бытовых и эксплуатационных условиях,

атолько их приращения, данный прием вполне допустим. Выявлен­ ные приращения ф приведены в табл. 16.2.

Минус показывает на срезку уровней, а плюс - на повышение уровней в эксплуатационный период.

Из таблицы видно, что среднемесячные уровни воды у Сюльдюкара снизились в среднем за период весеннего половодья (V-VI) до 250 см, или на 40% по отношению к бытовым (естественным),

ав среднем за зимнюю межень увеличились почти в 5 раз. При этом коэффициент зарегулированности ф повышается на 0,22. По мере удаления от створа Вилюйской ГЭС влияние водохранилища зату­ хает, и у Верхне-Вилюйска срезка уровней в весеннее половодье составляет 74 см, или 13%. Уровни в зимнюю межень повышаются в 2 раза. С выходом на р. Лену влияние Вилюйского водохранили­ ща на уровни воды практически не прослеживаются.

Врезультате уменьшения расходов воды летом и их резкого увеличения зимой изменяется температура воды, сроки замерзания и вскрытия. Эти изменения хорошо видны из табл. 16.3.

2 1 5

Из таблицы видно, что за счет перераспределения теплового потока р. Вилюй будет замерзать на 10 - 15 суток позже. Вскрытие реки будет наблюдаться примерно в те же сроки. Следовательно, период ледостава уменьшится в целом на 14 - 17 суток на участке до Сунтара, или на 7 - 8% по отношению к бытовым условиям. У Верхне-Вилюйска это увеличение периода ледостава составит всего 4%. На такой же процент увеличивается длительность ледо­ става в условиях эксплуатации Вюлюйской ГЭС и на р. Лене.

Изменение толщины льда на рассматриваемом участке пред­

ставлено в табл. 16.2.

Таблица 16.2

Изменение среднемесячных уровней воды и коэффициентов ср в расчетных створах нижнего бьефа после создания Вилюйского водохранилища

Таблица 16.3

Изменения сроков замерзания, вскрытия и продолжительности ледостава на протяжении нижнего бьефа Вилюйской ГЭС-I, -II

2 1 6

Из таблицы видно, что толщина льда снижается на р. Вилюй до 20% по отношению к бытовым условиям.

Рассмотренные изменения уровенного и ледотермического ре­ жимов р. Вилюй в условиях эксплуатации ГЭС-1,11 позволяют сде­ лать вывод, что влияние ГЭС на гидрологический режим реки рас­ пространяется на значительное расстояние. Повышение зимних уровней прослеживается практически до устья р. Вилюй.

Значительное нарушение ледового режима (сдвиг сроков за­ мерзания и вскрытия) не распространяется дальше 600 км от ГЭС.

Анализ приведенных данных показывает, что Вилюйское водо­ хранилище практически не оказывает влияние на гидрологический режим р. Лены.

16.2.Основные положения расчетов неустановившегося движения воды в нижнем бьефе при суточном регулировании мощности ГЭС

Всовременных условиях режим работы электростанций в су­ точном разрезе отличается крайней неравномерностью. Переменная нагрузка ГЭС влечет за собой соответствующие переменные расхо­ ды в ее нижнем бьефе, а следовательно, и появление неустановив­ шегося движения воды.

Наиболее значительные изменения уровней в нижнем бьефе имеют место в створе ГЭС. Ниже по течению эти изменения посте­ пенно затухают и на некотором удалении от ГЭС становятся мало­

2 1 7

заметными. Расстояние, на которое распространяется влияние неустановившегося режима при суточном регулировании, зависит от характера графика расходов и гидравлических особенностей русла: уклона, ширины, глубины, формы поперечных сечений.

Расчеты неустановившегося движения сводятся к определению изменения расхода и уровней в ряде створов по длине водотока и во времени, т.е. установлению двух функций:

где S - расстояние от начального створа.

Система уравнений, описывающая неустановившееся медленно изменяющееся течение в не размываемом русле произвольной фор­ мы, была предложена Сен-Венаном в 1870 г. Эта система, состоя­ щая из известных уравнений неразрывности потока и уравнения движения, является нелинейной и относится к гиперболическому типу. Для решения указанной системы уравнений обычно приме­ няют численные методы решения, позволяющие широко использо­ вать ЭВМ.

Расчет неустановившегося движения является довольно трудо­ емким, требует проведения изыскательских работ и водомерных наблюдений. Поэтому такой расчет выполняется для завершающих стадий проектирования. При иных условиях ограничиваются упро­ щенными ручными расчетами.

Для выполнения подробных гидравлических расчетов по ниж­ ним бьефам гидроузлов при суточном регулировании мощности ГЭС задаются следующие исходные данные: графики нагрузки в нормальном и аварийном режимах для летних и зимних условий (в расходах либо в мощностях) и расчетный напор; продольный про­ филь от створа гидроузла на участке нижнего бьефа длиной 150 - 200 км; поперечные профили русла реки (не менее чем в 1 5 - 2 0 створах нижнего бьефа), выполненные по промерам либо по лоц­ манской карте и карте масштаба 1:25 000; зависимости расходов от уровней воды в опорных створах нижнего бьефа; зимний режим нижнего бьефа (длина полыньи и значения зимних коэффициентов у плотины, на кромке льда и в зоне устойчивого ледостава). В каче­ стве исходных гидравлических параметров используется модуль

пропускной способности русла К = Q l 4 i , где i - уклон водной по­

2 1 8

верхности на рассматриваемом участке при расходе Q. При наличии кривых связи расходов и уровней воды Q = f ( Z ) координаты кривой

К = / ( Z ) определяются из зависимости

K / A S = Q / ,/ZH- Z K

(AS - длина участка; Z„ и ZKуровни воды в начале и конце участка при расходе Qh a Z = (Z„ + ZK) / 2. В некоторых случаях /Г можно определять по формуле Шези-Маннинга К =Fc 4 r , где F - пло­ щадь живого сечения; С - коэффициент Шези, определяемый по формуле Маннинга, a R - гидравлический радиус.

Средний на участке модуль К вычисляется путем осреднения либо характеристик F, С, R, либо самих значений К в верхнем и

нижнем створах расчетного участка. Для определения изменений объема воды в русле участков используются кривые зависимости объема V на участке от уровня воды в его середине Z . Эти кривые

строятся по поперечным профилям русла или на основании плани­ метрирования горизонталей русловой съемки.

При выполнении расчетов неустановившегося движения воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании ее мощности в качестве верхнего граничного условия в створе ГЭС принимается график электрической нагрузки, пересчитываемый в расходы воды по формуле:

где Nj - мощность ГЭС в момент времени t Нбр - напор брутто на

ГЭС в тот же момент, определяемый как разность уровней верхнего и нижнего бьефов (вычисляется в процессе расчета); Ah - потери напора, принимаемые, как правило, постоянными; KN= 8,5... 8,7.

В качестве нижнего граничного условия принимается кривая связи расходов и уровней воды в конце рассматриваемого участка, где влияние суточного регулирования мощности ГЭС практически не сказывается.

Результаты расчетов оформляются в виде табличных и графи­ ческих приложений. Так, в табл. 16.5 и на рис. 16.1 приведены ре­ зультаты расчетов применительно к одной из сибирских ГЭС. Они соответствуют летним суткам.

2 1 9

Таблица 16.5

Результаты расчетов суточного регулирования мощности ГЭС Летние сутки: среднесуточная мощность ГЭС 863 МВт, среднесуточный расход ГЭС 880 м3/с

Q максимальные — •— Q минимальные

Рис. 16.1. Уровни (а) и расходы (б) воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании ее мощности.

Анализ таблицы и графика показывает что, определение уров­ ней нижнего бьефа (ZH.б) при расчете напоров ГЭС (Н) и в после­

2 2 0