9.5. Основы расчета регулирования стока рек. Управление работой водохранилища

Расчет регулирования стока обычно сводится к определению потребной (полезной) емкости водохранилища, а такжеобъема сбросаизлишней воды, поступающей в водохранилище в период паводка. Иногда приходится решать обратную задачу, т.е. находить зарегулированный расход по установленному техническими или экономическими условиями объему водохранилища. На практике определение потребностей емкости водохранилища чаще выполняют с помощью интегральной (суммарной) кривой стока.

Д

Рис. 9.15. Расчетный график колебания уровней воды (а)

и кривая расходов воды (б)

Рис. 9.16. График изменения расходов воды во времени

ля построения интегральной кривой стока сначала выбирают расчетный годовой график уровней водыH_р= f(t)с заданной обеспеченностью в створе будущей плотины (рис. 9.15, а). Затем с помощью кривой расходов водыQ= f(H)(рис. 9.15, б) и расчетного графика уровнейH_р= f(t) строится годовой график притока воды в водохранилищеQ= f(t). Пользуясь графиком притокаQ=f(t), подсчитывают объемы стока водыV_iза определенные интервалы времениt_i (рис. 9.16). Суммируя значения объемов стока, строится интегральная кривая стокаV= f(t) (рис. 9.17, а, б).

Ч

Рис. 9.17. Интегральная кривая стока в прямоугольных (а)

и косоугольных (б) координатах с лучевым масштабом расходов воды

тобы выявить свойства интегральной кривой стокаV= f(t) соединяют прямой линией точки начала и конца интегральной кривой стока и определяют тангенс угла наклонаэтой линии:

, (9.4)

где: V_г – полный объем годового стока, м³;

t_г – продолжительность времени в году, с.

На основании такого свойства на графике V=f(t) строится лучевой масштаб расходов (обычно в левом верхнем углу графика). При этом лучи проводят под таким углом, чтобы они соответствовали круглым значениям расходов с одинаковым интервалом (например, через 50 или 100 м³/с и др.).

На рис. 9.18 приведена интегральная кривая стока, пользуясь которой определяется полезный объем водохранилища V_ппо заданному зарегулированному расходуQ_з при сезонном (годичном) регулировании стока. Для этого на графикеV=f(t)проводится касательная к интегральной кривой, параллельная лучу с расходомQ_з(на рис. 9.18Q₃=Q₄). Точка касанияАсоответствует моменту времени, когда естественный приток воды равен заданному расходу отдачиQ_з. Левее этой точки –Qi  Qзво время паводка, а правее –Qi  Qз, что соответствует меженному состоянию реки. Далее, проектируя точкуАна вертикальную линию конца года, получаем с

Рис. 9.18. Определение полезного объема водохранилища V_п и объема сброса воды V_сб с помощью интегральной кривой стока в прямоугольных координатах

ледующие ординаты:

а_в– объем стока, необходимый для обеспечения заданных расходовQ_з – за тот же период времени;

в_с– дефицит (нехватка) стока для обеспечения заданных расходовQ_зв меженный период.

Для покрытия дефицита стока надо создать необходимый запас воды в водохранилище, что осуществляется во время весеннего паводка, когда расходы воды в реке существенно больше Q_з. Следовательно, полезный объем водохранилища, который должен быть равен максимальному дефициту стока, определяется как разница ординат потребленияа_с и притокаа_в на момент конца водохозяйственного годаV_п=а_с – а_в.

Определив величину полезного объема водохранилища, можно установить высоту плотины, границы возможных затоплений прилегающих к реке земель и др.

Излишний объем стока V_сбдолжен быть своевременно сброшен через водосбросную часть плотины в нижний бьеф, чтобы не допустить переполнения емкости водохранилища. Иногда в многоводные годы для пропуска излишнего стока воды дополнительно используют донные отверстия в теле плотины.

При решении обратной задачи, когда находится значение зарегулированного расхода Q_зпо заданному объему водохранилищаV_п, также пользуются интегральной кривой стока. Для этого от конца интегральной кривой стока вертикально вверх в масштабе графика откладывают величину полезного объемаV_п. Проводя через верхний конец отложенной ординаты полезного объема касательную к интегральной кривой, определяют обеспечиваемый при данномV_пзарегулированный расходQ_з, величина которого находится путем переноса направления касательной на лучевой масштаб расходов.

Обратная задача встречается в тех случаях, когда высота плотины и емкость водохранилища ограничивается из-за недопущения затопления населенных пунктов, промышленных строений, большой площади плодородных сельскохозяйственных угодий и ценных пород дерева.

Если годовой объем потребления воды (зарегулированный сток) больше, чем бытовой сток расчетного года, то необходимо осуществлять многолетнее регулирование стока. При расчете этого вида регулирования рассматривают гидрологические периоды, длящиеся на протяжении нескольких лет (часто 4-6 лет). Эти периоды начинаются многоводными годами, а заканчиваются маловодными.

Многолетнее регулирование стока требует значительно больших емкостей водохранилищ, чем годичное. Задачей такого регулирования является накопление воды в многоводные годы и ее расходование в маловодные годы.

Расчет многолетнего регулирования стока, заключающегося в нахождении полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода, может быть выполнен с помощью интегральных кривых стока, которые для удобства вычерчиваются в косоугольных координатах.

Для построения интегральной кривой стока в косоугольных координатах производится поворот всех точек графика, вычерченного в прямоугольных координатах на угол (см. рис. 9.16, б). При этом пунктирная линия, соответствующая среднему годовому расходу воды, совмещается с горизонтальной осью времениt. Тогда интегральная кривая стока оказывается расположенной вдоль осиt. Лучевой масштаб также разворачивается на этот угол.

На рис. 9.19 приведен пример расчета многолетнего регулирования при постоянном расходе отдачи (потребления) Q_зс помощью интегральной кривой стока в косоугольных координатах. Для этого проводят лучи с различными углами наклона от самой низкой точки интегральной кривой стока (в конце маловодного периода) до начала маловодного периода. Каждый из приведенных отрезков прямой линии представляет собой кривую отдачи, отвечающую определенному расходу водыQ_з. Наибольшие расстояния между интегральной кривой притока и проведенными лучами определяют потребные для осуществления многолетнего регулирования емкости водохранилищаV_1п,V_2п,...., обеспечивающие различные зарегулированные расходы водыQ_1з,Q_2з,.... По этим соответствующим данным строят график связи полезных объемов водохранилищаV_пи величин зарегулированных расходовQ_з.

Рис. 9.19. Расчет многолетнего регулирования стока при постоянном расходе

отдачи Q_з с помощью интегральной кривой стока в косоугольных координатах

Н

Рис. 9.20. График зависимости полезных объемов водохранилища V_п от зарегулированных расходов Q_з: 1 – зона рационального регулирования стока; 2 – зона нерационального регулирования стока; I-III – возмож- ные варианты регулирования стока

а рис. 9.20 приведена кривая связиV_п= f(Q_з), характерной особенностью которой является сравнительно медленное возрастаниеV_пс увеличениемQ_зв ее начале. Затем в конце кривой небольшое повышение зарегулированного расходаQ_звызывает значительное увеличение полезного объемаV_пводохранилища многолетнего регулирования, что свидетельствует о нерациональности регулирования стока в той области, где кривая уходит круто вверх. Окончательное значениеV_пиQ_зполучают на основе технико-экономических расчетов. Для этого выбирают несколько вариантов значений полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода в области рационального регулирования, затем находят оптимальный вариант с учетом минимальных суммарных эксплуатационных и капитальных затрат.

После установления расчетных значений V_пиQ_ззадача регулирования сводится к обеспечению рационального использования запасов воды водохранилища в зависимости от водности того или иного года.

Управление работой водохранилища заключается не только в обеспечении расчетной полезной отдачи в пределах проектных подпорных отметок, но и максимально полного использования стока сверх расчетного потребления.

При надежном и заблаговременном (долгосрочном) прогнозировании (предсказании) стока можно составить такой план работы водохранилища, который полностью удовлетворит запросы всех потребителей в соответствии с ожидаемым стоком. Например, для водного транспорта должно быть предусмотрено такое расходование воды из водохранилища в навигационный период, при котором не будет затруднений для поддержания гарантированных глубин в верхнем и нижнем бьефах гидроузла.

Однако из-за невысокой точности прогноза и небольшой его заблаговременности полностью выдержать план работы водохранилища часто не удается. Поэтому обычно составляют специальные диспетчерские графики, которые являются оперативным планом управления работой водохранилища.

Если водохозяйственный год близок по водности к расчетному, то из водохранилища подается гарантированный расход отдачи Q_з. В тех случаях, когда водность года больше расчетной, то из водохранилища обеспечивается подача повышенных максимально полезных расходов Q_п  Q_з, которые необходимы для круглосуточной работы всех турбин гидроэлектростанции. Если год маловодный, то при малом наполнение водохранилища подача снижается до значений, менее гарантированныхQ_п  Q_з.

В водохранилищах годичного регулирования особенно ответственной задачей является пропуск весеннего паводка. Только при правильном управлении водосбросными устройствами и работой турбин гидроэлектростанции в весенний период можно обеспечить хорошую эксплуатацию водохранилища на протяжении всего водохозяйственного года. Для правильного назначения режима работы водохранилища на предстоящий период паводка обязательным является использование прогноза объема воды во время весеннего паводка и, в частности, объема сброса воды, чтобы не допустить переполнения водохранилища.

Режим работы водохранилища годичного регулирования на период весеннего паводка назначают с учетом следующих основных требований:

• обеспечение наполнения водохранилища до нормального подпорного уровня (НПУ);

• недопущение превышения уровня водохранилища над НПУ;

• обеспечение наибольшей выработки энергии гидростанцией.

На пропуске многоводного паводка в самом начале его наступления открываются на полную высоту все отверстия водосливной части плотины. Донные отверстия вводятся в работу в том случае, если это требуется по ходу притока воды, при уровнях водохранилища, близких к НПУ.

Схема пропуска средних по водности паводков заключается в том, что в начале паводка отверстия водосбросной плотины остаются закрытыми. При уровне воды в водохранилище на 2-3 м ниже НПУ начинается постепенное открытие водосливных отверстий, и только иногда используют донные отверстия.

При пропуске маловодных паводков все отверстия плотины остаются закрытыми до тех пор, пока не создается уверенность заполнения водохранилища до НПУ. После этого при необходимости поднимается часть щитов водосливных отверстий для кратковременного сброса воды. В большинстве случаев во время маловодных лет сбросы воды через плотину вообще не производятся.

41