книги из ГПНТБ / Резниковский, А. Ш. Управление режимами водохранилищ гидроэлектростанций

зованным в проектной практике авторов, является путь

необходимые для целей орошения при некоторой плани­ руемой площади орошения и заданном составе сельскохо­

щегося водопотреблення требуется учитывать их корре­ ляционные связи с процессом речного стока. Физическое объяснение таких связей затруднений не вызывает. Аб­

= 0,54±0,08. А для бассейна р. Эмбы в Казахстане пока­ затель связи между речным стоком и размерами случай­ но изменяющегося водопотреблення оказался близким к нулю.

Таким образом, водопотребление для целей ороше­ ния может быть для некоторых районов характеристи­ кой детерминированной, а для других—случайно изме­ няющейся в зависимости от колебаний некоторых гео­ физических процессов, в общем случае коррелятивно связанных с процессом речного стока.

И в том, и в другом случае очень важной характери­ стикой объемов воды для целей орошения является их обеспеченность. Обычно в проектной практике для комп­ лексных гидроузлов эта величина принимается равной 75%, для некоторых особо важных сельскохозяйствен­ ных районов ее повышают до 80 и даже до 90%, что не всегда удается обосновать экономически. В настоящее время оросительные системы не бывают монокультурны­ ми, на орошаемых площадях в пределах одного района обычно возделываются и более, и менее ценные культу­ ры, которые бывают п бол'ее, и менее устойчивыми в от­ ношении поливных норм. Под последним подразумева­ ется возможность компенсации снижения поливных норм некоторыми дополнительными агротехническими и орга­ низационными мероприятиями, т. е. в хозяйствах всегда имеются возможности выделения наиболее ответствен­ ных культур, для которых обеспечивается большая на­ дежность орошения. Для менее ценных и более устойчи­ вых культур сравнительно небольшое снижение поливных

30

норм в отдельные годы хотя п приводит к дополнитель­ ным затратам п некоторому уменьшению урожайности, но по экономическим соображениям в большинстве райо­ нов вполне допускается. Только в более неблагоприят­ ные по водности годы для менее цепных культур возмож­ на необходимость сокращения площади орошения.

Дальнейшее увеличение объема дефицита воды мо­ жет приводить к недополивам ценных культур, т. е. к по­ терям их урожая в данном году. Кроме того, катастро­ фические дефициты воды в орошаемом земледелии могут приводить к гибели многолетних культур, фруктовых де­ ревьев и виноградников, т. е. к потерям, не восполнимым в течение ряда лет. Из сказанного следует: 1) допусти­ мость частого (например, с обеспеченностью 75%), но небольшого по абсолютной величине снижения нормаль­ ных размеров воды для целей орошения (10—20—30% в зависимости от состава культур); 2) необходимость поддержания высокой надежности сниженных расходов

отношении (в тех или иных условиях водности) между размерами снижения поливных норм у отдельных куль­ тур и масштабами сокращения площадей орошения в данном году (вообще этот вопрос следует решать в каж­ дой системе заблаговременно при ее проектировании

всоответствии с расчетной обеспеченностью отдач и лишь уточнять в процессе эксплуатации). Основанием для та­ ких уточнений могут быть только плановые отклонения

вразвитии системы от намеченного проектом. Внутригодовое распределение потребностей воды для

целей орошения при детерминированно заданном ее годо­ вом объеме определяется графиками поливов, составля­ емых в оросительных системах заблаговременно. Эти графики' устанавливают оптимальную периодичность по­ ливов отдельных культур и очередность подачи воды отдельным районам и хозяйствам. В нормальных усло­ виях эксплуатации эти графики должны строго выпол­ няться, т. е. внутригодовое распределение подачи воды для целей орошения в засушливых районах детермини­ ровано.

В районах со случайно изменяющимися потребностя­ ми воды для целей орошения их внутригодовое распреде­ ление также зависит от случайно изменяющихся геофи­ зических факторов и не может быть запланировано за-

31

благовремение. При моделировании такого водопотребления внутригодовое распределение также следует моде­ лировать обычными способами (см. ниже).

Особенностью водопотребления для целей орошения является возврат некоторой части забранных из источ­ ника водных ресурсов обратно в источник ниже места водозабора. Первая, регулярная часть возвратных вод попадает в источник через коллекторную сеть ороситель­ ных систем, другая — подземным путем за счет инфильт­ рации пли скатываясь по поверхности бассейна непо­ средственно в речное русло. Первая часть может быть учтена, учет второй затруднителен. Несомненно лишь, что и годовой объем возвратных вод и их внутригодовое распределение изменяются из года в год. Эти воды ис­ пользуются повторно на нижележащих участках реки, являясь добавкой к речному стоку. Их следует модели­ ровать при проектировании водохозяйственных систем. Значительной трудностью при этом является недостаток данных наблюдений за возвратными водами в действу­ ющих оросительных системах. В гидрологической литера­ туре имеются сведения о методах, которые могут быть применены для выявления статистических характеристик этого случайного и трудно поддающегося физическому анализу процесса в действующих системах. Одним из та­ ких методов является метод, основанный на принципе «черного ящика», т. е. когда наблюдения ведутся только за входным и выходным процессами и когда описания всего комплекса трансформации входного процесса в вы­ ходной заменяется характеристиками стохастических связей между ними. Эти вопросы представляются в на­ стоящее время еще недостаточно разработанными, одна­ ко их актуальность представляется бесспорной. Работы этого направления ведутся в США [Л. 52].

В СССР были проведены комплексные исследования ирригационных водозаборов и возвратных вод в бассей­ не р. Сырдарьи. Они охватывают широкий круг вопросов и могут служить хорошей основой для решения постав­

Исследования в этом направлении идут в получении ре­ гиональных закономерностей на основе материалов на­ блюдений и в разработке методов их перенесения на

32

■В соответствии с приведенным выше определением своеобразным водопотребителем является само водохра­ нилище для регулирования речного стока как источник б е з в о з в р а т н ы х п о т е р ь во д ы на и с п а р е н и е с в о д н о й п о в е р х н о с т и в о д о х р а н и л и щ а . Для некоторых засушливых районов, где сооружаются круп­ ные водохранилища, указанные потери, являющиеся не­ избежным следствием регулирования речного стока, мо­ гут быть значительными. Ими нельзя пренебрегать в рас­ четах регулирования стока. Поэтому, относя эти потери на всех участников комплекса или только на некоторых, заинтересованных в регулировании стока и создании во­ дохранилищ как таковых, будем считать этот вид потерь водопотребителем при комплексном использовании реч­ ного стока. Его характеристики существенно различны в зависимости от местоположения водохранилищ. Так, например, в районе Сибири годовой слой испарения оце­ нивается в среднем величиной 0,15 м, в районе Центра п Поволжья—0,4 м, на Юге и в Казахстане—0,5—0,6 м, а в засушливых областях Средней Азии приближается к 1 м.

Важной характеристикой испарения является его из­ менчивость из года в год. Как показывают проработки, эта характеристика по абсолютной величине даже в за­ сушливых районах не очень велика (Сг><0,1). В увлаж­ ненных районах ее практически можно принимать посто­ янной величиной. Определенный интерес представляют и характеристики корреляционной связи испарения со случайно изменяющимся водопотреблением. Так, напри­ мер, для бассейна р. Эмбы в Казахстане оценка этой характеристики оказалась равной 0,77, т. е. достаточно высокой. Очевидно, что при проектировании водохрани­ лищ в этом районе такую связь необходимо учитывать.

Внутригодовая изменчивость испарения с поверхности водохранилища зависит от режима его сработки и на­ полнения и от климатических характеристик района. В качестве примера такой зависимости может служить рис. 2-3, на котором приведены данные, относящиеся' к Мингечаурскому водохранилищу на р. Куре.

Таким образом, потери на испарение с поверхности водохранилищ в большинстве районов СССР можно счи­ тать детерминированной характеристикой в многолетнем разрезе, в некоторых засушливых районах эта характе­ ристика случайно изменяется из года в год. Однако ко­

/

эффициенты изменчивости этой характеристики невели­ ки. Внутригодовое распределение испарения достаточно устойчиво. Его суммарная величина в отдельные месяцы зависит от площади водохранилища, т. е. является функ­ цией режима его сработки и наполнения. При большом удельном весе потерь на испарение с водной поверхно­ сти их следует моделировать и учитывать'при оптимиза­ ции режимов работы водохранилищ.

Рис. 2-3. График изменения потерь на дополнительное испарение с поверхности Мингечаурского водохранилища в. зависимости от уровней воды.

О с у ш е н и е м е л и о р и р о в а н н ы х з е м е л ь не является водопотребителем, наоборот, отводимые после осушения в речную сеть воды являются некоторой добав­ кой к имеющимся водным ресурсам бассейна. Добавка эта в определенном соотношении зависит от количества осадков, выпадающих в данном бассейне, и от общего объема испарения с его поверхности. Это означает, что рассматриваемая добавка является случайным процес­ сом. Многолетние колебания его обычно не велики, и внутригодовое распределение достаточно устойчиво. Причиной этого является аккумуляционная роль водо­ сборного бассейна. В определенном смысле эта добавка аналогична первой регулярной части возвратных вод

после орошения земель. Для ее описания 'и моделирова­ ния аналогично отмеченному выше следует использовать материалы наблюдений за существующими мелиоратив­ ными системами и региональные обобщения этих мате­ риалов, пригодные для проектируемых систем.

Рассмотрим теперь некоторые характеристики важ­ нейших в о д о п о л ь з о в а т е л е й , которые в соответст­ вии с {Л. 32] «... используют энергию воды или воду как среду, не изымая ее из водотока». К водопользователям относятся гидроэнергетика, водный транспорт, лесо­ сплав, рыбное хозяйство, санитарное благоустройство, рекреация и частично борьба с вредным воздействием

ресурсам в бьефах гидроузловИ К уровням воды в водо­ хранилищах.

Требования не только водопользователей,но и часто

одного водопользователя, расположенного на различных

участках реки (например, в верхнем и нижнем бьефе гидроузла), как правило, не совпадают'друг с другом. Такое же несовпадение интересов имеет место у многих водопользователей с водопотребителями, изъятие воды из источника которыми противоречит требованию боль­ шинства водопользователей о поддержании в реке неко­ торой заданной величины стока.

Рассмотрим внутригодовое распределение пропуска воды через, гидроузлы для некоторых водопользователей и требования к их надежности (обеспеченности отдач).

Для г и д р о э н е р г е т и к и в соответствии с годовым графиком нагрузки энергосистемы наиболее желатель­ ным является максимальную часть сработки воды из во­ дохранилищ относить на зимние месяцы года, а по усло­ виям максимальной выработки энергии — в течение цик­ ла регулирования поддерживать высокое наполнение водохранилищ и опорожнять их в необходимой мере лишь для аккумуляции паводочных вод. Требования гид­ роэнергетики заключаются в обеспечении с высокой на­ дежностью гарантиро'ванной расчетной отдачи и ее внут­ ригодового распределения (P=95-f-98%) и оптимально­

ных участках рек ниже водохранилищ требуют поддер­ жания высоких расходов воды в период навигации и

36

равномерных попусков в остальное время года. В пре* делах подпертых бьефов водохранилищ эти требования сводятся'к поддержанию наполнения водохранилищ в те­ чение навигационного периода не ниже заданной вели­ чины (обеспечивающей судоходные глубины). Обеспе­ ченность требований водного транспорта и лесосплава

обычно нормируется в пределах 80—90%.

Р ы б н о е х о з я й с т в о является не только водопотребителем, но и водопользователем. Для нормального функционирования естественных нерестилищ, располо­ женных на свободных участках рек, из водохранилищ осуществляются специальные .попуски, график и вели­

чина которых определяются оптимальными условиями

естественного рыборазведения. 'В водохранилищах для

удовлетворения требовании"! ры бного хозяйства н еобхо ­

димо поддерживать уровни воды в заданных пределах.

О беспеченность требований ры бного хозяйства высока.

Это объясняется тем, что последствия от нарушения тре­

бований в данном году, особенно если они приводят к гибели рыбы, могут сказываться на протяжении ряда лет. Следует отметить, что вопрос о том, какая конфигу­ рация графика попуска и его объем являются действи­ тельно оптимальными, очень, часто нельзя считать доста­ точно исследованным.

С а н и т а р н о е б л а г о у с т р о й с т в о и р е к р е а ­ ция предъявляют требования к использованию водных ресурсов, во многом совпадающие друг с другом и сво­ дящиеся к поддержанию на реке определенного миниму­ ма расхода воды в течение всего года. Надежность удов­ летворения этих требований достаточно высокая, так как нарушения их связаны с определенными неудобствами

для людей.

Перечень вредных воздействий вод очень широк. Од­ ним из наиболее тяжелых по последствиям являются наводнения. Рассмотрим здесь одну из наиболее важных задач водохранилищ — б о р ь б у с н а в о д н е н и я м и . При выполнении этой цели регулирования водных ресур­ сов требование сводится к задержанию в водохранилище паводочных вод таким образом, чтобы в нижние бьефы гидроузлов при этом проходили расходы воды не выше некоторой безопасной величины. Надежность выполне­ ния этого требования исключительно высока, так как она связана с безопасностью людей, населенных пунктов, со­ оружений. Она нормируется в соответствии с размерами

37

возможных бедствий, в соответствии с классом капи­ тальности сооружений и т. д.

Таким образом, водопотребители и водопользователи как участники водохозяйственных комплексов имеют су­ щественно различные характеристики и по надежности, и по виду представления требований (детерминирован­ ные или случайные).

Получение характеристик случайного водопотребления производится обычными способами исследования случайных процессов. При проектировании и эксплуата­ ции водохозяйственных систем часто приходится моде­ лировать эти характеристики аналогично моделирова­ нию речного стока и с учетом их связей с ним. Эти во­ просы кратко будут рассмотрены ниже, в гл. 3.

2-2. Характеристики речного стока и некоторые вопросы оценки параметров его распределения

Основным случайным процессом, подлежащим моде­ лированию в водохозяйственных системах, кроме приве­ денных вышехарактеристик случайно изменяющегося водопотребления и испарения, как указывалось выше, является речной сток. Изменениям речного стока во вре­ мени присущи на разных реках различные, но обычно периодически повторяющиеся спады и подъемы водно­ сти.

Наличие или отсутствие периодических ежегодных подъемов водности рек обусловливается стокообразованием в их бассейнах и влиянием на колебания речного стока вращения Земли вокруг Солнца. В колебаниях речного стока прослеживается также многолетняя цик­ личность различной продолжительности, которая объяс­ няется влиянием на сток рек различных циклически изме­ няющихся гелио- и геофизических процессов, а также регулирующим влиянием водосборов (озера, запасы подземных вод, запасы вечных снегов и ледников в бас­ сейне реки).

Случайный характер процессов стока во времени мож­ но объяснить большим количеством влияющих на него случайных факторов. В настоящее время невозможно точно установить количественное влияние многих из этих факторов. Однако даже в тех случаях, когда оно изве­ стно, надежно предсказать поведение того или иного стокообразующего фактора, как правило, оказывается

38

также невозможно, так как он сам является результатом случайных причин. Большинству стокообразующих фак­ торов в значительной степени присуща многолетняя и внутригодовая цикличность.

Сток большинства рек является непрерывным слу­ чайным процессом, включающим те или иные достаточ­ но сложные циклические компоненты. В более редких случаях такие циклические компоненты отсутствуют, ли­ бо (крайне редко) сток является прерывным процессом с циклической компонентой.

Для проведения водохозяйственных расчетов необхо­ димо математическое описание процесса речного стока. Исходной информацией для построения этого описания могли бы служить в каждом рассматриваемом створе ре­ ки непрерывные зависимости расхода воды от времени за достаточно длительный период наблюдений. Однако на большинстве гидрологических постов непрерывные наблюдения не только за расходами воды, но и за уров­ нями воды в реке обычно не ведутся. В современных гид­ рологических ежегодниках приводятся среднесуточные данные наблюдений за стоком рек. Следует отметить, что для подавляющего большинства рек, представляю­ щих интерес для водохозяйственного и энергетического использования, разница между мгновенными расходами воды в реке в пределах суток и соответствующими сред­ несуточными расходами очень мала [Л. 35]. Исключение составляют реки со значительной долей интенсивного, но кратковременного ливневого питания, и высокогорные реки с ледниковым питанием, зависящим от суточного хода температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации.

В водохозяйственной практике для различных^видов расчетов используются разные интервалы осреднения расходов реки, выбираемые из соображений минималь­ ной трудоемкости при сохранении необходимой точно­ сти. Наибольшее распространение получили суточные, декадные, месячные и годовые интервалы осреднения.

При проведении расчетов сезонного регулирования стока обычно достаточно месячное, реже — декадное ос­ реднение, так как колебания стока за меньшие интерва­ лы времени практически не оказывают влияния на ре­ зультаты расчетов регулирования. В расчетах пропуска паводков при проектировании мероприятий по борьбе С наводнениями или в расчетах по определению необхо-

39