Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
(V
) и равен сумме полезного и мертвого объемов
нпу
V
нпу
= V
умо
+ V
.
плз
Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации
гидротехнических сооружений, называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Он ограничивает сверху объем воды,
находящейся в водохранилище выше НПУ, который называют
форсированным объемом (резервным).
Форсированный объем образуется за счет подъема уровня
воды в водохранилище выше НПУ в период высоких паводков
или половодья, который допускается в целях предотвращения
наводнений в нижнем бьефе, поэтому его называют противопаводочным.
Главная задача водохозяйственного расчета водохранилища определение полезного объема V
и выбор отметки НПУ. По-
плз
лезный объем - это рабочий объем водохранилища, предназначенный для регулирования стока в целях гарантированного обеспечения потребителей водой. Он зависит от назначения водохранилища и продолжительности регулирования стока (суточное,
сезонное, многолетнее). Полезный объем имеет определяющее
значение при назначении отметки нормального подпорного уровня. Применительно к НПУ рассчитывают гидротехнические сооружения, обеспечивающие работу водохранилища, их габариты
и размещение; устанавливают экономические показатели регулирования стока. Окончательно НПУ принимают в результате технико-экономического сопоставления различных вариантов.
Мертвый объем (V
) и соответствующий ему уровень
умо
(УМО) определяют с учетом ряда технических, транспортных и
санитарно-гигиенических условий.
Характеристики водохранилищ.
К основным характеристикам водохранилищ относят зависимости площади зеркала Ω и объема воды V в водохранилище от
уровня H или глубины в нем h (рис. 5.8).
Площади зеркала, соответствующие различным уровням
воды, считая поверхность воды горизонтальной, определяют пу-
171
тем планиметрирования площадей, заключенных между отдельными горизонталями и створом плотины, замыкающим горизонтали у берегов.
Н,м
160
V=f(H)
156
Ω=f(H)
152
148
h=f(H)
144
0 200 400 600 800 V, млн м
0 20 40 60 80 Ω, км
0 2 4 6 8hср, м
2
Ω
площадей зеркала водохранилища; кривую V = f(H) или V
= f(h) -кривой объемов водохранилища, а вместе - батиграфическими кривыми.
3
Кривую Ω = f(H) или
= f(h) называют кривой
Рис.5.8. Батиграфические кривые
Исходным материалом для построения площадей являются
крупномасштабные топографические карты.
Объем воды определяют обычно путем последовательного
суммирования частичных объемов ∆V, заключенных между
смежными горизонталями
∆
V1 = 1/2(
Ω
1
+
Ω
)∆H
2
; ∆V2 = 1/2(
1-2
Ω
2
+
Ω
)∆H
3
2-3
,
где
Ω
,
Ω
,... - площади, соответствующие уровням воды H1, H2,...;
1
2
∆H
= Н2 – H1; ∆H
1-2
= H3 – H2 - приращения уровня воды.
2-3
Объем первого придонного слоя воды определяют по формуле усеченного параболоида
∆
V0 = 2/3
Ω1∆
H
.
0-1
Объем воды в водохранилище, соответствующий отметке
H,
получают суммированием частичных объемов, расположен-
ных ниже этого уровня:
172
H
V V
=∑∆ .
H i
H
o
По данным вычислений строят кривую V = f(H).
Важной характеристикой водохранилища является также
средняя глубина
Hср = VН/
Ω
.
Н
Наряду с рассмотренными кривыми, нередко строят кривые
зависимости наполнения H, площади зеркала Ω и средней глубины hср от объемов воды в водохранилище: H = f(V); Ω = f(V); и hср
= f(V). Эти кривые называют объемными характеристиками водохранилища.
5.5.3. Расчет водохранилищ
При проектировании водохранилищ необходимо обеспечить определенную степень надежности их работы по заданному
режиму регулирования стока. В качестве критерия надежности
снабжения потребителей водой принимают расчетную обеспе-
ченность отдачи, под которой понимают выраженную в процентах вероятность числа целых бесперебойных лет, в течение которых потребители обеспечиваются водой в полном объеме
Р = (N
/ N) 100,
бесп
где N
- число целых бесперебойных лет;
бесп
N - число лет проектируемого периода.
Расчетная обеспеченность отдачи определяет размер водохранилища, объем капитальных вложений при строительстве,
общую экономическую эффективность регулирования стока.
173
Таблично-цифровой балансовый расчет водохранилища.
Баланс воды в водохранилище за определенный период
времени определяют по формуле
∆
V = Q
∆
t - q∆t – VП – Q
Р
сбр
∆
t,
где ∆V - изменение объема воды в водохранилище за время ∆t, м3;
QР - расчетный сток, м3/с;
q - расход отдачи м3/с;
VП - объем потерь воды из водохранилища за время ∆t, м3;
Q
- сбросной расход, м3/с.
сбр
В качестве расчетного интервала времени в зависимости от
вида регулирования стока и необходимой точности вычислений
принимают неделю, декаду, сезон, год. Алгоритм расчета приведен ниже.
1. Назначают начало расчетного водохозяйственного года
(обычно - апрель - начало половодья); сопоставляют по выбранным интервалам времени величину расчетного стока W
и отда-
P,i
чи Ui, получают балансовые разности ±(WP – Ui) без учета потерь
воды. +(WP – Ui) = ∆V
- избыточный сток; -(WP - U)i = ∆V
изб
деф
-
дефицит стока.
2. Определяют полезный объем водохранилища V
плз
без
учета потерь воды. В зависимости от величины и последовательности избытков и дефицитов возможны следующие режимы работы водохранилища: однотактный двухтактный и многотактный.
Однотактный режим характеризуется наличием одной ба-
лансовой группы избытков ∆V
∆
V
. В этом случае, если объем избытков ∆V
деф
ем дефицитов ∆V
, необходимый полезный объем водохрани-
деф
и одной группы дефицитов
изб
превышает объ-
изб
лища
V
плз
= ∆V
деф
.
174
Очевидно, что к моменту времени, соответствующему началу дефицита, водохранилище должно быть наполнено до отметки НПУ, а его полный объем V
нпу
= V
умо
+ V
. В конце дефи-
плз
цита полезный объем будет полностью сработан и в водохранилище останется только не подлежащий сработке мертвый объем
V
.
умо
Двухтактный режим водохранилища характеризуется на-
личием в течение расчетного периода двух групп избытков и недостатков. При этом возможны следующие случаи:
- двухтактный режим работы с независимым циклом;
- двухтактный режим работы с зависимым циклом;
- двухтактный режим с промежуточно-зависимым циклом.
При двухтактном режиме с независимым циклом каждый
из избытков больше следующего за ним дефицита, т.е. V
V
деф1
, и V
изб2
> V
, и расчетный период регулирования делится
деф2
изб1
>
на два не зависящих друг от друга цикла. Полезный объем водохранилища в этом случае равен большему из дефицитов
V
= max(V
плз
).
деф
К моменту большего дефицита водохранилище должно
быть наполнено до V
V
. При двухтактном режиме с зависимым циклом ∆V
умо
∆
V
деф1
цита V
, а ∆V
деф2
> V
деф1
недостаточно предшествующего ему избытка V
, а к концу этого дефицита сработано до
нпу
изб2
< V
, т.е. для покрытия второго дефи-
деф2
изб1
изб2
>
, и
недостающий объем необходимо запасти из первого наибольшего
избытка V
. В этом случае
изб1
V
= V
плз
Водохранилище должно быть наполнено до V
первого дефицита, а срабатывается до V
+ V
деф1
деф2
- V
изб2
.
к концу второго.
умо
к началу
нпу
Двухтактный режим работы с промежуточно-зависимым
циклом имеет место, когда ∆V
V
. При этих условиях полезный объем принимают равным
деф1
изб1
> V
деф1
, а V
деф2
> V
изб2
>
максимальному дефициту, т.е. так же, как и в первом случае, наполнение водохранилища до V
должно быть завершено к нача-
нпу
175
лу максимального дефицита, а опорожнение до V
- к его окон-
умо
чанию.
Аналогично ведут расчет полезного объема водохранилища
и в случае многотактного режима его работы.
3. Составляют хронологический график наполнения водохранилища и сбросов излишков воды при регулировании стока.
Порядок наполнения водохранилища и сбросов излишков воды
определяется правилами регулирования.
4. Определяют полезный объем водохранилища, наполнения и сбросы с учетом потерь воды.
Потери воды приплюсовывают к плановой отдаче, получая
полную отдачу Uбр (отдачу брутто) за соответствующий интервал
времени
Uбр = U + Vп.
Полезный объем водохранилища с учетом потерь воды V'
плз
определяют путем сопоставления по интервалам времени расчетного стока Wр и отдачи с учетом потерь Uбр, т.е. аналогично изложенному выше, п.2, в зависимости от режима работы водохранилища (однотактного, двухтактного или многотактного). Аналогично расчету без учета потерь вычисляются наполнения водохранилища и объемы сбросов. Полезный объем водохранилища,
вычисленный с учетом потерь воды, больше чем без их учета.
Построение и свойства полной интегральной кривойПолные интегральные кривые являются отображением возрастания
стока, отдачи или их разности в суммарном виде в хронологической последовательности. Для их построения необходим гидрограф стока, в котором площадь элементарной полоски с основанием dt и высотой Q дает элементарный объем dW = Qdt (рис. 5.9).
Последовательно вычисляя сток W1, W2... соответственно за
интервалы времени 0 – t1, 0 – t2,... и откладывая их в масштабе в
прямоугольной системе координат, получаем кривую, характеризующую изменение суммарного стока за рассматриваемый период времени. Эта кривая носит название полной интегральной кри-
вой стока. При конечных отрезках времени объем стока за интервал времени ∆t равен ∆W = Q∆t, при этом суммарный сток
176
t
3
1
W Q t
=
∑
t
∆
.
o
Поэтому полную интегральную кривую часто называют
полной суммарной кривой.
Основные свойства полной интегральной кривой:
- каждая ордината кривой представляет собой суммарный
сток за время от начала расчета до рассматриваемого момента
времени;
- разность ординат двух точек кривой равна объему стока за
интервал времени между ними ∆W;
- тангенс угла ϕ наклона к оси абсцисс линии, проходящей
через две точки кривой А и В (секущей), характеризуют средний
расход Qср в интервале времени ∆t между этими точками:
tgϕ = ВС / АС = ∆W / ∆t = QА,
тангенс угла
ϕ
наклона к оси абсцисс касательной АВ' определя-
А
ет расход QА в точке касания
tg
ϕ
= dW / dt = QА.
А
При водохозяйственном расчете водохранилища на одном
чертеже совмещают полную интегральную кривую стока W(t) и
полную интегральную кривую отдачи U(t).
Q,м3/с Q,м3/с W,м
W B΄
B
φ
φ ∆W
A
dt W
∆t
t
t to t1 t 0 t1 t2 t
o t1
1
A
C
а б в
Рис. 5.9. Построение и свойства полной интегральной кривой: а –
гидрограф стока; б – полная интегральная кривая; в – свойства полной
интегральной кривой
Кривые строят в одном масштабе, начиная с момента, соответствующего опорожнения водохранилища до мертвого объма V
умо
.
177
Сопоставляя интегральные кривые стока и отдачи (потреб-
3
tttt
ления), находят избытки, дефициты, полезный объем и другие
показатели регулирования стока. Полные интегральные кривые
используют, в основном, при расчетах без учета потерь воды, так
как учесть последние графически сложно.
Наиболее простой случай - однотактный режим работы водохранилища при постоянной в течение всего периода регулирования отдаче (рис. 5.10).
W,U,м
∆V
изб
S
C
A
V
∆V
деф
В E
U(t)
плз
W(t)
D
F
Рис. 5.10. Зависимость
определения полезного объема
водохранилища при помощи
интегральных кривых стока и
отдачи при однотактном режиме работы
Сопоставление интегральных кривых стока и отдачи позво-
ляют установить следующие закономерности:
1. Суммарный объем стока W за расчетный период превышает суммарное потребление U за тот же период (DF>EF). Разность конечных ординат кривых стока и отдачи равна суммарному сбросу S.
2. В начальный период регулирования, от момента t0 до t1,
наклон к оси абсцисс кривой стока W(t) больше, чем наклон кривой отдачи U(t), следовательно, согласно свойствам интегральных кривых, в рассматриваемый период сток Q превышает отдачу q.
Проведя верхнюю касательную к кривой стока, параллельную кривой отдачи U(t), найдем момент t1 окончания избыточного стока и перехода к периоду дефицита. Суммарный избыток за
время от t0 до t1 равен разности ординат кривых стока и отдачи,
соответствующих точке верхнего касания, т.е.
∆V
= АС - ВС.
изб1
178
3. С момента t1 (точка верхнего касания А) до конца расчет-
ного периода t2 наклон кривой W(t) меньше наклона кривой U(t);
очевидно в течение этого периода расход притока Q меньше расхода отдачи и имеет место дефицит. Нижняя касательная, проведенная к кривой стока параллельно кривой отдачи, определяет
окончание дефицита (точка D), а вертикальное расстояние между
предыдущей верхней и последующей нижней касательной - суммарный объем дефицитов ∆V
за период от t1 до t2.
деф1
4. Поскольку в рассматриваемом случае других дефицитов
нет, найденный объем дефицита ∆V
будет соответствовать
деф1
объему водохранилища, необходимому для регулирования стока,
т.е. полезному объему V
плз
.
Следовательно, при однотактном режиме работы водохранилища полезный объем V
равен вертикальному расстоянию
плз
между касательными, проведенными параллельно интегральной
кривой потребления в начале дефицита (верхняя касательная) и в
конце его (нижняя касательная).
Аналогично выполняется расчет водохранилища при
двухтактном режиме работы.
5.5.4. Расчет потерь воды из водохранилища
Изменение соотношения между элементами водного баланса всегда сопутствует созданию водохранилищ, так как при этом
происходит затопление и подтопление части территории, что, в
свою очередь, вызывает увеличение подпора и повышение уровня грунтовых вод. Подобные изменения влекут за собой дополнительные потери воды в основном на испарение и фильтрацию.
Расчет потерь воды на испарение. При затоплении части
территории водами водохранилища испарение с затопленной поверхности, бывшей ранее сушей, существенно возрастает, так как
испарение с водной поверхности всегда больше, чем с суши, при
этом сток уменьшается на разницу в величине испарений
Ед = y - yз = Ев - Е
,
с
где Ед - дополнительные потери воды на испарение, мм;
179
Ев и Ес - величины испарений с водной поверхности и с суши
соответственно, мм;
y и yз - слой стока с водосборного бассейна до создания водо-
хранилища и после затопления части территории, мм.
Среднее многолетнее испарение с малого водоема с площадью зеркала до 5 км2 определяют по формуле
kkkEE20= ,
wЗHB
где Е20 - среднее многолетнее испарение с бассейна площадью
20 м2 (находят по картам ГГИ);
kН - поправочный коэффициент на глубину водоема;
kЗ - поправочный коэффициент на защищенность водоема от
ветра растительностью и строениями;
kw - поправочный коэффициент на площадь зеркала водоема.
На величину испарения влияют температура воздуха и воды, а также давление.
Средневзвешенный слой испарения с затапливаемой части
суши при заполнении водохранилища находят по формуле
Еср = (
Ω
+
Ω
+
Ω
) / (
Ω
+
Ω
+
Ω
ВЕВ
СЕС
ПЕП
В
С
),
П
где ЕВ, ЕС, ЕП - слой испарения с водной поверхности водотока
(русла реки), суши и поймы, мм;
Ω
,
Ω
,
Ω
В
- площади речного русла, затопленной суши и
С
П
поймы, км2.
Величину испарения с поймы определяют либо по данным
специальных наблюдений, либо ориентировочно принимают равной 2/3ЕВ - для районов недостаточного увлажнения и ЕП = ЕВ –
для районов достаточного и избыточного увлажнения.
Величину испарения с суши определяют с учетом температуры, дефицита влажности воздуха, скорости ветра, влажности и
типа почвы с использованием специальных почвенных испарителей большой и малой моделей, а также испарителей ГГИ-500-50 и
ГГИ-500-100. С помощью лизиметра ГР-80 с площади испаряю-
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]