- •Глава 1 5
- •Глава 1
- •1.1. Мировые и отечественные водные ресурсы
- •1.2. Использование водных ресурсов
- •Глава 2
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Регулирование речного стока водохранилищами
- •2.3. Переброска речного стока
- •Глава 3
- •3.1. Общие положения
- •3.2. Основные водопользователи
- •3.3. Расчетная обеспеченность
- •3.4. Виды регулирования речного стока
- •Глава 4
- •4.1. Характерные уровни и объемы водохранилища
- •4.2. Верхний и нижний бьефы гидроузла
- •4.3. Водный баланс водохранилища
- •4.4. Потери воды из водохранилища
- •Глава 5
- •5.1. Расчетные характеристики водного режима реки
- •5.2. Распределение вероятностей расчетных характеристик водного режима
- •5.3. Многолетние колебания расчетных характеристик водного режима
- •5.4. Внутригодовое распределение речного стока
- •5.5. Моделирование внутригодового распределения речного стока
- •Глава 6
- •6.1. Принципы сезонного регулирования речного стока
- •6.2. Учет потерь воды из водохранилища
- •6.3. Календарный метод расчета полезного объема водохранилища сезонного регулирования
- •6.4. Обобщенный метод расчета полезного объема водохранилища сезонного регулирования
- •6.5. Обобщенный метод расчета сезонной составляющей полезного объема водохранилища многолетнего регулирования
- •Глава 7
- •7.1. Принципы многолетнего регулирования речного стока
- •7.2. Параметры многолетнего регулирования
- •7.3. Календарный метод расчета параметров водохранилища многолетнего регулирования
- •7.4. Обобщенный метод расчета параметров водохранилища многолетнего регулирования
- •7.5. Обобщенная водохозяйственная характеристика водохранилища
- •Глава 8
- •8.1. Расчетная обеспеченность стока высоких половодий и паводков
- •8.2. Исходные данные для расчета пропуска высоких половодий и паводков через гидроузел
- •8.3. Кривые динамических объемов водохранилища
- •8.4. Расчетный гидрограф высокого половодья или паводка
- •8.5. Пропуск расчетного половодья или паводка
- •8.6. Каскадное регулирование стока высоких половодий и паводков
- •Глава 9
- •9.1. Гидроэнергетический потенциал рек
- •9.2. Водноэнергетические показатели гидроэнергетических установок
- •Глава 10
- •10.1. Диспетчерский график режима работы водохранилища
- •10.2. Построение и использование диспетчерского графика
- •Глава 11
- •11.1. Специфика каскадного регулирования
- •11.2. Водноэнергетический эффект от каскадного регулирования
- •Глава 12
- •12.1. Цели составления водохозяйственных балансов
- •12.2. Составляющие водохозяйственного баланса
- •12.3. Анализ водохозяйственного баланса
Глава 4
ВОДОХРАНИЛИЩЕ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ
4.1. Характерные уровни и объемы водохранилища
Водохранилища – искусственные водоемы, образуемые в результате перекрытия реки плотиной в целях регулирования речного стока, выработки гидроэлектроэнергии и других водохозяйственных целей [1, 29]. Плотина водохранилища и создаваемый ею напор воды определяет следующие характерные уровни и объемы водохранилища:
уровень мертвого объема (УМО) с отметкой у плотины ZМ.О. и мертвый объем водохранилища VМ.О., который оно имеет при этом уровне;
нормальный подпорный уровень (НПУ) с отметкой у плотины ZНПУ и полный объем водохранилища VПОЛ, который оно имеет при этом уровне;
форсированный подпорный уровень (ФПУ) с отметкой у плотины ZФПУ и объем водохранилища VМАКС, который оно имеет при этом уровне;
полезный объем водохранилища VП, который равен разности VПОЛ – VМ.О. и соответствует толще воды между НПУ и УМО;
резервный объем форсировки водохранилища VРЕЗ., который равен разности VМАКС – VПОЛ и соответствует толще воды между ФПУ и НПУ [10].
На рис. 4.1 представлен продольный разрез водохранилища с выделением его характерных уровней и объемов [1].
Рис 4.1. Характерные уровни, объемы и зоны водохранилища:
1 – меженный уровень воды до подпора; 2 – половодный уровень воды до подпора; 3 – нормальный подпорный уровень; 4 – половодный (паводковый) уровень в условиях подпора
Регулирование речного стока осуществляется путем наполнения и сработки водохранилища в соответствии с правилами управления его работой. Водохранилище не должно срабатываться ниже отметки УМО. Этот уровень должен обеспечивать:
резервный объем для будущего отложения наносов;
минимальный напор воды для работы турбин и выработки электроэнергии;
бесперебойную работу сооружений, отводящих воду из водохранилища;
минимальный объем воды для обеспечения ее приемлемого качества;
минимальные глубины для навигации;
условия проживания населения и существования водных экосистем.
Мертвый объем – это несрабатываемая в нормальных условиях эксплуатации часть объема водохранилища, ограниченная сверху УМО. Этот объем не участвует в регулировании речного стока и рассчитан на постепенное заполнение наносами вследствие заиления водохранилища. Величину VМ.О. обычно принимают равной или большей объема, который отводится для будущих отложений наносов. Если при этом требования гидроэнергетики, водоснабжения, обеспечения качества воды и экологической безопасности не выполняются, то значение VМ.О. увеличивается [1, 10, 21].
Нормальный подпорный уровень – наивысший проектный подпорный уровень у плотины гидроузла, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений в течение длительного времени и обеспечивает максимальный гидравлический напор на ГЭС. Выбор НПУ определяется минимизацией денежных и материальных затрат, связанных с постройкой подпорных сооружений и компенсацией ущерба от затопления населенных пунктов, промышленных предприятий, сельскохозяйственных и лесных угодий и т.д. [21].
Отметки НПУ и УМО определяют полезный объем водохранилища для регулирования речного стока путем наполнения водохранилища до отметки НПУ или его сработки до отметки УМО. Этот объем используется для различных хозяйственных целей: подачи воды на орошение, увеличения в маловодный период расходов и уровней воды в нижнем бьефе, аккумуляции паводков для борьбы с наводнениями [16]. Необходимый полезный объем и отметка НПУ определяются в ходе проведения водохозяйственных расчетов.
Форсированный подпорный уровень – это такой уровень, при котором через полностью открытые водосбросные отверстия проходит максимальный расчетный расход воды. В зависимости от класса капитальности гидротехнических сооружений этот расход соответствует ежегодной вероятности превышения от 0, 01 до 5%. Разность ZФПУ – ZНПУ или допустимая высота форсировки уровня воды в водохранилище определяет размеры зоны временного затопления [10].
Отметки ФПУ и НПУ определяют резервный объем водохранилища (объем форсировки), который предназначен для кратковременной аккумуляции воды в период прохождения экстремально высоких половодий и паводков с расходами воды, превышающими пропускную способность водосбросных устройств гидроузла. Цель использования резервного объема – не допустить сброс воды в нижний бьеф гидроузла, превышающий максимальный расчетный расход воды, пропуск которого через гидроузел безопасен для его сооружений [3, 21].
В ходе эксплуатации водохранилища отметка его уровня у плотины Z может снижаться до значения ZМ.О. и повышаться до значения ZНПУ. При прохождении экстремально высоких половодий или паводков отметка уровня Z может достигать значения ZФПУ. Водохозяйственные расчеты требуют определения площади водного зеркала водохранилища F км2 и объема водохранилища V км3 при любом значении Z в указанном выше диапазоне. Зависимости F(Z) и V (Z) являются важнейшими морфометрическими характеристиками водохранилища [18]. Их определение осложняется тем, что в результате подпора водное зеркало водохранилища не является горизонтальной плоскостью и имеет уклон от его верхней границы к плотине. Чем больше расход воды в реке выше водохранилища и чем меньше расход воды пропускаемой через створ гидроузла, тем больше этот уклон. Увеличение уровней воды водохранилища вверх от плотины описывается кривыми свободной поверхности [1, 21]. В водохозяйственных расчетах допускается следующее упрощение – за исключением ситуаций прохождения высоких половодий и паводков поверхность водного зеркала предполагается горизонтальной. Этому предположению соответствуют статические площади и объемы водохранилища, которые определяются графиками функций F(Z) и V (Z). Расчет этих графиков осуществляется на стадии проектирования гидроузла и основан на топографических картах территории предполагаемого затопления и использовании несложных вычислительных процедур [4, 16, 21]. Пример статических кривых F = f(Z) и V = f(Z) для Камского водохранилища на р. Каме приведен на рис. 2.2 [17].
Рис. 4.2. Кривые статических площадей зеркала (2) и объемов (1) Камского водохранилища
на реке Каме
В условиях высокой водности реки и превышения уровня воды над отметкой НПУ статические кривые F = f(Z) и V = f(Z) могут существенно занижать фактическую площадь водного зеркала и объем водохранилища, особенно, если водохранилище относительно узкое и неглубокое [4]. В таких условиях применяется более точное решение. В частности, используется не статический, а динамический объем водохранилища, который задает объем в виде функции V(Z, Q) двух переменных: отметки уровня воды у плотины Z и расхода воды в реке Q [16] (рис.8.3).
В процессе эксплуатации водохранилища происходит его заиление, особенно на реках с высоким твердым стоком. Так, в результате заиления полезный объем Нурекского водохранилища на р. Вахш за 30 лет эксплуатации уменьшился на одну треть [4].