10427

50

Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчёты Водохранилища

Водохранилище – искусственно созданный водоём для хранения воды

регулирования стока с целью гарантированного обеспечения потребителей водой и заключена между НПУ и УМО.

Мёртвый объём – объём чаши водохранилища, тот минимум, который предназначен для аккумуляции наносов в течение длительного срока эксплуатации. В нормальных условиях эксплуатации Vм не срабатывается и в регулировании стока не участвует, но водохранилище может опорожняться по истечении срока эксплуатации. Объём мёртвый должен быть больше

резервная ёмкость водохранилища служит для предотвращения наводнения – противопаводковый объём.

Наивысшей отметке уровня воды в водохранилище отвечает ФПУ. До отметки ФПУ допускается кратковременное наполнение водохранилища, когда пропускная способность водосбросных отверстий (сооружений) оказывается ниже притока воды в водохранилище (в основном весной и не каждый год) – это ЧС.

Основной расчётный уровень водохранилища – нормальный подпорный уровень. Расположен на 20÷100 см ниже ФПУ. Водохранилище к отметке НПУ обычно наполняется в конце весеннего половодья.

51

Наносы и твёрдый сток

Речные наносы – твёрдые минеральные частицы, переносимые потоком

иобразующие русловые и пойменные отложения. Они образуются в результате водной эрозии, т.е. разрушении поверхности Земли под действием текущей воды. Различают 2 основных вида наносов:

1.Наносы, попадающие в реку в результате смыва частиц грунта талыми и дождевыми водами.

2.Наносы, являющиеся продуктами размыва потоком ложа самой реки

иеё притоков.

Воздействие потока на русло проявляется в размыве (начальная стадия), переносе материалов размыва и их отложении (конечная стадия). На равнинных реках размыв происходит в верхнем течении, отложения (аккумуляции) в нижнем течении. Поток размывает не только дно (глубинная эрозия), но и берега русла и долины реки (боковая эрозия). В результате русло расширяется в плане, что приводит к расширению долины и образованию извилин – меандр. Это происходит в основном в среднем течении. В зависимости от характера перемещения наносов потоком различают взвешенные, влекомые и донные наносы.

52

Такое деление наносов весьма условное, при различных скоростях движения наносы одинаковой крупности могут быть как во взвешенном состоянии, так и во влекомом. Количественное содержание взвешенных

происходит под действием гидродинамического давления, возникающего при обтекании их потоков. При этом на частицу действуют: сила лобового давления (зависящая от скорости течения и размеров частиц); подъёмное усилие (создаётся как результат повышения давления с лобовой стороны и понижения с низовой и боков частицы). Измеряют донными батометрами.

Пробы донных наносов берут специальными приборами – щупами. Если изыскания не проводятся приборами, то обычно количество

по своей длине до 30 млн тонн наносов. После возведения гидроузлов в Каспийское море попадает 12÷18 млн тонн , с 80/х гг прошлого столетия стали углублять Волжские водохранилища.

3) Река Сырдарья, называют «Королевой Средней Азии» (Средняя Азия, Узбекистан) несет в Аральское море свыше 200 млн тонн наносов.

= 2 , где – коэффициент вариации для воды Строится кривая обеспеченности.

Зависимости F = f(h) и V = f(h)

Главная задача водохозяйственного расчёта – определение полезного объёма и выбор отметки НПУ. Полезный объём зависит от:

1.Назначения водохранилища (запасные – повышение расхода в маловодные периоды; задерживающие или противопаводковые – борьба с наводнениями; комплексные);

2.Продолжительности регулирования (суточные, сезонные и многолетние).

Полезный объем водохранилища находится путём сопоставления расчётного стока реки и суммарного водопотребления.

Для построения зависимостей F = f(h) и V = f(h):

1.Проектируется гидроузел, создаётся водохранилище.

2.Выясняется, какая у него будет ёмкость в зависимости от решаемых задач, например, по потреблению.

3.Делается геодезическая съёмка, строится план участка в горизонталях.

4.Определяем объем и уровни водохранилища.

Регулирование стока водохранилищем

Регулирование стока — это процесс перераспределения его водохранилищами во времени и в пространстве. В современных условиях всякое гидротехническое сооружение, связанное с регулированием речного стока, имеет комплексное назначение. Так, водохранилища

54

гидроэлектростанции, кроме регулирования стока для энергетических целей, обычно используются и для водохозяйственных целей —ирригации, судоходства, водоснабжения и т. п. Имеется ряд объектов, в основном преследующих водохозяйственные цели, а энергетические задачи решаются попутно.

Естественный режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках снегового питания в периоды весеннего половодья (1,5—3 мес.) проходит обычно до 60÷70% годового стока. Существенно различается годовой сток и в многолетнем разрезе.

Такое распределение стока находится в резком противоречии с режимом его потребления. Так, для нужд энергетики в многолетнем разрезе предпочтителен равномерный режим стока. В годовом разрезе гидроэлектростанции предъявляют повышенный спрос на воду в осеннезимние месяцы, т. е. когда расходы воды в реке наименьшие. В суточном разрезе график нагрузки ГЭС отличается значительной неравномерностью, тогда как приточность равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна.

Все это приводит к необходимости перераспределения естественного стока во времени. Это осуществляется с помощью регулирования стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток, в то время когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.

Как уже отмечалось, регулирование бывает нескольких видов:

-суточное регулирование;

-недельное регулирование;

-годичное регулирование;

-многолетнее регулирование;

-компенсирующее регулирование;

-трансформация половодья;

-каскадное регулирование.

Рассмотрим годичное регулирование. Регулирование стока заключается во временном задержания объёма половодья (паводка) и дальнейшем его перераспределением в течение года. Регулирование выполняют аналитическим (более приближённым) и графическим (более точным) способами.

Могут возникнуть 2 различных расчётных случая: если величина избытков сосредоточена в виде сплошного ряда без разрывов, то полезный объём водохранилища равен сумме недостатков; когда недостатки в течение года разрываются на периоды (в половодье и в паводок имеются избытки) объём водохранилища принимается несколько меньше суммы всех недостатков и нужно подобрать величину ёмкости водохранилища с тем, чтобы в течение года регулирование проводилось от нуля до нуля.

55

Определение мёртвого объёма

Величина мёртвого объёма назначается, исходя из числа лет незаиления водохранилища. Поскольку скорости в водохранилище значительно меньше скоростей в реке, взвешенные наносы оседают на дно.

Русловые процессы в нижнем бьефе

В нижний бьеф поступает осветлённая вода, т.к. наносы остаются в водохранилище. Это ведёт к размыву русла и понижению его отметки, а так же понижению уровня воды в нижнем бьефе (так называемая просадка уровней). Когда водохранилище заиливается, поток наносов восстанавливается, происходит отложение наносов в нижний бьеф. Может произойти повышение дна реки и уровня воды. Крупные водохранилища испытываются на заиление в течение нескольких столетий. Тем не менее, в практике гидростроительства известны случаи очень быстрого их уничтожения наносами. Бороться с заилением водохранилищ можно путём уменьшения эрозий и твёрдого стока в его бассейне и своевременного сброса наносов из водохранилищ через специальные грязеспуски.

Потери воды из водохранилища

При создании водохранилища вследствие затопления и подтопления части территорий, подпора и повышения УГВ происходит изменение соотношения между элементами водного баланса. В результате возникают дополнительные потери воды, основные из которых:

-на испарение,

-на фильтрацию.

К потерям временного характера относят:

-объём воды, необходимый для заполнения мёртвого объёма и пополнения запасов подземных вод в начальный период эксплуатации;

-временные потери воды из-за оседания льда и покрывающего его снега на берегах водохранилища в период его зимней сработки.

Потери на испарение

Являются следствием того, что создание водохранилища приводит к затоплению значительно территории и часть суши заменяется водной поверхностью. Рассмотрим речной бассейн. Наряду с затоплением при создании водохранилище происходит подтопление прилегающей к водохранилищу территории. При этом повышаются уровни грунтовых вод, испарения увеличиваются. Площадь подтопления определяют как часть

56

суши, прилегающей к контуру водохранилища с глубиной залегания грунтовых вод не более 2÷2,5 м. Суммарный объём потерь воды при

испарении: н = затоп + подтоп

Для северных районов дополнительный объём на подтопление мал, а для сухой зоны большой. В связи с созданием водохранилища меняется климат района. По гидрохимическим и гидробиологическим особенностям водохранилище ближе к озёрам, чем к рекам. Затопленные почвы, размыв берегов, торфяники, растительность пополняют воду водохранилищ органическими веществами, увеличивая тем самым содержание углекислоты и уменьшая количество растворённого кислорода.

Потери на фильтрацию

Подпор, создаваемый плотиной водохранилища, затопление и подтопление значительной территории приводят к изменению режима грунтовых вод в зоне влияния водохранилища, увеличению потерь воды на фильтрацию.

Потери на фильтрацию складываются из:

-через дно и берега водохранилища;

-через тело, основание и в обход плотины.

Потери на фильтрацию через плотину невелики. Их удаётся свести к минимуму с помощью различных противофильтрационных устройств (понур, экран, ядро). Потери на фильтрацию через ложе водохранилища зависят от напора и гидрогеологических условий (к ним относят породы, слагающие долину реки, их водонепроницаемость, положение уровня и режима грунтовых вод). Очевидно, что большие потери на фильтрацию наблюдаются при: большом напоре; большой площади ложи водохранилища; ложе водохранилища сложено водопроницаемыми грунтами (трещиноватые песчаники, известняк и др.); УГВ на склонах располагается на склонах ниже НПУ.

Фильтрация из водохранилища – очень сложное и недостаточно изученное явление. При её оценке необходимо опираться на результаты гидрогеологических исследований, расчётов и опыты эксплуатации уже действующих водохранилищ. Гидрогеологические исследования для всего водохранилища, площадь которого очень значительная – вещь весьма дорогостоящая. Поэтому, основываясь на опыте эксплуатации, для предварительных расчётов пользуются рекомендациями Полякова. Потери на

фильтрацию определяются: ф ( ПЛЗ+ м)

= 100 ,

58

-Тектонические – в результате резких изменений в земной коре

(Байкал, Севан);

-Вулканические – под действием вулканических сил в кратерах потухших вулканов (Курильское озеро);

-Деформационные – в результате выдувания горных пород и в понижениях между барханами и дюнами;

-Ледниковые – в котловинах, выпаханных ледниками (озеро Селигер);

-Провальные (карстовые, суффозионные, термокарстовые) – результат химической деятельности подземных и поверхностных вод (озёра Волжско-

онежского водораздела, Марий Эл);

-Речные – старицы;

-Приморские – лагуны и лиманы. 4. По химическому составу воды:

-Пресные;

-Минеральные.

Крупнейшее озеро мира – Каспийское море-озеро Большинство крупных естественных озёр имеет тектоническое или

ледниковое происхождение. В особую группу выделяются озёра антропогенного происхождения (пруды, водохранилища, а так же озёра, возникающие на месте копий, карьеров). Каждое озеро состоит из 3 взаимосвязанных частей:

1.Котловина – форма рельефа земной коры;

2.Вода и растворённые в ней вещества – части гидросферы;

3.Растительное и животное население водоёма.

Морфометрические характеристики водоёма

Морфометрия озера связана с количественными оценками и изменением формы озера и его элементов. Морфометрические показатели определяются по плану или карте водоёма в изобатах и относятся к определённому уровню воды. Морфометрия с греч: морфо – форма, метри – мерить.

Форма озера может быть самая разная.

Длина озера (ℓ) – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удалёнными точками, измеренное короткими линейными отрезками

Средняя ширина озера (b) – b = Fоз/ℓ

Большая ось озера – кратчайшее расстояние, измеренное между двумя удалёнными точками одной прямой.

Малая ось (ЖЗ) – линия, перпендикулярная большой оси в месте наибольшей ширины.

Максимальная глубина озера находится по данным промеров, средняя вычисляется от деления объёма на площадь.

59

Режим озёр (водохранилищ)

Уровенный режим озёр и водохранилищ характеризуется приходнорасходными характеристиками: осадками, стоком притоком, фильтрацией, испарением, водопотреблением. Баланс воды представляет результат расчёта приходно-расходных характеристик. Рассмотрим озеро:

Приходные:

р1

x – атмосферные осадки, приходящиеся на площадь зеркала озера, мм

– приток грунтовых вод, мм

у – сток с площадки водосбора, мм

уровней, если ∆ значительно и первое слогаемое превосходит второе, то такие озёра являются очень удобными для водоснабжения.

Волнение

Движение воды в озёрах может быть:

1.Поступательным – течение.

2.Колебательным.