Раздел 3. Водное хозяйство

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО в настоящее время - это огромная совокупность ес­тественных водоисточников и сложных систем инженерных устройств и сооружений, предназначенных для обеспечения народного хозяйства водой в соответствии с требованиями водопользователей к ее качеству, местам и времени водоподачи, для отвода отработанных/возвратных/ вод, а также для предотвращения или смягчения вредных воздействий поверхностного стока.

Задачи водного хозяйства весьма обширны и могут быть кратко сведе­ны к следующему:

1. Изучение, учет и охрана водных ресурсов от истощения и загрязнения.

2. Регулирование речного стока с целью приведения его в соответствие с нуждами населения и требованиями отраслей народного хозяйства.

3. Борьба с наводнениями путем регулирования половодий и паводков и проведение защитных мероприятий.

4. Борьба с вредным или разрушительным воздействием вод/эрозия почв, наводнения, селевые явления, разрушение берегов водохранилищ и морей/.

5. Осуществление водноземельных мелиорации.

6. Использование водной энергии в гидроэлектростанциях.

7. Приведение рек в судоходное и лесосплавное состояние посредством регулирования стока, дноуглубление, шлюзование.

8. Создание искусственных водных путей, соединяющих бассейны соседних рек (ВБВП, ББК, Волго-Дон и т.д.).

9. Переброска стока из, районов, богатых водными ресурсами, в районы, имеющие их дефицит.

10. Создание условий для организации рыбоводства в реках, озерах и водо­хранилищах.

Решение этих задач возможно путем создания на реках устройств и соо­ружений, называемых водохозяйственной установкой. При регулировании стока в состав установки обязательно входит водохранилище, создаваемое подпором вод реки или естественного водоема от водоудерживающей плотины. Составление проекта режима водохозяйственной установил (водохранилища) представляет круг вопросов, решаемых водохозяйственными расчетами, основными задачами которых являются:

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСЧЕТОВ:

1. Установление водохозяйственного эффекта, который может быть получен от намечаемых мероприятий по использованию водных ресурсов (количества воды м энергии, отдаваемых потребителю, степени повышения меженных расходов и снижения половодий и паводочных расходов и т.д.)

2. Подготовка данных и проведение расчетов для выбора основных пара­метров определяющих размеры сооружений и водохранилищ (величин напора, емкостей водохранилищ, размеров водосбросных сооружений, мощностей ГЭС и т.д.).

3.Построение правил управления работой водохранилищ и сооружений в целом.

Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты отнесены сегодня к отрасли инженерного дела, к одной из научных дисциплин. Это не слу­чайно, так как в настоящее время проблема водообеспечения человечества приобретает планетарное значение.

Воду, драгоценный дар природы, академик А. В. Картипский назвал живой кровью, которая создает жизнь там, где ее не было. В современ­ном обществе без воды не может развиваться ни одна отрасль промышленности, без нее немыслимы быт и досуг человека. Так, чтобы добыть тонну нефти надо использовать 10 куб м воды. Для выплавки одной тонны стали требуется 250-330 куб. м воды, а одной тонны бумаги 350-730 куб.м воды, шерстяной ткани в три раза больше, чем для бумаги. Особенно быстро растет потребность в воде с развитием химической промышленности. Так для выработки одной тонны шелка необходимо 2660 кубм воды, а капронового волокна в два раза больше. Крупные тепловые электростанции требуют забора воды с расходом до 12О м³/с на каждый млн.кВт. установленной мощности, атомные - в полтора раза больше. Это означает, что ТЭС и АЭС приходится строить преимущественно с водооборотной системой охлаждения или на берегах крупных водоемов, так как воды многих рек в меженный период недостаточно для их работы. Таким образом вода стала фактором, определяющим не только развитие, но и размещение производительных сил.

Расход воды на душу населения - один из основных показателей благосостояния народа. В Москве самый высокий уровень потребления воды, и качество ее также занимает одно из первых мест. Если на жителя Лон­дона и Копенгагена приходится - 250 л, Парижа - 450 л, то на каждого москвича - 700 л. в сутки. В перспективе суточное потребление воды каждым москвичом возрастает до 1000 л.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика - один из непременных и во многих случаях ведущий компонент водохозяйственного комплекса. Гидроэнергетические ресурсы, как и сам речной сток, в отличие от теплоэнергетических ресурсов (угля, газа и т.д.) непрерывно возобновляются. Их исполь­зование на ГЭС характеризуется предельно высокой степенью чистоты процесса генерирования электроэнергии (без сжигания кислорода и загрязнения воздуха, как это имеет место на ТЭС).

Наиболее характерными чертами гидроэнергетики, влияющими на темпы и направление ее развития являются низкая себестоимость вы­рабатываемой на ГЭС энергии; высокая маневренность гидростанции, позволяющая быстро и без потерь энергии изменять рабочую мощность; относительно низкая себестоимость и минимальные затраты труда при эксплуатации ГЭС по сравнению с тепловыми электростанциями (с учетом издержек на добычу и транзит топлива).

Электрическая энергия прочно вошла во все отрасли нашего народного хозяйства и быта. Электрифицировано большинство отраслей промышленности, электрифицируется железнодорожный транспорт, сельское хозяйство, увеличивается коммунальное электропотребление.

Потребность в электроэнергии изменяется как в пределах суток, так и в течение недели, месяца и года.

Суточные изменения нагрузки вызываются в основном сменностью предприятий и коммунально-бытовой нагрузкой, недельные - выходными и праздничными днями, месячные и годовые - сезонностью работ, отпусками, ростом производственных мощностей и вводом новых произ­водственных мощностей.

Основной характеристикой режима электропотребления является суточный график нагрузки по району или по системе в целом. Суточные графики нагрузки строится по средним величинам в интервале каждого часа. Но при решении некоторых энергетических задач, например, при выборе установленной мощности ГЭС, учитываются и мгновенные макси­мальные нагрузки.

Основные показатели суточный нагрузки:

а) коэффициент внутрисуточной равномерности, или коэффициент полноты суточного графика, равный отношению средней суточной наг­рузки(Р_сут) к максимальной среднечасовой. Аналогично для недели и месяца.

γ=Р_сут/Р_мах

б)коэффициент минимума, равный, отношению минимальной средне­часовой(ночной) нагрузки к максимальной.

β= Р_min/Р_мах

Значения этих коэффициентов зависят от состава потребителей, ночных смен на предприятиях и т.д.

В общем

0≤β≤1

β≤γ≤1

Величины этих показателей даны в таблице ниже:

Коэффи­циенты	ОЭС
	ЕЭС	Центр	Северо-запад	Сибирь	Казахстан
γ	0,876	0,860	0,829	0,928	0,929
β	0,699	0,632	0.615	0,844	0,867

Наиболее разуплотненными являются графики нагрузки ОЭС Северо-Запада, где в промышленности преобладают нагрузки ма­шиностроительных предприятий, а наиболее плотными графики нагруз­ки ОЭС Сибири и ОЭС Казахстана, в структуре электропотребления которых преобладают электроемкие производства непрерывного действия.

Важной характеристикой режима электропотребления является го­довой график максимумов нагрузки района или системы.

S - коэффициент прироста нагрузки

S=P₂/P₁=1.10-1.20

P_л/P₁ – летний наименьший мах

Р_л=(0.7-0.9)Р₁

Для выполнения водноэнергетических расчетов необходим также график среднемесячных нагрузок (мощностей). По этому графику составляется годовой баланс энергии, который является исходным при расчете суточных графиков нагрузки и годового графика максимумов.

Среднемесячные нагрузки Р_мес, определяются по месячным максимумам. Расход электроэнергии для разных видов потребителей уста­навливается по удельным нормам.

В промышленности удельные нормы относятся к единице выпус­каемой продукции: тонне, кубометру, на 1000 руб. стоимости валовой продукции и т.д. В ряде производств энергия потребляется в боль­ших количествах. Машиностроение, горнорудная, топливная и некоторые виды химической промышленности потребляют до 100 кВт.ч на I т готовой продукции. От 100 до 1000 кВт.ч на 1т используют так называе­мые среднеэлектроемкие производства чугуна, электростали, нефти. Свы­ше 1000 кВт-ч на I т расходуется на электроемкие технологические процессы в химической, бумажной и др. отраслях промышленности. Встречаются потребители с удельной нормой выше 18000 кВт.ч на I т (производства алюминия) и даже 50000 кВт.ч на I т добыча никеля).

В коммунальном хозяйстве принимают сводную норму энергопотребле­ния из расчета на одного жителя. Сюда относится расход энергии на освещение жилых домов, общественных зданий, улиц, на бытовые при­боры, радио, телевизоры, на водопровод, канализацию, городской транспорт, электроотопление и приготовление пищи и т.д. В современных условиях на одного жителя в небольших городах расходуется до 200 кВт.ч в крупных - до 600 кВт.ч.

На электрифицированном железнодорожном транспорте электропот­ребление вычисляется в Вт.ч на I км в год, а в предварительных расчетах - ^в кВт.ч на I км пути в год.

В зависимости от грузонапряженности, профиля и назначения до­роги расход энергии на I км в год оценивается в 400-500 тыс. кВт.ч при современном_, и 500-750 тыс. кВт.ч при перспективном уровне раз­вития народного хозяйства.

Сельскохозяйственное электропотребление рассчитывается на ком­мунально-бытовые нужды и на сельскохозяйственные производство по специальным нормам. Расход энергии на машинное орошение (кВт.ч на I га) определяется в зависимости от величины оросительных норм, способов полива и высоты подъема воды.

Примерные показатели энергопотребления для ирригации (в кВт.ч на I га) для отдельных областей составляют:

Саратовская – II00-1150

Волгоградская и Астраханская 1700-1750

При определении суммарного расхода электроэнергии необходимо наряду с удовлетворением всех потребителей учитывать расход энергии на собственные нужды электростанции и на потери в электросетях. В зависимости от их протяженности, нагрузки и т.п. потери составляют 5-15% энергии, отпускаемой в сеть. Собственные нужды установки требу­ют расходы на ГЭС не более 1%, на ГРЭС 6-10% выработки энергии.

Для составления суммарного графика водопотребления при комплексном использовании водотока появляется необходимость составить график расходов воды, используемой на ГЭС или на каскаде ГЭС.

Для этого график электронагрузок с учетом напоров и КПД гидро­агрегата необходимо пересчитать в график расходов воды. Этот перес­чет производится по формуле:

Q=N/(K*H)

Здесь Q - средний за расчетный интервал времени расход воды в м³/с; N - используемая мощность ГЭС (в среднем за расчетный интервал време­ни) в кВт; H - расчетный напор в м; K - коэффициент мощности.

K=9.81*η_т*η_г,

где η_т - КПД турбины, равный 0,89-0,95; η_г - КПД генератора,

равный 0,92-0,98. Для крупных ГЭС К=8,2- 8,8, для малых ГЭС К=7,6-8,0

Важнейшими показателями суточного графика электрической нагрузки энергосистемы являются коэффициент заполнения (отношение средней нагрузки к максимальной) и отношение минимальной (ноч­ной) нагрузки к максимальной – β.

Основным средством подчинить стихийные колебания речного стока человеческой воле, распределить его в соответствии с народнохозяйственной необходимостью является регулирование реч­ного стока при создании водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования, без чего невозможно решить проблему обеспечения водой развивающихся производительных сил страны в сов­ременных условиях.

Основные показатели по водохранилищам ГЭС, созданным на 01.01.76 (в количестве 101) и 14 водохранилищам, намечаемым к вводу в действие в 1976 и 1980 гг. приводится в табл.

Период создания	Количество шт.	Полезная емкость водохранилищ млн. м3	Процент от годового стока рек*	Затопленных земель
				Всего тыс. га	Удельное га/млн.м3
До 1.01.66	79	303.600	10,1	4009,0	13,2
1966-1970	111	48.071	1,6	592.91	12.3
1971-1977	11	48.371	1,6	697,02	14.4
намечается на 1976-1980	14	79.579	2,6	795,61	10,0
Всего	115	479.621	15,9	6094,54	12.7

*- для полезного объема водохранилищ подсчитана 6% от годового стока используемых рек 3020 млрд.м³, исключен неиспользуемый до 1980 г. сток рек бассейна моря Лаптевых, Вос­точно-Сибирского (кроме Колымы), Чукотского, Охотского(кроме Зеи и Буреи)и Японского морей.

В связи со смещением гидроэнергостроительства в предгорные районы Кавказа и Ср.Азии и в хозяйственно менее освоенные восточный и северо-восточные районы страны удельные затопленные земель на I млн.м³ полезной емкости водохранилищ снижаются.