Регулирование стока вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регулирование стока вод

1.Общие сведения о регулировании стока. Виды и типы регулирования

регулирование стока водохранилищ

Сток воды в реках в естественном состоянии является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь - от характера питания. На некоторых реках с преимущественно снеговым питанием максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода. Во время паводка наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровня и значительное увеличение глубин, которые полностью не используются для судоходства. В период небольших расходов и низкого стояния уровней глубины резко уменьшаются, особенно на перекатах, что ограничивает пропускную способность рек при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.

Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебания стока воды, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов для различных отраслей хозяйства: энергетики, судоходства, лесосплава, водоснабжения и сельского хозяйства. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и строений.

Для регулирования стока на реке возводится узел гидротехнических сооружений (гидроузел), в состав которого (кроме прочих сооружений) входят одна или несколько плотин. Выше гидроузла уровни воды повышаются, образуется водохранилище, которое позволяет аккумулировать «излишки» воды во время прохождения больших расходов (в период снеговых и дождевых паводков). В меженный период на участок реки ниже гидроузла подается дополнительный расход воды по сравнению с его естественными значениями (производятся попуски воды из водохранилища), уровни воды и глубины при этом повышаются. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности распределения расхода воды по времени.

Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:

ФПУ - форсированный подпорный уровень;

НПУ - нормальный подпорный уровень;

УНС - уровень навигационной сработки;

УМО - уровень мертвого объема.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) - это уровень воды выше нормального, временно допускаемый в водохранилище при чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (например, во время прохождения особо высокого паводка).

Нормальный подпорный уровень (НПУ) - это наивысший проектный уровень воды, который поддерживается в водохранилище при нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (до этого уровня водохранилище может наполняться во время обычного паводка).

Уровень навигационной сработки (УНС) - это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.

Уровень мертвого объема (УМО) - это наинизший уровень воды, до которого допускается опорожнение (сработка) водохранилища.

Разница объемов водохранилища при НПУ и УНС называется полезным объемом.

Объем водохранилища при УМО называется мертвым объемом. Величину мертвого объема водохранилища выбирают так, чтобы имелся минимальный напор воды, обеспечивающий нормальную работу турбин гидроэлектростанции. На реках, несущих большое количество наносов, при выборе величины мертвого объема учитывается время заполнения его наносами в процессе эксплуатации. Кроме того, при выборе УМО учитывается необходимость обеспечения надежной работы водоприемников, обеспечивающих подачу воды предприятиям, населенным пунктам и на сельскохозяйственные угодья.

Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, являются различными и иногда противоречивыми. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, чтобы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов большой грузоподъемности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.

Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды, в основном, в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива растений.

Поэтому при проектировании мероприятия по регулированию речного стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов.

В зависимости от продолжительности периода перераспределения стока и от режима работы водохранилища различают следующие виды регулирования речного стока: многолетнее, годичное (сезонное), недельное и суточное.

Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы происходит наполнение водохранилищ, а в маловодные годы, в основном, созданные запасы воды расходуются. Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути с большой обеспеченностью.

Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища, позволяющие аккумулировать большие объемы воды. К таким водохранилищам относятся: Верхне-Свирское на р. Свирь, Рыбинское на р. Волга, Цимлянское на р. Дон, Братское на р. Ангара, Красноярское на р. Енисей и др.

Наиболее простым является годичное регулирование, при котором обеспечивается выравнивание стока только в пределах года. При этом водохранилище наполняется в период паводка, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды резко уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производится к началу следующего паводка. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ, чем при многолетнем регулировании. Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного для судоходства меженного периода.

Необходимость суточного и недельного регулирования стока объясняется неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами. Суточное регулирование обуславливается неравномерностью потребления энергии в течение суток. Обычно наибольшее потребление энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и особенно в вечерние часы, когда работают предприятия и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление - ночью, так как в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение. Поэтому для обеспечения такой неравномерности потребления электрической энергии работает соответствующее количество турбин гидроэлектростанции, и, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.

Недельное регулирование стока обусловливается неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. В субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели.

При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды на участке реки ниже водохранилища, которые прослеживаются на протяжении нескольких десятков километров. Таким образом, суточное и недельное регулирование стока являются характерной особенностью энергетического использования стока, и отличается от остальных видов регулирования. В этом случае происходит не выравнивание стока, а наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени.

Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, так как при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов и иногда нарушается график движения судов.

Для обеспечения суточного и недельного регулирования стока не требуется увеличение емкости водохранилища многолетнего или годичного регулирования.

По методу расходования (отдачи) воды из водохранилища различают два типа регулирования: с постоянной и переменной отдачей воды. На рис. 9.1 показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годичного регулирования: равномерный на протяжении всего года (рис. 9.1, а); равномерный с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода (рис. 9.1, б); ступенчатый с максимумом расхода отдачи в летний (меженный) период (рис. 9.1, в).

Рис. 9.1. Схема сезонного регулирования стока:

1 - бытовой гидрограф Q_б = f(t);

2 - переменный график отдачи Q_З = f(t)

Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенсирующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются минимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подается лишь гарантированный расход турбины гидроэлектростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегулированная отдача увеличивается только для покрытия потерь воды на испарение.

Во всех случаях площадь бытового гидрографа ₁, расположенная выше графика отдачи, представляет собой объем водохранилища V_B, а площадь ₂, расположенная ниже графика отдачи, но выше бытового гидрографа - объем отдачи для обеспечения зарегулированных расходов воды Q_З. Для того, чтобы такая отдача была возможна, необходимо соблюдение неравенства _{1 2}, т.е. чтобы дефицит стока в летне-зимний период не превосходил избытка стока за период весеннего паводка.

2. Водохранилища, их классификация и характеристики

По гидрографическому признаку различают три типа водохранилищ: русловые, озерные и смешанные.

Водохранилище, которое образуется в результате преграждения течения реки плотиной и затопления речной долины, называется русловым (рис. 9.2, а). Такие водохранилища обычно имеют большую длину и площадь водного зеркала. Для создания в них больших запасов воды необходимо значительное повышение уровня воды.

Озерное водохранилище образуется в результате преграждения плотиной истока реки, вытекающей из озера (рис. 9.2, б). Вода при этом заполняет озерную чашу. В таких водохранилищах с большой площадью водного зеркала могут создаваться значительные запасы воды при сравнительно небольших повышениях уровня озера.

При возведении плотины несколько ниже истока реки, вытекающей из озера, образуется смешанное водохранилище, которое включает емкости чаши озера и прилегающей к нему долины реки (рис. 9.2, в).



Рис. 9.2. Типы водохранилищ:

а - русловое; б - озерное; в - смешанное;

Г.У. - гидроузел в месте близкого расположения коренных берегов

Основными характеристиками любого водохранилища являются его емкость V и площадь водного зеркала F. При этом площадь водного зеркала водохранилища определяют планиметрированием горизонталей по топографическим картам на соответствующей отметке берегового откоса. Объем водохранилища вычисляется путем последовательного суммирования произведений средних площадей водного зеркала F_i на приращение высоты уровня воды Z

.(9.1)

Характеристики водохранилища приводятся либо в табличной форме при четырех характерных уровнях воды (ФПУ - форсированный подпорный уровень, НПУ - нормальный подпорный уровень, УНС - уровень навигационной сработки и УМО - уровень мертвого объема), либо в виде кривых зависимости емкости V и площади водного зеркала F от изменения уровня воды в водохранилище (рис. 9.3). На кривые V и F(Z) наносятся расчетные отметки ФПУ, НПУ, УНС и УМО.

Для нижнего бьефа водохранилища основной характеристикой является кривая связи между уровнями и расходами воды. Она строится по данным гидрометрических измерений за многолетний период, предшествующий возведению плотины, а затем корректируется, так как происходит размыв дна реки на участке ниже створа плотины.

Рис 3. График зависимости объема водохранилища (1) и площади водного зеркала (2) от отметок уровня воды Z

При эксплуатации водохранилища, кроме полезного объема, используемого для народнохозяйственных целей, имеются бесполезные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища и на фильтрацию в грунт дна и берегов.

Потери на испарение возникают в результате затопления большой площади долины реки. Величина этих потерь P_н определяется разницей между количеством воды, поступающей в атмосферу с водной поверхности водохранилища Z_в и объемом воды, который раньше (до затопления) поступал в атмосферу с площади суши, занятой водохранилищем Z_с

,(9.2)

где: X -количество осадков, выпадающих на занимаемую водохранилищем площадь;

Y -сток воды с указанной площади.

Для определения Z_в пользуются картой изолиний среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности, составленной по данным многолетних наблюдений на территории расположения водохранилища.

Непосредственный подсчет величины Z_с затруднителен из-за большого разнообразия природной среды (района постройки водохранилища, рельефа местности, растительности и др.). Поэтому эта величина определяется косвенно, как разница между осадками и стоком воды.

Потери воды на испарение в Северо-Западной зоне обычно составляют 1-2 мм в год. В южных районах с засушливым климатом они существенно больше до 0,5-1,0 м и более в год, что учитывается при определении полезного объема водохранилища.

Потери воды из водохранилища на фильтрацию происходят через поры породы, слагающей чашу водохранилища, в соседние бассейны, а также через тело и различные устройства самой плотины в нижний бьеф реки. При этом последний вид потерь на фильтрацию является сравнительно малой величиной и обычно в водохозяйственных расчетах не учитывается.

Потери воды на фильтрацию через дно и берега водохранилища зависят от напора воды, создаваемого плотиной и гидрогеологических условий (пород, слагающих долину реки, их водопроницаемости, характера залегания, положения уровня и режима грунтовых вод).

Фильтрационные потери будут минимальными в том случае, когда ложе водохранилища сложено из практически водонепроницаемых пород (глина, плотные осадочные или массивные кристаллические породы без трещин), а уровень грунтовых вод на примыкающих к водохранилищу склонах расположен выше отметки нормального подпорного уровня (рис. 9.4, а).

Рис. 9.4. Схема потерь воды на фильтрацию из водохранилища:

а - НПУ ниже водоупора, потери воды минимальные;

б - НПУ выше водоупора, большие потери воды

Большие фильтрационные потери наблюдаются у водохранилищ, дно и берега которых сложены трещиноватыми песчаниками, известняками, сланцами или другими водопроницаемыми грунтами, а уровень грунтовых вод на склонах расположен ниже отметки НПУ (рис. 9.4, б).

Наиболее значительная фильтрация из водохранилищ наблюдается в первые годы их эксплуатации. Это объясняется тем, что в период заполнения водохранилища происходит насыщение водой грунта, слагающего ложе, и пополнение запасов подземных вод. С течением времени фильтрация уменьшается и через 4-5 лет стабилизируется. Фильтрация воды из водохранилища через поры породы изучена слабо из-за большого количества определяющих факторов и сложности проведения гидрогеологических исследований. Поэтому часто для оценки таких потерь опираются на опыт эксплуатации уже действующих водохранилищ.

По приближенным нормативам при средних гидрогеологических условиях слой потерь воды из водохранилища на фильтрацию может составить от 0,5 м до 1,0 м в год.

3. Уровенный, волновой и ледовый режимы водохранилищ

После создания водохранилища происходит существенное изменение уровенного режима по сравнению с рекой. Амплитуда колебания подпорных уровней (глубина сработки) у водохранилищ, созданных низконапорными и средненапорными плотинами высотой до 30-35 м, всегда бывает меньше амплитуды колебания уровней в реке в естественном состоянии. Например, из всех водохранилищ Волжского каскада самую большую глубину сработки имеет Самарское водохранилище р. Волги - около 7,5 м, причем, в навигационный период - 4 м. При естественном состоянии реки амплитуда в районе г. Самары достигла 12 м.

У водохранилищ, созданных постройкой высоконапорных плотин, глубина сработки может быть очень большой. Так, у Красноярского водохранилища р. Енисей она равна 18 м, а в естественном состоянии амплитуда колебания уровней была около 10 м.

Годовой ход уровней у водохранилищ отличается плавностью, и характер его из года в год меняется сравнительно мало. В естественном же состоянии ход уровней является весьма изменчивым.

У водохранилищ годичного регулирования имеются три фазы (рис. 9.5) годового хода уровней.

Весенний подъем от уровня мертвого объема до нормального подпорного уровня (наполнение водохранилища).

Поддержание нормального подпорного уровня (в это время излишний приток воды сбрасывается через плотину в нижний бьеф).

Медленный спад уровней, продолжающийся большую часть года.

При этом во время третьего цикла происходит расходование воды из водохранилища для обеспечения потребностей народного хозяйства. Иногда в зимний период особенно перед началом паводка интенсивность спада увеличивается, что объясняется необходимостью выработки большого количества электрической энергии гидроэлектростанций и полного опорожнения водохранилища до уровня мертвого объема.

Рис. 9.5. Уровенный режим реки Н_б=f(t) и водохранилища Н_З=f(t

Годовой ход уровней у водохранилищ многолетнего регулирования имеет свою особенность, а именно, нормальный подпорный уровень достигается только в многоводные годы, а в годы средней и малой водности после некоторого подъема уровней воды (1 фаза) сразу наблюдается спад уровней (3 фаза).

Таким образом, уровенный режим существенно меняется после создания водохранилища, что учитывается при выборе типа и размеров причальных сооружений; расположении навигационных знаков для обеспечения безопасного движения судов; выборе мест водозаборов и водоспусков для снабжения водой населенных пунктов и предприятий; расположении рыборазводных заводов; определении мест дамб обвалования для защиты сельскохозяйственных угодий, лесных массивов и отдельных сооружений; расположении мест отдыха и спортивных сооружений и др.

После создания водохранилища существенно изменяется волновой режим. Вследствие большой площади водного зеркала водохранилищ под действием ветра образуются высокие волны и происходят сгонно-нагонные колебания уровня, чего не было на реке в естественном состоянии.

Высота ветровых волн h_в зависит в общем случае от скорости ветра V_в, длительности его действия t_в, длины разгона волны D_в и глубины водоема h

(9.3)

Под длиной разгона волны D_в понимается расстояние от наветренного берега до места, где наблюдается уже развитая волна (рис. 9.6). При дальнейшем удалении от берега влияние D_в уменьшается и перестает сказываться. Аналогичная картина наблюдается с длительностью действия ветра t_в. Если скорость ветра постоянна, то по прошествии некоторого времени рост высоты волны прекращается, волнение становится квазистационарным, при котором его осредненные характеристики не изменяются во времени.

Рис. 9.6. Волновой режим водохранилища

Глубина водоема h влияет на высоту волны только в мелководных водоемах. Поэтому различают волны глубокой и мелкой воды. К волнам глубокой воды, высота которых не зависит от рельефа дна, принято относить волны в тех частях водоемов, где глубины превышают половину длины h 1/2_в. В том случае, когда глубина меньше половины длины h < 1/2_в, то волны мелководные и рельеф дна водоема влияет на высоту волны.

Кроме перечисленных особенностей, следует отметить, что волны не бывают строго плоскими, они легко перекашиваются из-за порывов ветра и различной плотности воды. Таким образом, мгновенная водная поверхность представляет собой сложную систему валов различной высоты и длины, имеющих ограниченное простирание по фронту. Поэтому важно знать, кроме высоты волны, ее обеспеченность.

Из-за имеющихся математических сложностей волновое уравнение в общем виде еще не решено, но имеются приближенные решения при упрощающих допущениях. Наибольшее распространение на практике получил способ расчета высоты волны, предложенный А.П. Браславским. Этот способ позволяет при известном рельефе дна водоема, скорости ветра и дальности разгона волны находить высоту волны 1 обеспеченности в любой точке водоема. Для облегчения расчетов им построены номограммы. Каждая номограмма отвечает определенной скорости ветра V_в= const и состоит из двух семейств кривых зависимости высоты волны от дальности разгона и глубины водоема h_в=f(D_в, h) (рис. 9.7). Одно семейство кривых (сплошные восходящие линии) для расчета hв на участках, где глубины с удалением от берега увеличиваются, а другое (пунктирные нисходящие линии) - на участках, где глубины уменьшаются.

Расчеты ветрового волнения составляют необходимую и важную часть проектов судоходного освоения водохранилищ. Данные этих расчетов используются для выбора типов судов транспортного и технического флота, навигационных знаков, конструкций причальных и берегоукрепительных сооружений, а также для выбора места расположения портов-убежищ, где речные суда укрываются при сильных штормах.

Волнение повышает требования к остойчивости судна и к прочности его корпуса. Поэтому суда, плавающие на водохранилищах и озерах, делятся на три класса: «Р» - речные, которые могут безопасно плавать при высоте волны h_в до 1,2 м; «О»- озерные при h_в до 2 м и «М» - морские при h_в до 3м и более. Плотовые составы, транспортирующие древесину, должны укрываться в портах-убежищах при высоте волны h_в=1 м.

Волнение на водохранилищах принято оценивать по высоте волны с обеспеченностью 1, т.е. по высоте самой высокой волны в группе из 100 волн. На судоходных трассах больших водохранилищ Волжского каскада высота волн с обеспеченностью 1 при скорости ветра 10 м/с достигает 1,0-1,5 м, а при скорости ветра 20 м/с h_в=2,5-3,0 м. Для сравнения укажем, что при скорости ветра 20 м/с высота волн с обеспеченностью 1 достигает значений на трассах Онежского озера до 5 м, а на трассах Ладожского озера до 6 м.

Рис. 9.7. Номограмма расчета высоты волны по Браславскому:

сплошные линии при увеличении глубины потока;

пунктирные линии при уменьшении глубин от берега

Рис. 9.8. Сгонно-нагонные вления на водохранилище:

1 - горизонтальное положение при отсутствии ветра;

2 - перекошенная поверхность воды при действии V_в;

3 - компенсационное течение воды

Кроме волнения при действии ветра, возникает перекос свободной поверхности воды: понижение (сгон h_сг) у наветренного берега и повышение (нагон h_н) у подветренного (рис. 9.8). На широких участках крупных водохранилищ сгоны и нагоны иногда достигают значений 1 м и более. Поэтому они должны учитываться при назначении отметок дна акваторий у причалов и подходных каналов, а также отметок территорий портов.

Основные отличия ледового режима свободных участков рек заключаются в следующем:

- увеличение толщины ледового покрова;

- изменение сроков вскрытия и замерзания;

- образование незамерзающего участка ниже плотины.

Образование в водохранилищах ледяного покрова повышенной толщины объясняется малыми скоростями течения и, следовательно, уменьшением количества тепла, переносимого от дна водоема к нижней поверхности ледяного покрова.

Если в реках центральных районов Европейской территории России толщина льда редко бывает больше 0,5 м, то на водохранилищах этих районов она составляет 0,6-0,8 м. Даже на Цимлянском водохранилище р. Дон, которое находится южнее центральной части территории, толщина льда в холодные зимы достигает значений 0,7 м.

Малые (а в нижней части водохранилища - практически нулевые) скорости течения имеют еще одно последствие - на водохранилищах невозможен ледоход, там лед тает на месте под действием солнечного тепла. Даже когда ветер нагоняет ледяные поля к плотине, сброс льда через отверстия водослива не производится, так как это вызвало бы большие потери воды из водохранилища.

Таяние льда на месте требует времени, и начало физической навигации сдвигается на водохранилищах на более поздние даты по сравнению со свободной рекой. На водохранилищах Европейской территории России начало физической навигации запаздывает на 5-10 суток. На этот отрезок времени сокращается и общая продолжительность навигации; так как появление льда (замерзание воды) происходит на реках и водохранилищах примерно одновременно.

Для устранения такого негативного явления в настоящее время осуществляется проводка судов за ледоколами глубокой осенью и ранней весной, что позволяет компенсировать уменьшение продолжительности навигационного периода из-за задержки очищения водохранилищ от льда весной. Иногда таким способом удается даже увеличить продолжительность навигации по отношению к естественному режиму, что существенно влияет на экономические показатели отрасли (водного транспорта). Однако использование (строительство и эксплуатация) мощных ледоколов, в свою очередь, требует больших затрат.

Участки ниже плотины (нижние бьефы) характеризуются тем, что вода туда поступает относительно теплой, прошедшей через турбины гидроэлектростанций, и обладающей большой турбулентностью (интенсивным перемешиванием отдельных слоев воды по глубине потока). Прежде чем вода охладится при отрицательных температурах воздуха, она проходит значительное расстояние. Поэтому в нижних бьефах всех гидроэлектростанций в течение всей зимы имеются незамерзающие участки (полыньи) различной длины. Ниже крупных водохранилищ длина полыньи равна 20-30 км. В предвесенний период, в результате усиливающейся солнечной радиации, длина полыньи начинает быстро расти и перед вскрытием иногда увеличивается до 100-150 км. Наличие полыньи в нижних бьефах позволяет осуществлять местное судоходство круглый год, что является положительным моментом.

Однако иногда наличие полыньи может вызвать негативные последствия. В некоторых случаях в конце полыньи, где температура воды близка к нулю, образуется шуга (внутриводный кристаллический лед). Поступая вниз по течению в массовом количестве, шуга способна заполнить все живое сечение русла подо льдом (обычно в местах крутых поворотов и сужений), т.е. создавать зажоры (ледяные плотины), преграждающие течение воды. В результате на вышележащем участке происходит повышение уровня. Высота зажорных подъемов уровня может составлять несколько метров, что приводит к затоплению прилегающих территорий, где могут быть населенные пункты, промышленные и сельскохозяйственные строения. Это обстоятельство приводит к значительным экономическим потерям при устранении последствий зимних подъемов уровня воды.

4. Русловой режим водохранилищ и нижних бьефов

Русловой режим водохранилищ характеризуется тремя основными явлениями.

1. Аккумуляция речных наносов.

2. Деформации берегов и дна.

3. Заносимость входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов происходит вследствие падения скоростей течения при переходе от насыщенного наносами речного потока к водохранилищу с малыми скоростями течения. По мере приближения к плотине скорости течения становятся равными нулю и, следовательно, практически весь сток наносов реки, который до постройки плотины проходил вниз по течению, откладывается в чаше водохранилища. Таким образом, водохранилище постоянно заполняется наносами, особенно интенсивно весной, когда на реке наблюдается паводок с большим количеством наносов.

На горных реках с большим годовым твердым стоком и сравнительно небольшой емкостью чаши водохранилища аккумуляция может привести к полному заполнению наносами объема водохранилища. Для борьбы с этой угрозой у плотин горных водохранилищ устраиваются донные отверстия, через которые периодически производится промывка откладывающихся наносов.

Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, так как объем годового стока наносов у них составляет малую долю от объема водохранилища. Например, по ориентировочному расчету для занесения мертвого объема Рыбинского водохранилища на р. Волге емкостью около 8 км потребуется свыше 600 лет.

Однако на водохранилищах равнинных рек аккумуляция наносов происходит неравномерно по длине. В большом количестве отложение наносов наблюдается в верхней по течению зоне водохранилища, которую принято называть зоной переменного подпора.

На рис. 9.9 показаны продольные профили свободной поверхности водохранилища при нормальном подпорном уровне (НПУ) и уровне навигационной сработки (УНС), а также продольные профили свободной поверхности реки в естественном состоянии при весенних и меженных расходах воды. При больших весенних расходах воды в этой зоне подпора от плотины почти не ощущается, а по мере спада паводка эта зона попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах этой зоны в период высоких уровней наблюдается так же, как при естественном состоянии реки. Однако смыва отложений наносов не происходит, как это было на спаде паводка в естественном состоянии, так как при низких уровнях из-за подпора скорости течения резко уменьшаются.



Рис. 9.9. Схема распространения подпора воды

по длине водохранилища в весенний и меженный периоды:

1 - зона отложения наносов; 2 - зона размыва дна; 3 - плотина гидроузла;

Н_З и Т_З - зарегулированный уровень воды и глубина потока

В результате наносы на перекатах из года в год накапливаются, гребни перекатов повышаются, а глубины уменьшаются. Указанный русловой процесс приводит к тому, что в этой зоне для поддержания судоходных условий необходимо проводить дноуглубительные работы иногда в больших объемах, чем на реке в естественном состоянии. В противном случае перекаты этой зоны начинают лимитировать глубины при уровнях, близких к уровню навигационной сработки.

Рис. 9.12. Деформации русла на участке ниже плотины:

1 - зарегулированный уровень в первый год; 2 - зарегулированный уровень спустя несколько лет; 3 - положение дна в бытовом состоянии; 4 - положение дна после размыва; 5 - плотина



Рис. 9.10. Схема переработки коренного берега под действием волнения в водохранилище: 1 - зона разрушения берега; 2 - зона отложения грунта; 3 - старое положение оси судового хода; 4 - положение оси судового хода после создания водохранилища

В первые годы эксплуатации водохранилища наблюдаются существенные деформации берегов. Это объясняется тем, что после заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня грунты берегов насыщаются водой, сцепление частиц грунта ослабляется, и под действием волнения они сползают вниз по береговому откосу. После нескольких штормов верхняя часть берега теряет устойчивость, и происходит его обрушение (рис. 9.10), при этом грунт откладывается у основания берегового откоса. Таким образом, разрушение берега ведет к отступлению наводной части береговой полосы и формированию нового берегового профиля с пологим подводным откосом в зоне колебания уровня воды. Особенно сильные деформации происходят на участках водохранилищ, где берега сложены лессовыми и песчаными грунтами. Например, в первые годы эксплуатации Каховского водохранилища на р. Днепре на некоторых участках с такими грунтами береговая линия отступила на 30-45 м, а через 4 года перемещение береговой линии достигло 90-100 м. Период активной переработки берега обычно заканчивается через 5-10 лет, а для окончательной стабилизации положения берега требуется 20-30 лет.

Это явление переработки берегов необходимо учитывать для выбора правильного положения судового хода, который должен располагаться вне возможной подводной осыпи грунта.

Кроме того, на некоторых участках водохранилищ, где волны подходят под некоторым острым углом к берегу (рис. 9.11), образуется вдольбереговое течение V_х со скоростями порядка 0,6-1,0 м/с и более. Эти скорости течения достаточны для интенсивного перемещения донных частиц грунта. Так как период штормового волнения может быть значительным, то вдольбереговое течение обычно транспортирует большой объем наносов. Если на пути такого течения встречается устье залива, где дно резко понижается, то поток расширяется, скорость его замедляется, а наносы откладываются на дно. Поэтому после каждого шторма в устье залива остается подводный вал наносов, который иногда перекрывает почти всю ширину входа в бухту.

Рис. 9.11. Схема заносимости входов в заливы:

1 - судовой ход; 2 - зоны отложения наносов;

V_х - скорость вдольберегового течения при волнении

В тех случаях, когда в таких заливах располагаются пристани или порты-убежища, проводят дноуглубительные работы для обеспечения глубин, необходимых для прохода судов.

В нижних бьефах (на участке ниже плотин) также происходят существенные изменения руслового режима, вследствие уменьшения продолжительности и высоты паводка и увеличения меженных расходов, а также из-за поступления из водохранилищ осветленной (без наносов) масс воды. Эти особенности зарегулированного режима приводят к существенным переформированиям русла (рис. 9.12). В целом на участках ниже плотин происходит увеличение гарантированных глубин за счет повышения уровней воды в меженный период при прохождении увеличенных расходов воды и некоторого размыва дна.

В первые годы эксплуатации наиболее интенсивные размывы русла наблюдаются на участках, расположенных непосредственно ниже плотин. Здесь осветленный поток, обладающий повышенной турбулентностью и дополнительной кинетической энергией, насыщается наносами, смывая их со дна реки, а также размывая некоторые участки берегов. В результате увеличивается емкость русла, что, в свою очередь, приводит к некоторому уменьшению скоростей течения и частичному выпадению наносов. При этом формируются новые песчаные гряды, побочни и осередки, которые существенно изменяют прежние формы русла. С удалением от плотин рассмотренный процесс постепенно затухает; период интенсивного размыва русла составляет 4-6 лет, а общий процесс русловых переформирований протекает десятки лет.

Рис. 9.14. Отложение наносов на участке зарегулированной реки выше устья крупного притока:

1 - створ устья притока; 2 - кривая подпора реки; 3 - зона отложения наносов

Отсутствие высоких паводков на участках зарегулированных рек способствует отмиранию (пересыханию) пойменных проток и рукавов. При этом расходы воды сосредотачиваются в меженном русле, что приводит к выравниванию глубин за счет некоторого размыва гребней перекатов и частичного отложения наносов в плесовых лощинах. В целом судоходные условия на участках рек с зарегулированным стоком улучшаются при меньшем объеме дноуглубительных работ.

Некоторые особенности руслового процесса наблюдаются на зарегулированных реках в местах впадения крупных притоков. В естественном состоянии притоки обычно оказываются в подпоре во время высокого паводка на главной реке, что приводит к отложению наносов на устьевых участках притоков.

После создания водохранилища уровни паводка на зарегулированной реке оказываются существенно ниже естественных уровней, а на притоках по-прежнему наблюдаются высокие паводки (рис. 9.13). Поэтому на устьевом участке притока образуется кривая спада уровней с большими уклонами свободной поверхности и значительными скоростями течения. В результате там происходит размыв дна, и большое количество наносов поступает в главную зарегулированную реку, что осложняет поддержание гарантированных габаритов пути на перекатах, расположенных ниже по течению.

Кроме того, участок зарегулированной реки, расположенный выше по течению от места впадения притока оказывается в подпоре (рис. 9.14) от высокого паводка на притоке. Следовательно, на перекатах этого участка будет откладываться дополнительный слой наносов из-за уменьшения скоростей течения в зоне подпора. Поэтому на участках впадения притоков на главной зарегулированной реке существенно увеличивается объем дноуглубительных работ для обеспечения гарантированных габаритов пути.

5. Основы расчета регулирования стока рек. Управление работой водохранилища

Расчет регулирования стока обычно сводится к определению потребной (полезной) емкости водохранилища, а также объема сброса излишней воды, поступающей в водохранилище в период паводка. Иногда приходится решать обратную задачу, т.е. находить зарегулированный расход по установленному техническими или экономическими условиями объему водохранилища. На практике определение потребностей емкости водохранилища чаще выполняют с помощью интегральной (суммарной) кривой стока.

Для построения интегральной кривой стока сначала выбирают расчетный годовой график уровней воды H_р= f(t) с заданной обеспеченностью в створе будущей плотины (рис. 9.15, а). Затем с помощью кривой расходов воды Q= f(H) (рис. 9.15, б) и расчетного графика уровней H_р= f(t) строится годовой график притока воды в водохранилище Q= f(t). Пользуясь графиком притока Q=f(t), подсчитывают объемы стока воды V_i за определенные интервалы времени t_i (рис. 9.16). Суммируя значения объемов стока, строится интегральная кривая стока V= f(t) (рис. 9.17, а, б).

Рис. 9.15. Расчетный график колебания уровней воды (а) и кривая расходов воды (б)



Рис. 9.16. График изменения расходов воды во времени

Рис. 9.17. Интегральная кривая стока в прямоугольных (а) и косоугольных (б) координатах с лучевым масштабом расходов воды

Чтобы выявить свойства интегральной кривой стока V= f(t) соединяют прямой линией точки начала и конца интегральной кривой стока и определяют тангенс угла наклона этой линии:

,(9.4)

где:V_г-полный объем годового стока, м³;

t_г-продолжительность времени в году, с.

На основании такого свойства на графике V=f(t) строится лучевой масштаб расходов (обычно в левом верхнем углу графика). При этом лучи проводят под таким углом, чтобы они соответствовали круглым значениям расходов с одинаковым интервалом (например, через 50 или 100 м³/с и др.).



Рис. 9.18. Определение полезного объема водохранилища V_п и объема сброса воды V_сб с помощью интегральной кривой стока в прямоугольных координатах

На рис. 9.18 приведена интегральная кривая стока, пользуясь которой определяется полезный объем водохранилища V_п по заданному зарегулированному расходу Q_з при сезонном (годичном) регулировании стока. Для этого на графике V=f(t) проводится касательная к интегральной кривой, параллельная лучу с расходом Q_з (на рис. 9.18 Q₃=Q₄). Точка касания А соответствует моменту времени, когда естественный приток воды равен заданному расходу отдачи Q_з. Левее этой точки - Qi Qз во время паводка, а правее - Qi Qз, что соответствует меженному состоянию реки. Далее, проектируя точку А на вертикальную линию конца года, получаем следующие ординаты:

а_в-объем стока, необходимый для обеспечения заданных расходов Q_з - за тот же период времени;

в_с-дефицит (нехватка) стока для обеспечения заданных расходов Q_з в меженный период.

Для покрытия дефицита стока надо создать необходимый запас воды в водохранилище, что осуществляется во время весеннего паводка, когда расходы воды в реке существенно больше Q_з. Следовательно, полезный объем водохранилища, который должен быть равен максимальному дефициту стока, определяется как разница ординат потребления а_с и притока а_в на момент конца водохозяйственного года V_п=а_с - а_в.

Определив величину полезного объема водохранилища, можно установить высоту плотины, границы возможных затоплений прилегающих к реке земель и др.

Излишний объем стока V_сб должен быть своевременно сброшен через водосбросную часть плотины в нижний бьеф, чтобы не допустить переполнения емкости водохранилища. Иногда в многоводные годы для пропуска излишнего стока воды дополнительно используют донные отверстия в теле плотины.

При решении обратной задачи, когда находится значение зарегулированного расхода Q_з по заданному объему водохранилища V_п, также пользуются интегральной кривой стока. Для этого от конца интегральной кривой стока вертикально вверх в масштабе графика откладывают величину полезного объема V_п. Проводя через верхний конец отложенной ординаты полезного объема касательную к интегральной кривой, определяют обеспечиваемый при данном V_п зарегулированный расход Q_з, величина которого находится путем переноса направления касательной на лучевой масштаб расходов.

Обратная задача встречается в тех случаях, когда высота плотины и емкость водохранилища ограничивается из-за недопущения затопления населенных пунктов, промышленных строений, большой площади плодородных сельскохозяйственных угодий и ценных пород дерева.

Если годовой объем потребления воды (зарегулированный сток) больше, чем бытовой сток расчетного года, то необходимо осуществлять многолетнее регулирование стока. При расчете этого вида регулирования рассматривают гидрологические периоды, длящиеся на протяжении нескольких лет (часто 4-6 лет). Эти периоды начинаются многоводными годами, а заканчиваются маловодными.

Многолетнее регулирование стока требует значительно больших емкостей водохранилищ, чем годичное. Задачей такого регулирования является накопление воды в многоводные годы и ее расходование в маловодные годы.

Расчет многолетнего регулирования стока, заключающегося в нахождении полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода, может быть выполнен с помощью интегральных кривых стока, которые для удобства вычерчиваются в косоугольных координатах.

Для построения интегральной кривой стока в косоугольных координатах производится поворот всех точек графика, вычерченного в прямоугольных координатах на угол (см. рис. 9.16, б). При этом пунктирная линия, соответствующая среднему годовому расходу воды, совмещается с горизонтальной осью времени t. Тогда интегральная кривая стока оказывается расположенной вдоль оси t. Лучевой масштаб также разворачивается на этот угол .. На рис. 9.19 приведен пример расчета многолетнего регулирования при постоянном расходе отдачи (потребления) Q_з с помощью интегральной кривой стока в косоугольных координатах. Для этого проводят лучи с различными углами наклона от самой низкой точки интегральной кривой стока (в конце маловодного периода) до начала маловодного периода.

Рис. 9.19. Расчет многолетнего регулирования стока при постоянном расходе отдачи Q_з с помощью интегральной кривой стока в косоугольных координатах

Каждый из приведенных отрезков прямой линии представляет собой кривую отдачи, отвечающую определенному расходу воды Q_з. Наибольшие расстояния между интегральной кривой притока и проведенными лучами определяют потребные для осуществления многолетнего регулирования емкости водохранилища V_1п, V_2п,...., обеспечивающие различные зарегулированные расходы воды Q_1з, Q_2з,.... По этим соответствующим данным строят график связи полезных объемов водохранилища V_п и величин зарегулированных расходов Q_з.

Рис. 9.20. График зависимости полезных объемов водохранилища V_п от зарегулированных расходов Q_з: 1 - зона рационального регулирования стока; 2 - зона нерационального регулирования стока; I-III - возможные варианты регулирования стока

На рис. 9.20 приведена кривая связи V_п= f(Q_з), характерной особенностью которой является сравнительно медленное возрастание V_п с увеличением Q_з в ее начале. Затем в конце кривой небольшое повышение зарегулированного расхода Q_з вызывает значительное увеличение полезного объема V_п водохранилища многолетнего регулирования, что свидетельствует о нерациональности регулирования стока в той области, где кривая уходит круто вверх. Окончательное значение V_п и Q_з получают на основе технико-экономических расчетов. Для этого выбирают несколько вариантов значений полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода в области рационального регулирования, затем находят оптимальный вариант с учетом минимальных суммарных эксплуатационных и капитальных затрат.

После установления расчетных значений V_п и Q_з задача регулирования сводится к обеспечению рационального использования запасов воды водохранилища в зависимости от водности того или иного года.

Управление работой водохранилища заключается не только в обеспечении расчетной полезной отдачи в пределах проектных подпорных отметок, но и максимально полного использования стока сверх расчетного потребления.

При надежном и заблаговременном (долгосрочном) прогнозировании (предсказании) стока можно составить такой план работы водохранилища, который полностью удовлетворит запросы всех потребителей в соответствии с ожидаемым стоком. Например, для водного транспорта должно быть предусмотрено такое расходование воды из водохранилища в навигационный период, при котором не будет затруднений для поддержания гарантированных глубин в верхнем и нижнем бьефах гидроузла.

Однако из-за невысокой точности прогноза и небольшой его заблаговременности полностью выдержать план работы водохранилища часто не удается. Поэтому обычно составляют специальные диспетчерские графики, которые являются оперативным планом управления работой водохранилища.

Если водохозяйственный год близок по водности к расчетному, то из водохранилища подается гарантированный расход отдачи Q_з. В тех случаях, когда водность года больше расчетной, то из водохранилища обеспечивается подача повышенных максимально полезных расходов Q_п Q_з, которые необходимы для круглосуточной работы всех турбин гидроэлектростанции. Если год маловодный, то при малом наполнение водохранилища подача снижается до значений, менее гарантированных Q_п Q_з.

В водохранилищах годичного регулирования особенно ответственной задачей является пропуск весеннего паводка. Только при правильном управлении водосбросными устройствами и работой турбин гидроэлектростанции в весенний период можно обеспечить хорошую эксплуатацию водохранилища на протяжении всего водохозяйственного года. Для правильного назначения режима работы водохранилища на предстоящий период паводка обязательным является использование прогноза объема воды во время весеннего паводка и, в частности, объема сброса воды, чтобы не допустить переполнения водохранилища.