Основные параметры водохранилища.

Лекция 4. Основные параметры водохранилища. Водохранилище и его топографические характеристики. Водохранилище – это водоем, образованные водонапорным сооружением (плотина) и предназначенный для регулирования стока и создания напора. Задачи водохранилища 1. Организация пропуска половодий и паводков; 2. Обеспечение гарантированной водо- и энергоотдачи; 3. Оптимизация использования воды в народном хозяйстве. Все эти задачи связаны с перераспределением притока воды во времени (а иногда, и в пространстве). То есть накопление воды во время половодья (или паводка) и использование её в те периоды, когда приток воды минимален (межень). Задача перераспределения воды во времени связана с тем, что естественный гидрограф реки расходится с режимом потребления воды народным хозяйством. Например, если рассматривать гидроэнергетику, то получится следующая картина: Q, м3/с 1000 900 800 700 Естественная приточность реки 600 500 Расход воды через турбины ГЭС для покрытия годового графика электрических нагрузок 400 300 200 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Такая картина объясняется тем, что в средних широтах основной источник питания реки – это таяние снега. А расход через турбины ГЭС меняется в зависимости от графика электрических нагрузок (см. лекцию 2). Таким образом, для того, чтобы ГЭС могла функционировать максимально эффективно, и необходимо перераспределение воды с месяцев половодья на месяцы межени (периода, когда приточность воды ниже среднегодовой). Чем тот объем воды, который надо перераспределять, тем больше должен быть полезный объем водохранилища, т.е. такой объем, который может быть набран водохранилищем, а позже сработан из него. Каждому из объемов соответствуют уровни воды: Верхний бьеф (ВБ) ФПУ Нижний бьеф (НБ) НПУ УМО Уровень нижнего бьефа НПУ – нормальный подпорный уровень - максимальный уровень воды, при котором гидростанция и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением проектных запасов надежности. Объем воды в водохранилище при этом уровне называется полным. УМО – уровень мертвого объема - это минимальный допустимый уровень сработки воды в водохранилище, обеспечивающий получение проектных параметров гидростанции. Объем водохранилища при этом уровне называется мертвым объемом. Vполез=Vполн-Vумо – полезный объем, который используется для регулирования стока. ФУ (ФПУ) – форсированный (подпорный) уровень – это наивысший подпорный уровень водохранилища, допускаемый при пропуске расчетного расхода. Объем между НПУ и ФПУ называется резервным и используется для трансформации половодий и паводков. В проектном режиме работы уровень воды не должен подниматься выше НПУ! Другой характеристикой водохранилища является площадь зеркала водохранилища – т.е. площадь поверхности воды. Обозначается F, [км2]. Как и объем, площадь зеркала водохранилища изменяется во времени. Связь уровней воды, объема воды в водохранилище и площади зеркала водохранилища показывает кривая связи: Zвб, м F=f(zвб) Zнпу V=f(zвб) Zумо Fумо Vполезн Fнпу F, км2 V, км3 Уровень воды в нижнем бьефе водохранилища зависит от величины расхода воды. Расход воды в нижний бьеф может складываться из следующих составляющих: 1. Расход воды через турбины ГЭС. Т.е. расход, который непосредственно связан с выработкой электроэнергии. 2. Холостые сбросы воды – сброс воды из водохранилища в нижний бьеф через водосбростные (водопропускные) сооружения и не участвующий в выработке электроэнергии. Так же вода в нижний бьеф попадает в результате процессов, относящихся к потерям: 3. Шлюзование – пропуск судов через плотину с помощью шлюза. Расход на шлюзование может быть рассчитан по следующей формуле 𝑙∙𝑏∙ℎ∙𝑛 𝑄= 𝑡шл l,b,h – длина, Ширина и высота шлюзовых камер tшл – период навигации n – число шлюзований за период навигации. 4. Фильтрация воды через тело плотины или грунты под плотиной. Расход фильтрации может быть рассчитан по следующей формуле: Qф=hфFф/tф hф – слой фильтрации Fф – площадь фильтрации tф – время фильтрации Суммарный расход воды от всех вышеперечисленных источников называется расход воды в нижний бьеф и обозначается Qнб. Зависимость уровня воды в нижнем бьефе от расхода воды в нижний бьеф называется кривой связи уровней и расходов воды в нижнем бьефе. Zнб, м 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 500 1000 1500 2000 2500 Qнб, м3/с Помимо упомянутых выше двух видов потерь, в водохранилище есть еще два вида потерь: 1. Испарение: Qисп=(hв-hс)F/tисп F – площадь водохранилища, tисп – время открытого русла. hв – слой испарения воды с водной поверхности hс – слой испарения воды с суши (до создания водохранилища) Расчеты по испарению с данной поверхности выполняют за весь предоставленный период, кроме зимних месяцев. 2. Потери на льдообразование 𝛾л ℎл (𝐹НПУ − 𝐹УМО ) 𝑄= 𝑡з л – удельный объем льда hл – толщина льда F – площадь зеркала водохранилища при соответствующих отметках. tз – продолжительность зимы В отличие от других видов потерь, потери на льдообразование не безвозвратные, т.к. в зимний период вода замерзает, а в первый месяц половодья, когда наступает ледоход, лед тает и вода «возвращается» водохранилище. Водохранилища классифицируют по ряду признаков. Выделяют пять основных типов водохранилищ: равнинные, предгорные, горные, озерные, наливные. Равнинные отличает значительные затопления окружающей территории, большой площадь водного зеркала и относит небольшой напор ГЭС (15-35 м). При сработке водохранилища происходит резкое изменение площади водного зеркала. Предгорные характеризуются большими глубинами, незначительными затоплениями и подтоплениями территории. Напор воды на ГЭС с такими водохранилищами до 100 м. Для горных характерен большой напор и объем воды при сравнительно малой площади водного зеркала. Напор ГЭС с горными водохранилищами свыше 100 м. Озерные являются наиболее экономичными. Они образованы в результате подтопления плотинами озер. Характеризуются тем, что затопления и подтопления достаточно небольшие, изменение уровня воды при сработке невелико. Полезный объем при этом достаточно большой. Наливные водохранилища чаще всего создаются в естественных депрессиях, куда по каналам подаются преимущественно избыточные паводковые воды рек. По назначению водохранилища делятся на одноцелевые (используемы только в одной отрасли народного хозяйства) и комплексные. Большинство крупных водохранилищ являются комплексными.