Для определения основных параметров водохранилища наряду с гидрологическими характеристиками используются топографические кривые зависимостей площади водной поверхности (ω) и объема (W) от уровня воды (H) в проектируемом водохранилище. Для их построения используют крупномасштабные топографические карты (М 1: 2000… 1:10000).
Площади водной поверхности, соответствующие разным уровням воды в водохранилище, определяют путем планиметрирования площадей, заключенных между горизонталями и створом плотины.
Объем воды в водохранилище вычисляют последовательным суммированием частных объемов, заключенных между смежными (отметками) горизонталями уровня воды.
Средняя глубина воды в водохранилище вычисляется по формуле:
hс = W/ ω, м (17)
Топографические характеристики объемов и площадей водохранилища, используемые при решении задачи, приведены на рис. в прил. 5.
К основным характерным уровням воды в водохранилище относят: уровень мертвого объема, нормальный подпорный уровень и форсированный подпорный уровень воды.
|
|
Уровень мертвого объема (УМО) - уровень, ограничивающий часть полного объема водохранилища, не участвующий в регулировании стока. Отметка УМО определяется исходя из возможности заиления водохранилища к концу срока его эксплуатации, санитарно-технических требований и условий обеспечения необходимого качества воды в водохранилище. Средняя глубина воды при УМО должна быть, как правило, не менее 2 м, а площадь мелководья с глубинами менее 1,5 м – не более 30% всей площади водной поверхности водохранилища. При транспортном использовании водохранилища УМО определяется как минимальный навигационный уровень воды, обеспечивающий необходимые глубины для судоходства.
НПУ – нормальный подпорный уровень - наивысший проектный подпорный уровень, поддерживаемый в нормальных условиях эксплуатации водохранилищного узла. НПУ определяется по кривой W = W(H) для полного объема водохранилища (Wпол), который равен:
Wпол = Wнпу = Wумо + Wп, (18)
где: Wумо – мертвый объем водохранилища при УМО,
Wп – полезный объем воды в водохранилище.
Наиболее распространенным методом определения полезного объема сезонного водохранилища является воднобалансовый метод, заключающийся в количественном сравнении речного стока в проектируемое водохранилище с расходами (водоотдачей) из него.
Воднобалансовые расчеты выполняются в хронологической последовательности, с вычислением объемов наполнения водохранилища и сбросов на конец расчетного интервала (декада, месяц) по формулам:
Wk = Wф – Wсб = Wн + (Wp% – U) - Wсб
Wнпу > Wк > Wумо,
Wф = Wр% – U, (19)
Wсб = (Wф – Wнпу) ≥ 0,
|
|
где: Wн – объем воды на начало расчетного интервала;
Wр% – сток воды расчетной обеспеченности;
U – плановая водоотдача (брутто);
Wсб – сброс воды из водохранилища:
Wф – разность объемов стока и водоотдачи.
Вычисления начинают с момента, когда водохранилище опорожнено до уровня мертвого объема воды, т.е. на начало первого интервала времени принимают Wн = Wумо. Для каждого последующего интервала времени за начальное наполнение принимается наполнение к концу предшествующего интервала: Wн2 = Wн1, Wн3 = Wн2 и т.д. (табл. 2).
При этом возможны два случая:
Первый случай: Wф > Wнпу. Так как объем воды в водохранилище, как правило, не должен превышать Wнпу, принимают Wк = Wнпу, а Wсб = Wф – Wнпу.
Второй случай: Wнпу > Wф > Wумо. Весь объем стока задерживается в водохранилище, т.е. Wсб = 0, а Wк = Wф.
Так как для определения полезного объема водохранилища необходимо предварительно задать его величину, то расчеты выполняют методом последовательного приближения. В первом приближении величину полезного объема Vп1 принимают равной разнице между плановой водоотдачей и речным стоком за периоды летней и зимней межени (VI-III). По топографическим кривым определяются мертвый объем (Wумо) и Wнпу = Wумо + Wп. Объем воды на начало расчетов Wн1 = Wумо. К концу расчетов должна происходить сработка полезного объема и Wк = Wумо.
Полезный объем водохранилища находится по данным расчетной таблицы, как сумма дефицитов объема стока (-) за вычетом его избытков (+) (без сброса). В тех случаях, когда в результате дождей происходит переполнение водохранилища, полезный объем водохранилища принимают равным максимальной сумме дефицита стока в летнюю или зимнюю межень. Если он не совпадает с принятым значением в первом приближении, то расчет повторяется при новом значении Wп2, вплоть до получения стабильного значения полезного объема, отличающегося от предыдущего не более чем на 5%.
Расчет полезного объема воды в водохранилище графоаналитическим методом выполняется с помощью интегральных кривых стока и отдачи, построенных на одном чертеже (рис. 2). Для этого проводят верхние и нижние касательные в точках перегиба кривой стока, параллельные кривой отдачи и находят избыток и дефицит воды в водохранилище. Полезный объем определяют по графику как наибольшее вертикальное расстояние между касательными на спаде кривой стока (или между верхней касательной и кривой стока).
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – временно допускаемый выше НПУ подпорный уровень воды в период пропуска половодья и паводков через водосливные сооружения в плотине. Отметка ФПУ устанавливается расчетом, исходя из совокупности требований различных потребителей и водопользователей, гидрологического режима и конструктивных особенностей плотины. Разница в отметках между ФПУ и НПУ может достигать в среднем 0,5…1,5 м.
Пример
Исходные данные:
Сток воды и плановую водоотдачу из водохранилища принимаем по результатам расчетов в задачах 5 и 6.
Топографические кривые зависимости площади зеркала и объемов воды в водохранилище от уровня воды в нём – прил. 5.
Допустимое превышение горизонта воды в водохранилище над НПУ принимаем равным 1 м.
Срок службы водохранилища для принятого варианта расчетов составляет 150 лет (прил.6).
1. Определим мертвый объем водохранилища исходя из следующих условий:
а) заиления водохранилища происходит в течение срока его службы, полагая, что все наносы, приносимые рекой, остаются в водохранилище;
б) средняя глубина водохранилища по санитарно-техническим нормам не должна быть менее 2 м.
Среднегодовой объем наносов, приносимых рекой в водохранилище, определим по формуле:
Wн = ρ * Wo * (1 / λ1 + αo / λ2) / 106 =
= 50 * 79.5 * 106 * (1 / 1.1 + 0.07 / 1.6) / 106 = 3776 м3/год (20)
|
|
ρ – среднегодовая мутность воды в реке, принимается по данным реки-аналога равной 50 г/м3;
Wo - cреднемноголетний объем стока воды за год равен 79,5 * 106 м3/год (см. задачу 1);
λ1 и λ2 – объемная масса взвешенных и донных наносов соответственно, принимается λ1 = 1,1 т/м3 и λ2 = 1,6 т/м3;
αo – величина отношения объемов взвешенных и донных наносов в речной воде, принимается равной 0,07.
Мертвый объем водохранилища, исходя из срока его службы и заиления (N), составит:
Wумо = N * Wн = 150 * 3776 = 0,57 * 106 м3
Средняя глубина воды в водохранилище при уровне мертвого объема (УМО), который определим по кривой объемов W = f(H) по величине Wумо (рис.3) равным 22,0 м, составит:
hc = Wумо / ωумо = 0,57 * 106 / 0,33 *106 = 1,73 м,
где ωумо - площадь зеркала воды в водохранилище при УМО, определяемая по кривой площадей ω = f (H) (рис. 3).
Так как средняя глубина водохранилища по санитарно-техническим нормам не должна быть менее 2 м, что больше рассчитанной по заилению hс = 1,73 м, то принимаем УМО при глубине воды 2 м равным 22,3 м.
Тогда, по кривым на рис. (рис. 3) установим для принятой величины УМО Wумо = 0,80 * 106 м3 и ωумо = 0,40 * 106 м2.
2. По формулам (19) выполним воднобалансовые расчеты полезного объема водохранилища в хронологической последовательности по месяцам расчетного года (табл. 2).
Так как для определения полезного объема водохранилища необходимо предварительно задать его величину, то расчеты выполняют методом последовательного приближения. В первом приближении величину полезного объема Wп1 принимаем равной разнице между плановой водоотдачей и речным стоком за весь период межени (VI - III), т.е. Wп1 = 7,0 млн. м3. Тогда, полный объем водохранилища определим по формуле (18): Wпол = Wнпу = Wумо + Wп = 0.80 + 7.0 = 7,8 млн.м3.
Объем воды на начало расчетов Wн1 = Wумо. К концу расчетов должна происходить сработка полезного объема и Wк = Wумо.
Полезный объем водохранилища находится по данным расчетной таблицы, как разность сумм дефицитов (-) и избытков стока (+) (без сброса). Он составил Wп = 6,94 млн. м3.
Если бы он не совпал с принятым в первом приближении значением, то расчет следовало бы повторить при новом значении Wп2, вплоть до получения стабильного значения полезного объема, отличающегося от предыдущего не более чем на 5%. Окончательно принимаем: Wп = 7,0 млн. м3 и Wпол = 7,8 млн. м3.
|
|
3. Расчет полезного объема воды в водохранилище графоаналитическим методом выполним с помощью интегральных кривых стока и отдачи, построенных на одном чертеже (рис. 2). Для этого проведем верхнюю касательную в точке перегиба кривой стока, параллельную кривой отдачи и найдем дефицит воды в водохранилище. Полезный объем определен по графику как наибольшее вертикальное расстояние между этой касательной и кривой стока, т.е. Wп = 7,0 млн. м3.
Таблица 2
Расчет полезного объема сезонного водохранилища (млн. м3)
Приближение №1, Wумо= 0,80 млн.м3, Wп= 7,0 млн.м3,
Wпол =Wнпу =7,8 млн.м3
Месяц | Объем стока | Объем отдачи | Разность (Wр% - U) | Конечное наполнение, Wк | Сброс | |
(+) | (-) | |||||
20,60 12,35 3,71 2,14 1,71 2,07 2,54 1,66 1,28 1,10 0,58 1,28 20,60 | 2,33 2,41 2,33 2,41 2,41 2,33 2,41 2,33 2,41 2,41 2,18 2,41 2,33 | 18,27 9,94 1,38 0,13 | 0,27 0,70 0,26 0,67 1,13 1,31 1,60 1,13 | Wн=0,80 7,80 7,80 7,80 7,53 6,83 6,57 6,70 6,03 4,90 3,59 1,99 Wк =0,86 | 11,27 9,94 1,38 | |
∑(4-3) ∑(7-3) | 29,72 0,13 | 7,07 7,07 | 22,59 |
4. По топографической кривой объемов (рис.3) определена отметка НПУ в водохранилище, соответствующая принятой величине Wпол.
НПУ = 25,3 м
5.Отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ) устанавливается расчетом, исходя из совокупности требований различных потребителей и водопользователей, гидрологического режима и конструктивных особенностей плотины.
Для выполняемых расчетов водохранилища ФПУ принят, исходя из допустимого превышения горизонта воды в водохранилище над НПУ - 1,0м.
Тогда, отметка ФПУ составит: 25,3 + 1,0 = 26,3 м
Задача 8 (ВиВ)
1. Оценить потери воды из водохранилища на испарение и фильтрацию в ложе, берега и плотину;
2. Определить максимальные сбросные расходы воды из водохранилища.