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 водохозяйственнымирасчетами, 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		303.600	10,1	4009,0	13,2
1966-1970		48.071	1,6	592.91	12.3
1971-1977		48.371	1,6	697,02	14.4
намечается на 1976-1980		79.579	2,6	795,61	10,0
Всего		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.