Тепловой расчет полыньи в нижнем бьефе ГЭС

Размеры полыньи зависят от температуры сбрасываемой воды из водохранилища в нижний бьеф, теплоотдачи воды в атмосферу и от скоростного режима реки на этом участке.

Открытые водные поверхности реки в зимний период являются «фабриками» шуги и тумана. Шуга при остановке может образовать зажор, а это обусловит подъем уровня воды и затопление прилегающей территории и, следовательно, приведет к большим социально-экономическим ущербам. К этому же приводит и туман, вызывающий обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.

Расчет площади полыньи распадается на две части — на гидравлическую и теплотехническую.

Гидравлический расчет сводится к построению плана течений в нижнем бьефе ГЭС (например, методом Н. М. Бернадского (рис. 7.5 а)).

Метод построения плана течений предусматривает наличие для нижнего бьефа плана русла в изобатах, а также должны быть известны: отметка горизонта воды, ширина фронта сброса воды через плотину в нижний бьеф, расход сбрасываемой воды и коэффициент шероховатости русла в нижнем бьефе. Построенный план течений должен содержать 4—5 струй.

Тепловой расчет полыньи выполняется после построения плана течений. Для его выполнения используется уравнение теплового баланса для водотока (Практическое занятие №6 уравнение (6.3)), записанное в следующем виде:

(7.12)

где t — температура воды; x — продольная координата; b _c и Q _c — ширина и расход струи; потери теплоты на зеркале водоема, состоящие из теплоотдачи испарением, конвекцией, из потерь на излучение.

Приход теплоты через дно обычно незначительный, поэтому им можно пренебречь.

По уравнению теплового баланса (7.12), записанному в конечных разностях, расчет выполняется по методу, изложенному в Практическом занятии №6. Он выполняется для каждой струи в отдельности. В результате этого расчета получим кривые падения температуры вдоль каждой струи (рис.7.5 б).

По построенным графикам можно будет определить для каждой струи расстояние от начального створа (от створа сброса воды из водохранилища, где ее температура считается известной) до точки с нулевой температурой воды, т.е. длину полыньи. Линия, соединяющая найденные точки для каждой струи, называется нулевой изотермой.

Рис. 7.5. Схема участка реки в нижнем бьефе ГЭС (а) и кривые падения температуры воды (б) [8]

1 — плотина, 2 — водоворот, 3 — ледяной покров, 4 — кромка ледяного покрова, 5 — нулевая изотерма, 6 — шугопродуцирующая площадь; l ₁, l ₂ и т.д. — расстояние до нулевой изотермы в струях. Римские цифры — номера струй.

Если расчет нулевой изотермы выполнен для установившихся метеорологических условий, то эта изотерма будет совпадать с кромкой сплошного ледяного покрова. При приходе волны тепла нулевая изотерма продвинется вниз по реке (уйдет под ледяной покров). Лед в этом случае будет таять. Если придет волна холода, то нулевая изотерма, наоборот, продвинется вверх по реке. Так как процесс нарастания льда со стороны его кромки протекает более медленно, чем продвижение нулевой изотермы, то кромка льда будет отставать, а это приведет к появлению полыньи, в зоне которой вода будет переохлажденной.

Чтобы определить это новое положение нулевой изотермы необходимо вновь выполнить описанный выше тепловой расчет для каждой струи потока при новых граничных условиях.

Таким образом, шугообразующей площадью полыньи является не вся площадь открытой водной поверхности, а только та ее часть, которая расположена между нулевой изотермой воды и кромкой сплошного ледяного покрова, т. е. та площадь, где наблюдается переохлаждение воды.