СХЕМА ИЗУЧЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Модуль 13

«Регулирование речного стока и эксплуатация водохранилищ»

ВВЕДЕНИЕ

Согласно определению М. В. Потапова, регулирование стока в широком смысле представляет собой изменение природного (бы­тового) режима поверхностного и подземного стока. Вся гидротех­ника — совокупность методов воздействия на сток воды. Чтобы дать общее представление о задачах и видах регулирования стока, приведем классификацию регулирования стока воды.

СХЕМА ИЗУЧЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Регулирование стока можно подразделять на естественное и ис­кусственное. Естественное регулирование стока происходит под воз­действием природных факторов — в результате аккумуляции воды • в понижениях рельефа, в руслах и поймах рек, под влиянием озер, болот, лесов и др.

Регулирование речного стока в естественных условиях в резуль­тате временного задержания в бассейне реки части талых снеговых и дождевых вод называется бассейновым регулированием стока. Регулирование речного стока в естественных условиях в результате накопления воды в русловой сети при подъеме уровня воды в реке и последующей сработке накопленных запасов воды при спаде уровня называется русловым регулированием стока. Если поток выходит на пойму, происходит русловое и пойменное регулирование стока. При повышении уровней происходит накопление воды в рус­ловом, пойменном и береговом аллювии, а по мере понижения уровней вода полностью или частично возвращается в реки. Регу­лирование речного стока в естественных условиях в результате накопления речных вод в берегах при подъеме уровня воды в реке во время половодья и паводков и возврата вод в реку при спаде уровня называется береговым регулированием стока.

Искусственное регулирование стока осуществляется в соответ­ствии с требованиями водопользователей и водопотребителей, а также в целях борьбы с наводнениями. Эта задача решается е помощью создания искусственного водоема. Искусственный водо­ем, образованный водонапорным сооружением (плотиной) на во­дотоке для хранения воды и регулирования стока, называется водохранилищем. Озера можно рассматривать как естественные водохранилища, регулирующие сток. Наиболее ярким примером является озеро Байкал, регулирующее сток реки Ангары.

Мелководное водохранилище с площадью зеркала не более 1 км называют прудом. Под влиянием регулирования стока суще­ственно изменяется режим водотока. В зависимости от того, за ка­кой период наступают изменения в режиме водотока, Н. В. Зарубаев выделил два вида регулирования стока (водных ресурсов): непосредственное — изменение в режиме водного объекта наступает сравнительно быстро (при заборе воды из рек на водоснабжение,, создании водохранилищ, переброске стока из одного бассейна в другой) и косвенное — изменение в режиме водного объекта про­является более медленно (при обработке почвенного покрова, осу­шении, лесоразведении, снегозадержании).

В зависимости от периода времени, в течение которого регули­руется сток водохранилищами, различают суточное, недельное, се­зонное (годичное) и многолетнее регулирование стока.

Суточное регулирование производится при сравнительно не­большом изменении притока воды в водохранилище и вызывается не колебаниями стока вследствие малого интервала времени (сут­ки), а изменением водопотребления внутри суток. Цикл работы водохранилища суточного регулирования, т. е. его наполнение и сработка, 'завершается в течение одних суток.

Недельное регулирование осуществляется для накопления воды в нерабочие дни, когда снижается расходование воды (по сравне­нию с рабочими днями). Это дает возможность повысить потреб­ление воды в рабочие дни и учесть неравномерное использование воды в течение недели. Цикл сработки и накопления водохранили­ща составляет одну неделю.

Сезонное (годичное) регулирование позволяет перераспреде­лять сток в течение сезона или года. Во время половодий и павод­ков водохранилище наполняется, в период межени срабатывается. Различают полное и неполное годичное регулирование стока. При: полном регулировании водоотдача с заданной обеспеченностью за год должна быть равна объему годового стока той же обеспечен­ности. При неполном регулировании имеется излишек воды, поэто­му часть воды сбрасывается в нижний бьеф.

Многолетнее регулирование дает возможность перераспреде­лять сток в многолетнем разрезе. Водохранилище наполняется в многоводные годы. В маловодные годы накопленные воды рас­ходуются. Этот вид регулирования стока наилучшим образом удов­летворяет запросам различных водопотребителей (участников ком­плексного использования водных ресурсов). При многолетнем регулировании стока нужны существенно большие объемы водо­хранилища, чем для других видов регулирования.

Характеристика водохранилищ. При проектировании и эксплуа­тации водохранилищ используются различные характеристики (параметры). Важнейшая из них — полезный объем водохранили­ща, т. е. объем, непосредственно используемый для регулирования стока при нормальной работе подпорных и других сооружений. Иначе он вызывается рабочим объемом водохранилища. Уровень воды, образующийся в водотоке или водохранилище в результате подпора, называется подпорным уровнем (ПУ). Наивысший проектный подпорный уровень верхнего бьефа, кото­рый может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). Он ограничивает сверху полезный объем водо­хранилища (рис. 3.4).

Несрабатываемая при нормальных условиях эксплуатации со­оружений часть объема водохранилища, т. е. не участвующая в ре­гулировании стока, называется мертвым объемом водохранилища.

Рис. 3.4. Схема водохранилища и его ха­рактерные уровни:

1 — естественный уровень воды, 2 — форсирован­ный подпорный уровень (ФПУ), 3 — нормальный подпорный уровень (НПУ), 4 — уровень мертвого объема (УМО), 5 — плотина

Уровень поверхности воды, ограничивающий этот объем сверху, называется уровнем мертвого объема (УМО). Мертвый объем оп­ределяется с учетом возможного заиления водохранилища, санитарно-технических и других требований. Полный объем водохра­нилища при НПУ равен сумме полезного и мертвого объемов.

Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротех­нических сооружений, называется форсированным подпорным уров­нем (ФПУ). Объем водохранилища, соответствующий разности ФПУ и НПУ, называется форсированным или резервным объемом. Он используется для трансформации половодий и паводков и по­зволяет уменьшить размеры водосбросных сооружений.

Конфигурация водохранилища характеризуется кривой измене­ния площади зеркала F и объема V водохранилища в зависимости от уровня воды Я (рис. 3.5). Кривая F=F(H) называется кривой площадей зеркала водохранилища, а кривая V=V(H)—кривой объемов водохранилища. Различают статический и динамический объемы. Если при подсчете объемов V площади зеркал F прини­мают как горизонтальные плоскости, получают статический объем водохранилища. Если объемы V вычисляют с учетом кривой свободной поверхности воды в водохранилище, получают динамический объем водохранилища, т. е. объем V при наличии движения воды в водохранилище. Способы построения кривых свободной поверх­ности воды в водохранилище излагаются в курсах гидравлики. Если считать, что F горизонтальная плоскость, то при заданном уровне воды Н (у плотины) легко по топографической карте опре­делить планиметрированием F при различных Н. Построенная кри­вая F=F(H) обычно обращена выпуклостью к оси Н. Это объяс­няется формой рельефа поймы и долины реки. Связь между кри­выми F=F(H) и V=V(H) выражается следующим образом. Так как dV=FdH, то

Следовательно, имея построенную кривую объемов, легко опреде­лить F как тангенс угла наклона касательной к кривой объемов при заданном Н, так как

Для построения кривой объемов предварительно вычисляют объемы А У, заключенные между плоскостями Fi и F_t-+i при изме­нении уровня на сравнительно небольшую величину (в зависимо­сти от сложности очертания чаши водохранилища) ДЯ», <+i по формуле

Последовательное суммирование таких элементарных объемов по­зволяет получить координаты для построения кривой объемов во­дохранилища. При одном и том же уровне воды у плотины дина­мические объемы больше статических. В качестве общей характе­ристики водохранилища, например при НПУ, используется средняя глубина водохранилища V/F. Обратная величина — F/V—пред­ставляет собой удельную площадь водохранилища, т. е. площадь, приходящуюся на единицу объема водохранилища.

При проектировании водохранилищ рассчитывают заиление во­дохранилищ, потери воды на испарение, фильтрацию, на образова­ние льда, а также высоту ветровой волны, которая должна быть учтена при расчете отметки верха подпорных сооружений, равной ФЯУ+/1_В+/1₃, где h₃ — запас высоты сооружения.

Трансформация паводков и половодий водохранилищами.Водохранилища оказывают большое влияние на форму гидрогра­фа паводков и половодий. Предположим, что в створе проектиру­емой плотины в естественных условиях гидрограф Q = Q(t) имеет форму, показанную на рис. 3.6. После возведения плотины проис­ходит частичная аккумуляция воды — задержание ее в водохрани­лище. В результате поступление воды к водосбросному сооруже­нию уменьшается. Предположим, что гидрограф сбросных расходов Q_c = Q_c(t) имеет форму, показанную на рис. 3.6. Следо­вательно, происходит преобразование (трансформация) половодий и паводков водохранилищем, которая выражается в превышении до определенного момента времени Т_с притока воды в водохрани­лище над сбросом из него воды. Этому моменту времени Т_с соот­ветствует точка пересечения двух гидрографов. Очевидно, что T_c>t_n — периода подъема паводка (половодья). При t>T_c сбросы воды из водохранилища превышают естественный приток в него воды за счет задержанно­го водохранилищем объ­ема стока. Площадь на рис. 3.6, показанная вер­тикальной штриховкой, выражает объем стока во­ды, задержанной водохра­нилищем, а горизонталь­ной— того же объема стока, но сброшенного в последующее время.

Итак, под влиянием трансформации половодий и паводков при T_c^.,t_n уменьшаются сбросные расходы воды, в том чис­ле и наибольший расход (Ссмакс<Рмакс_>).

Этопозволяет уменьшить макси­мальный расчетный рас­ход воды, а следователь­но, размеры и стоимость водосбросных сооруже­ний, уменьшить или даже предотвратить наводнения ниже водохранилища. Составим дифференци­альное уравнение, описы­вающее трансформацию половодья (паводка) во­дохранилищем. Такое уравнение должно выра­жать баланс воды в водохранилище. За элементарный промежу­ток времени dt уровень воды в водохранилище изменяется на dH, что вызывает изменение объема воды в водохранилище на вели­чину FdH.

Поэтому

откуда

Имея гидрограф Q = Q(^) и кривую F=F(H), можно найти Q_c = Q_C(0- В общем виде решение этой задачи затруднительно. Схематизируем форму гидрографа притока воды и сбросных расходов и задача решится легко. Приведем решение, предложенное Д. И. Кочериным для трапецеидальной формы паводка и треуголь­ной формы гидрографа сбросных расходов (рис. 3.7).

Предположим, что водохранилище наполнено до НПУ. Тогда форсированный

объем 1/ф можно определить (см. заштрихованную на рис. 3.7 площадь)

по формуле (T = Ti + T₂ + T₃),

или

Введем обозначения:

получим

где W_s — объем расчетного половодья (паводка). Максимальный сбросной расход найдем из формулы (3.56):

Эта формула, предложенная Д. Н. Кочериным, нашла широкое применение при проектировании гидротехнических и дорожных водопропускных сооружений. Если гидрограф притока схематизи­ровать по треугольнику, то т] = 1, так как Г₂=0, и формула (3.57) принимает вид

Имеются различные модификации формул (3.57) и (3.58). При­ведем те из них, которые применяются при проектировании дорож­ных водопропускных сооружений.

Для упрощенных приближенных расчетов Н. Н. Чегодаев предложил формулу

где Н — подпорная глубина воды перед сооружением над отмет­кой входа в сооружение (лотка или укрепления); Q_MaKc, W — соот­ветственно наибольший расход воды принятой вероятности превы­шения (м³/с) и объем стока для гидрографа с наибольшим расхо­дом (тыс. м³); /_л, /с — соответственно уклон лога и склонов по­верхности дна пруда перед сооружением (%₀); k₀ — коэффициент, зависящий от очертания водохранилища (пруда) перед сооруже нием в плане, продольного и поперечных профилей по логу; изме­няется от 190 (продольный профиль лога перед сооружением и профили берегов выпуклые) до 530 (если те же элементы рель­ефа вогнутые).

Наиболее детально разработан и отличается большей точностью способ расчета (Зсмакс, предложенный А.А. Кургановичем. Он ос­нован на решении дифференциального уравнения (3.55) при раз­личных формах гидрографов паводков. Уравнение (3.55) решается с помощью электронного дифференциального анализатора «Интег-рал-1». Результат решения уравнения представлен в форме графи­ков функции ijj=i|)(&), где ty = W_aK/W; &=Q_CMaKC/Q_MaKC. Коэффи­циент г|э — относительный форсированный объем водохранилища или относительная аккумуляция стока (W_aK — объем аккумуляции), коэффициент k — относительный сбросный расход воды. По терми­нологии А. А. Кургановича, ty — коэффициент накопления, k — ко­эффициент трансформации стока. Графики функции даны при раз­личных значениях коэффициента формы (полноты) гидрографа:

где Т — полное время стока (мин). Для определения f составлена номограмма, позволяющая учесть влияние на / площади бассейна и его формы, уклонов лога и уклонов склонов лога у сооруже­ний [3].