Основы расчета водохранилищ

Основными характеристиками водохранилищ являются (рис. 19):

По уровню воды – НПУ, ФПУ, УМО.

По объему воды: полный объем – V (НПУ – дно), полезный объем – Vп (НПУ – УМО), мертвый объем – Vм (УМО – дно), призма форсирования – Vф (ФПУ – НПУ). Подробная информация по этим характеристикам представляется на практических занятиях.

Рис. 19. Поперечный профиль и план водохранилища

Величины полезного объема и НПУ водохранилищ устанавливают в результате водохозяйственных расчетов путем сопоставления и анализа речного стока, поступающего в проектируемое водохранилище и плановой отдачи из него.

Применяемые методы расчетов водохранилищ подразделяют на две группы:

- группа методов, основанная на использовании календарных рядов стока,

- группа методов, использующих обобщенные статистические параметры, обоснованные исходя из теории вероятности и математического моделирования рядов стока.

При расчетах по календарным рядам стока прежде всего выбирают расчетный водохозяйственный год. Это, как правило, маловодный год, в котором объем стока за год и за лимитирующий сезон (например, зимнюю или летнюю межень) близки к объемам стока расчетной обеспеченности (90…95% для систем водоснабжения или бесперебойная водоподача в течении 90…95 лет из 100).

Объемы стока за год и межень расчетной обеспеченности определяют известными в гидрологии способами в зависимости от продолжительности наблюдений за стоком (СП 33-101-2003).

Так, при длительных наблюдениях (более 20 лет) расчетный год выбирается из реальных лет. Распределение стока внутри расчетного года принимают таким же, как и в выбранном реальном году.

При недостаточности данных по стоку расчетный год и внутригодовое распределение стока определяются методом «компоновки».

Наконец, при отсутствии данных используют реки-аналоги или имеющиеся районные схемы внутригодового распределения стока.

Для выбранного расчетного года последовательно за каждый расчетный интервал времени (декада, месяц) проводят балансовые расчеты и определяют возможность сезонного регулирования стока, полезный и полный объемы водохранилища, объемы сбросов и отметку НПУ.

Многолетнее регулирование стока, как уже отмечалось, применяется тогда, когда стока воды в водохранилище в расчетный маловодный год будет не хватает водопотребителям.

При многолетнем регулировании потребность в воде в эти маловодные годы должна обеспечиваться как стоком воды в эти годы, так и сработкой запасов в водохранилище, сформированных в многоводные годы. Таким образом, полезный объем водохранилища с многолетним регулированием стока состоит из сезонной и многолетней составляющих объема: Vп = Vс + Vмн. Для определения этих составляющих полезного объема используется, также как и для сезонных водохранилищ, балансовый метод (по календарным рядам стока) и метод обобщенных статистических параметров стока.

При расчетах многолетних водохранилищ балансовым методом расчетный интервал времени принимается равным 1 году. Алгоритм этих расчетов принципиально не отличается от расчетов полезного объема сезонного водохранилища.

Для окончательного выбора параметров ВДХ производятся технико-экономическое сравнение различных вариантов отдачи, НПУ и УМО.

В последние годы вариантное проектирование ГТС получило широкое распространение. Применительно к задаче водохозяйственных расчетов оно заключается в переборе различных вариантов местоположения ВДХ и величин его характеристик. Так, например, мы можем задаться 5 и более вариантов отдачи из ВДХ и для каждого из них определить Vп, Vпол и НПУ.

Для различных отметок НПУ вычисляются приведенные затраты на строительство ВДХ в расчете на 1 млн. м3 или 1 млн. квт часов (ЗТ). Для каждого варианта НПУ оценивается негативное влияние ВДХ (затопление, подтопление и т.д.) и потери в стоимостном выражении (Пт). На рис. 21 приведены функции затрат и потерь в зависимости от отметки НПУ.

Рис. 21

Сумма (ЗТ + Пт) будет иметь минимум при определенной отметке НПУ. В качестве критериев оптимальности могут выступать также максимальная прибыль и минимальный срок окупаемости капиталовложений в строительство ВДХ. Крупные проектные водохозяйственные организации (например, Гидропроект, ВНИИГ) разработали и используют программное обеспечение по водохозяйственным и технико-экономическим расчетам водохранилищ для объектов гидроэнергетики, водоснабжения и т.д.

Следует отметить, что в состав водохозяйственных расчетов, кроме расчетов характеристик ВДХ, входят также расчеты:

- продолжительности заполнения многолетних ВДХ,

- сроков и объема заиления ВДХ,

- переформирования берегов,

- диспетчерского графика ВДХ.

Продолжительность заполнения ВДХ определяется также воднобалансовым методом по календарным или смоделированным рядам стока и принятой отдачи.

Продолжительность заиления до отметок УМО и НПУ можно установить по формулам: t нпу = Vнпу/Vн и t умо = Vумо/Vн, где Vн - среднемноголетний объем взвешенных и донных наносов, остающихся в ВДХ (разница между поступающими и сбрасываемыми наносами, см. тему 8).