Регулирование речного стока
Введение
регулирование речной
сток водохранилище
Регулирование речного стока - перераспределение
во времени объема речного стока в замыкающем створе, выражается в его
увеличении или уменьшении в отдельные периоды по сравнению с ходом поступления
воды на поверхность водосбора.
Для обоснования надежной работы
водохозяйственных сооружений, наиболее эффективной их эксплуатации и
рационального использования водных ресурсов необходимо выполнение расчетов
речного стока. Расчет регулирования стока обычно сводится к определению
потребной (полезной) емкости водохранилища, а также объема сброса излишней
воды, поступающей в водохранилище во время паводка.
Иногда приходится решать обратную задачу, т.е.
находить зарегулированный расход по установленному техническими или экономическими
условиями объему водохранилища. На практике определение необходимой емкости
водохранилища выполняют с помощью интегральной (суммарной) кривой стока.
Задача регулирования сводится к обеспечению
рационального использования запасов воды водохранилища в зависимости от
водности того или иного года.
Управление работой водохранилища заключается не
только расчетной полезной отдачи в пределах проектных подпорных отметок, но и
максимально полного использования стока сверх расчетного потребления.
Анализ исходных данных
Анализируя данные о стоке по р. Шуя за период
1971-1975 гг. увидим:
. наибольший месячный расход Q=242
м3/с, наблюдался в мае 1971г.,
. наименьший месячный расход Q=11,9
м3/с, наблюдался в сентябре 1973г.,
. наибольший среднегодовой расход Q=64
м3/с, в 1971г.,
. наименьший среднегодовой расход Q=36,6
м3/с, в 1973г.,
. наибольший среднегодовой расход за весь ряд
наблюдений 1946-1975гг Q=105
м3/с.,
. наименьший среднегодовой расход за весь ряд
наблюдений 1946-1975гг Q=19,3
м3/с.,
. среднегодовой расход за весь ряд наблюдений
1946-1975гг Q=57,4 м3/с.,
Площадь водосбора р. Шуя - д. Салменица 5610 км2.
Расчет сезонного регулирования
стока. Построение гидрографа за один год Q=f(t)
Для построения гидрографа заполняем таблицу 1,
данные об объеме стока получаем расчетом по известным расходам за 1971 год.
Таблица 1.
|
№
|
Δ
t, месяц
|
Q,
м3/с
|
объем
стока за интервал, W=Q*Δt*109 , м3
|
объем
стока на конец интервала W, *109 м3
|
|
1
|
III
|
35,1
|
0,092
|
0,092
|
|
2
|
IV
|
27,8
|
0,073
|
0,165
|
|
3
|
V
|
242
|
0,636
|
0,802
|
|
4
|
VI
|
139
|
0,366
|
1,167
|
|
5
|
VII
|
52
|
0,137
|
1,304
|
|
6
|
VII
|
27,5
|
0,072
|
1,376
|
|
7
|
IX
|
29,7
|
0,078
|
1,454
|
|
8
|
X
|
38,6
|
0,102
|
1,55
|
|
9
|
XI
|
62,1
|
0,163
|
1,719
|
|
10
|
XII
|
48,1
|
0,127
|
1,846
|
|
11
|
I
|
29,5
|
0,078
|
1,923
|
|
12
|
II
|
36,3
|
0,095
|
2,019
|
График изменения расхода воды Q=f(t)
за 1971 год представлен на рисунке 1. Гидрограф имеет двухпиковый характер: в
весеннее половодье и осеннюю межень.
Построение интегральной кривой стока
в прямоугольных координатах W=f(t). Анализ свойств интегральной кривой
Интегральная кривая стока W=f(t)
за 1971 год представлен на рисунке 2.
. Каждая ордината кривой дает суммарный сток за
время от начала учета до момента, которому соответствует данная ордината.
. Разность ординат двух точек кривой равна
объему стока за интервал времени между ними.
. При Q=const
в некотором интервале времени объем стока изображается уравнением прямой W=Q*t,
а интегральная кривая ступенчатого гидрографа будет иметь вид ломаной линии.
. Соединяем начало и конец интегральной кривой
прямой линией и определяем угол ее наклона к оси абсцисс.
Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс,
секущей интегральную кривую, равен величине среднего расхода Qср
в интервале времени между этими точками:
Qср = tanα
= ΔW/Δt.
Qср= (2,019*109)/(2,63*12*106)=64
м3/с.
5. С приближением конечной точки интегральной
кривой к начальной и при совмещении с ней секущая превращается в касательную.
Тангенс ее наклона к оси абсцисс равен расходу в точке касания, с учетом
масштабов.
Q=(tanα
*mW)/mt ,
где mW - масштаб
объема,
mt - масштаб
времени.
Таким образом подсчитав угол наклона
касательной в любой точке интегральной кривой стока, можно получить значение
расхода воды.
На этом свойстве основано построение
лучевого масштаба расходов. Для удобства пользования им интервалы расходов
выбирают одинаковым. Полюсное расстояние вычисляется по формуле:
P = mW /(mt * mQ )/
P= 0.2*109
/(20*2.63*109)=3.8 (см).
где mW - масштаб
объема в м3,
mt - масштаб
времени в с,
mQ - масмтаб
расхода в м3/с.
Решение задач сезонного
регулирования (прямой и обратной) с помощью интегральной кривой
. Определение полезного объема Vп по
заданному зарегулированному расходу при сезонном (годичном) регулировании
стока.
Для нахождения Vп на лучевом
масштабе возьмем луч, соответствующий зарегулированному расходу воды. Из конца
интегральной кривой проводим линию параллельную линии зарегулированного расхода
Qзар, а также
проводим две касательные к верхней и нижней частям интегральной прямой,
параллельные Qзар. Ордината
от нижней касательной до верхней представляет собой весенний сток Vвес.
Расстояние от верхней касательной до
линии, параллельной Qзар и
проведенной из конца интегральной прямой представляет собой полезный объем
водохранилища Vп (рис. 2).
Задаваясь различными значениями Qзар >Qср.год или Qзар < Qср.год определяем
Vп, Vвес и Vсбр. Результаты
графического расчета сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Значения весеннего,
полезного и сбросного объемов водохранилища.
|
Qзар,
м3/с
|
Vвес, *109
м3
|
Vп, *109
м3
|
Vсбр, *109
м3
|
|
50
|
0,74
|
0,2
|
0,54
|
|
64
|
0,76
|
0,56
|
0,1
|
|
100
|
0,46
|
1,24
|
-0,78
|
Строим графики зависимости Vп
и
Vсбр
от зарегулированных расходов Qзар
и определяем полезный объем водохранилища (рисунок 3).
. При решении обратной задачи, когда находится
значение зарегулированного расхода Qзар
по заданному объему водохранилища Vп,
также используем интегральную кривую стока.
Для этого от конца интегральной кривой стока
вертикально вверх в масштабе графика откладываем величину полезного Vп,
проводим
через верхнюю точку отложенного отрезка касательную к интегральной кривой,
определяем зарегулированный расход Qзар
при данном объеме водохранилища Vп.
Величину Qзар берем
путем переноса прямой на лучевой масштаб расходов.
По рассчитанным данным строим линию
регулирования с определенным Qзар
рисунок
4.
Построение интегральной кривой стока
в косоугольных координатах
Конец интегральной кривой соединяем с началом и
измеряют угол наклона между полученной прямой и осью абсцисс (t).
Поворачиваем эту линию на найденный угол, до
совмещения с осью t.
Лучевой масштаб поворачиваем на ту же величину.
Интегральная кривая стока в косоугольных
координатах на рисунке 5.
Правильность построения проверяем сравнивая
значения V интегральной
прямой в прямой и косоугольной системах координат.
Расчеты многолетнего регулирования
стока
Многолетнее регулирование стока требует
значительно больших объемов водохранилищ, чем годичное. Задачей такого
регулирования является накопление воды в многоводные годы и ее расходование в
маловодные.
Построение гидрографа за весь
период. Построение интегральной кривой стока
Для построения гидрографа за весь период
наблюдений заполняем таблицу 3. График гидрографа построен на рисунке 8.
Интегральная кривая стока за наблюдаемые годы
строится по данным таблицы 3 рисунок 6.
Емкость водохранилища назначается наибольшей в
ряду или чуть меньше, если допускаются перебои. Отдача из водохранилища не
может превышать объем стока среднего года.
Для построения кривой стока в косоугольных
координатах производится поворот всех точек графика, вычерченного в
прямоугольных координатах на угол α.
При этом линия, соответствующая среднему годовому расходу воды, совмещается с
ось абсцисс (t). Таким образом
интегральная кривая стока оказывается расположенной вдоль оси (t)
рисунок 7. Получили график наполнения водохранилища.
Таблица 3. 1971 год
|
№
|
Δ t, месяц
|
Q, м3/с
|
W=Q*Δt*109 ,
м3
|
W *109 , м3
|
Wо*109 , м3
|
W-Wо*109 , м3
|
|
1
|
I
|
29,5
|
0,078
|
0,078
|
0,150
|
-0,072
|
|
2
|
II
|
36,3
|
0,095
|
0,173
|
0,300
|
-0,127
|
|
3
|
III
|
35,1
|
0,092
|
0,265
|
0,450
|
-0,185
|
|
4
|
IV
|
27,8
|
0,073
|
0,338
|
0,600
|
-0,262
|
|
5
|
V
|
242
|
0,636
|
0,975
|
0,750
|
0,225
|
|
6
|
VI
|
139
|
0,366
|
1,341
|
0,900
|
0,441
|
|
7
|
VII
|
52
|
0,137
|
1,477
|
1,050
|
0,427
|
|
8
|
VII
|
27,5
|
0,072
|
1,550
|
1,200
|
0,350
|
|
9
|
IX
|
29,7
|
0,078
|
1,628
|
1,350
|
0,278
|
|
10
|
X
|
38,6
|
0,102
|
1,729
|
1,500
|
0,229
|
|
11
|
XI
|
62,1
|
0,163
|
1,893
|
1,650
|
0,243
|
|
12
|
XII
|
48,1
|
0,127
|
2,019
|
1,800
|
0,219
|
|
1972
|
|
1
|
I
|
31,2
|
0,082
|
2,101
|
1,950
|
0,151
|
|
2
|
II
|
23,4
|
0,062
|
2,163
|
2,100
|
0,063
|
|
3
|
III
|
21,2
|
0,056
|
2,218
|
2,250
|
-0,032
|
|
4
|
IV
|
24,8
|
0,065
|
2,284
|
2,400
|
-0,116
|
|
5
|
V
|
108
|
0,284
|
2,568
|
2,550
|
0,018
|
|
6
|
VI
|
72,7
|
0,191
|
2,759
|
2,700
|
0,059
|
|
7
|
VII
|
31,1
|
0,082
|
2,841
|
2,850
|
-0,009
|
|
8
|
VII
|
20,2
|
0,053
|
2,894
|
3,000
|
-0,106
|
|
9
|
IX
|
17,5
|
0,046
|
2,940
|
3,150
|
-0,210
|
|
10
|
X
|
18,4
|
0,048
|
2,988
|
3,300
|
-0,312
|
|
11
|
XI
|
27,2
|
0,072
|
3,060
|
3,450
|
-0,390
|
|
12
|
XII
|
62
|
0,163
|
3,223
|
3,600
|
-0,377
|
|
1973
|
|
1
|
I
|
55,8
|
0,147
|
3,370
|
3,750
|
-0,380
|
|
2
|
II
|
29,6
|
0,078
|
3,447
|
3,900
|
-0,453
|
|
3
|
III
|
27,1
|
0,071
|
3,519
|
4,050
|
-0,531
|
|
4
|
IV
|
42
|
0,110
|
3,629
|
-0,571
|
|
5
|
V
|
96,8
|
0,255
|
3,884
|
4,350
|
-0,466
|
|
6
|
VI
|
56,6
|
0,149
|
4,033
|
4,500
|
-0,467
|
|
7
|
VII
|
25,8
|
0,068
|
4,100
|
4,650
|
-0,550
|
|
8
|
VII
|
14,1
|
0,037
|
4,138
|
4,800
|
-0,662
|
|
№
|
Δ t, месяц
|
Q, м3/с
|
W=Q*Δt*109 ,
м3
|
W *109 , м3
|
Wо*109 , м3
|
W-Wо*109 , м3
|
|
9
|
IX
|
11,9
|
0,031
|
4,169
|
4,950
|
-0,781
|
|
10
|
X
|
18,7
|
0,049
|
4,218
|
5,100
|
-0,882
|
|
11
|
XI
|
31,4
|
0,083
|
4,301
|
5,250
|
-0,949
|
|
12
|
XII
|
28,9
|
0,076
|
4,377
|
5,400
|
-1,023
|
|
1974
|
|
1
|
I
|
23,5
|
0,062
|
4,438
|
5,550
|
-1,112
|
|
2
|
II
|
21,2
|
0,056
|
4,494
|
5,700
|
-1,206
|
|
3
|
III
|
19,5
|
0,051
|
4,545
|
5,850
|
-1,305
|
|
4
|
IV
|
22,7
|
0,060
|
4,605
|
6,000
|
-1,395
|
|
5
|
V
|
142
|
0,373
|
4,979
|
6,150
|
-1,171
|
|
6
|
VI
|
93,1
|
0,245
|
5,223
|
6,300
|
-1,077
|
|
7
|
VII
|
47,6
|
0,125
|
5,349
|
6,450
|
-1,101
|
|
8
|
VII
|
44,4
|
0,117
|
5,465
|
6,600
|
-1,135
|
|
9
|
IX
|
44,4
|
0,117
|
5,582
|
6,750
|
-1,168
|
|
10
|
X
|
45
|
0,118
|
5,701
|
6,900
|
-1,199
|
|
11
|
XI
|
67,7
|
0,178
|
5,879
|
7,050
|
-1,171
|
|
12
|
XII
|
64,3
|
0,169
|
6,048
|
7,200
|
-1,152
|
|
1975
|
|
1
|
I
|
63
|
0,166
|
6,213
|
7,350
|
-1,137
|
|
2
|
II
|
56,8
|
0,149
|
6,363
|
7,500
|
-1,137
|
|
3
|
III
|
49
|
0,129
|
6,492
|
7,650
|
-1,158
|
|
4
|
IV
|
89,2
|
0,235
|
6,726
|
7,800
|
-1,074
|
|
5
|
V
|
205
|
0,539
|
7,265
|
7,950
|
-0,685
|
|
6
|
VI
|
68,9
|
0,181
|
7,447
|
8,100
|
-0,653
|
|
7
|
VII
|
36,8
|
0,097
|
7,543
|
8,250
|
-0,707
|
Анализ интегральной кривой стока
Анализируя интегральную кривую стока реки за
1971-1975гг можно установить:
- многоводные годы 1971;
- маловодные годы 1972, 1973 ,1974;
- по 1975 году ряд наблюдений неполный, выводы
сделать затруднительно.
Регулирование стока на равномерную
отдачу (водоснабжение)
Строим вторую интегральную кривую стока ниже
первой на расстоянии равном объему водохранилища Vп,
и проводим секущую от нижней точки первой кривой (отметка пустого
водохранилища) к верхней точке второй кривой. Секущая является зарегулированным
расходом для нашего водохранилища, значение расхода находим по лучевому
масштабу Qзар =31 м3/с.
Все что на полученной линии регулирования работы
водохранилища попало выше Qзар будет сбросом стока водохранилищем.
Построение графика наполнения
водохранилища
График наполнения водохранилища на рисунке 7.
В 1971 году водохранилище наполнялось, с 1972г.
по IV 1974г. водохранилище
опорожнялось, поддерживая зарегулированный расход Qзар.
С IV
1974г началось наполнение водохранилища и продолжалось до сброса в V
1975г.
Влияние водохранилища на ЖКХ
Многие крупные города обеспечивают себя водой из
водохранилищ. Недостаток воды часто сдерживает развитие промышленности и рост
городов. Если водохранилище используется для питьевого водоснабжения, то к
качеству воды в нем предъявляются жесткие требования.
Основные факторы, которые могут оказывать
влияние на работу сооружений промышленного и коммунального водоснабжения,
расположенных в бьефах гидроузлов, сводятся, главным образом, к изменениям
руслового, ледового и гидравлического режимов.
Для водозаборных сооружений, кроме того,
существенное влияние может оказывать гидрохимический режим водотока в тех
случаях, когда минерализация и химический состав вод претерпевают изменения,
которые приводят к необходимости дополнительной очистки воды с целью снижения
концентрации содержащихся в ней компонент до уровня, не превышающего ПДК.
В верхних бьефах гидроузлов может оказаться
необходимым перенос водозаборных сооружений, расположенных в зоне затопления.
Конструктивное оформление водозаборов, размещенных в зоне колебания уровня
водохранилища, должно обеспечивать бесперебойность их работы во всем диапазоне
изменения уровней воды.
На водозаборных и водовыпускных сооружениях,
расположенных в ухвостье водохранилища, где вследствие регрессивной аккумуляции
наносов возможно повышение дна водотоков, может возникнуть необходимость
реконструкции или проведения мероприятий, защищающих эти сооружения от
заносимости.
Следует особое внимание обращать на сооружения
систем водоснабжения на водохранилищах, являющихся нижними бьефами выше
расположенных гидроузлов. При определенных сочетаниях работы водопропускных сооружений
гидроузла, образующего водохранилище, и суточном регулировании мощности ГЭС
выше расположенной ступени каскада в некоторых местах водной акватории могут
возникать обратные течения, при которых возникает опасность поступления в
водозабор вредных (неочищенных) сбросов водовыпусков промышленных предприятий.
В таких случаях необходимо вводить ограничения на режимы регулирования мощности
верхней ступени каскада.
В нижних бьефах гидроузлов негативное влияние на
работу водозаборных сооружений могут оказывать следующие явления:
падение уровней воды вследствие трансформации
русла нижнего бьефа;
повышенная заносимость русла вследствие
переотложений наносов в процессе трансформации русла;
шуголедовые явления в начальный период зимнего
сезона и в местах расположения полыней.
Эти же явления могут оказывать неблагоприятное
воздействие и на водовыпускные сооружения.
В нижних бьефах ГЭС, осуществляющих суточное и
недельное регулирование мощности, необходимо соблюдение базового попуска,
обеспечивающего командные уровни на водозаборных сооружениях.
Изменения гидрогеологической ситуации в зоне
влияния водохранилищ могут повлиять на условия забора подземных вод как в
сторону их улучшения, так и в сторону ухудшения. Анализ этого влияния необходим
для решения вопроса дальнейшего функционирования водозаборов из подземных
источников.
Выводы и рекомендации
. По рассчитанным данным построена линия
регулирования стока с определенным зарегулированным Qзар
=
56 м3/с рисунок 4 за 1971 год..
. Определены полезный объем водохранилищ Vп
= 8*108 м3 и зарегулированный Qзар =31 м3/с
для интервала 1971-1975гг..
. Построен график наполнения водохранилища.
. Построен гидрограф за период наблюдений
1971-1975гг. На гидрограф нанесен также рассчитанное значение Qзар для
водохранилища.
Рекомендации
Исходя из того, что 1971 год многоводный, а
следующие три года (1971-1974) маловодные рекомендовано:
В паводок первого года задерживать максимально
возможный объем воды для обеспечения регулирования стока водохранилищем в
последующие три маловодных года.
При наступлении пятого года возможно половодье
со значительным сбросом воды из водохранилища. Это необходимо учесть при
составлении диспетчерских графиков.
Список использованной литературы
.
Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. «Гидрология, гидрометрия и
регулирование стока» - М.: Колос, 1984. - 432 с.
.
Лекции.