Расчет водохранилища многолетнего регулирования

Расчет водохранилища многолетнего регулирования

ДЕПАРТАМЕНТ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра: _____________________

Дисциплина: Регулирование стока

КУРСОВАЯ РАБОТА

Приняла:

Попова Ольга Васильевна

Выполнила: студентка третьего курса,

заочного отделения, группы 35 ЭМЗ, 04/040

Фастова Надежда Александровна

Волгоград 2007г.

СОДЕРЖАНИЕ

ДАННЫЕ ПО ВАРИАНТУ

ВАРИАНТ 0. Река Сура, с. Кадышево, площадь водосбора F=27 900 км², залесенность 30%, болот нет, среднее многолетнее количество осадков 682 мм.

Среднемесячные и среднегодовые расходы воды и модули стока

Бассейн – аналог – р. Сура, г. Пенза.

Средняя многолетняя величина годового стока (норма) М_оа=3,5 л/с*км², С_v=0,27.

Сезонное:

Многолетнее: U_бр =2800 млн. м³, Р = 80%,  r  = 0.

Таблица для определения параметров при  подсчете максимального расхода талых вод

1.  Построение батиграфических кривых водохранилища.

Топографическая (батиграфическая характеристика представляет собой графическое изображение зависимостей площади водохранилища и его объема от высотных отметок или глубин, соответствующих различным уровням наполнений: V=V (H) – кривая объемов,  = (H)  – кривая площадей, h_ср = h_ср(H) – кривая средних глубин и  L = L (H) – кривая критерия литорали.

Определение этих характеристик проводят путем обработки топографических планов района затопления, причем для каждого проектируемого гидроузла составляют характеристики для разных вариантов створов и на основе технико-экономических расчетов выбирают оптимальный вариант.

Кривая площадей строится по результатам планиметрирования плана в горизонталях. При этом допускается, что водная поверхность водохранилища горизонтальна, что справедливо для относительно крупных слабопроточных водохранилищ, уклон водной поверхности которых незначителен. Объемы, площади зеркала и уровни, вычисленные при допущении горизонтальности, называются статическими.

Расчет батиграфичесикх кривых водохранилища

Таблица №1

Для установления зависимости V=V (H) определяют объемы по слоям: ∆ V=  ∆ H, где  – площади зеркала водохранилища при отметках Н_i и Н_i+₁; объем первого от дна параболоида ∆ V₁ = 2/3 * ∆H_0-1 .

Объем воды в водохранилище при любой отметке уровня наполнений вычисляется путем последовательного суммирования объемов отдельных слоев, начиная с самой низкой точки,  V ₁ =.

Для построения кривой средних глубин водохранилища h_ср определяют средние глубины при различных уровнях наполнений, как:

h_ср = .

Площадь литорали – это площадь мелководья с глубинами 2м и менее. Площадь литорали определяют:

,

где  – площадь зеркала водохранилища при отметке уровня Н, м;

 –площадь зеркала водохранилища при отметке Н-2 м.

Критерий литорали – это отношение площади литорали к площади зеркала водохранилища при этой же отметке.

.

На рис. 1 показаны батиграфические кривые водохранилища (прилагается).

2 Определение минимального уровня воды УМО.

Минимальный уровень воды соответствует уровню мертвого объема УМО. Мертвый объем водохранилища расположен ниже уровня наибольшего возможного опорожнения водохранилища и необходим для его нормальной эксплуатации.

Мертвый объем определяют из ряда условий:

а) санитарно-технических;

б) заиления;

в) из условий обеспечения командования над оросительными каналами;

г) из условия напора на ГЭС;

д) из условия судоходства;

е) из условия рыбоводства.

В нашей работе требуется определить мертвый объем водохранилища, исходя из санитарно-технических условий. Для обеспечения нормального качества воды и глубин нормами принимаются h_ср  2,5 м и .

По кривой Нср=Нср(Н) (рис. №1) для Нср=2,5 м определим УМО=225,5 м абс. и соответственно этой отметке по V=V(Н) определим V_мо=85 млн.м³. Задаемся L_{литораль}=0,35 и определяем соответственно мертвый объем=175 млн.м³ при отметке УМО=227,5.

3. Расчет водохранилища сезонно-годичного регулирования стока.

Сущность сезонного регулирования стока состоит в накоплении воды в водохранилище в многоводные периоды года с целью покрытия недостатков в притоке над потреблением в маловодные периоды.

Отличительной особенностью сезонного регулирования является использование стока только в пределах одного водохозяйственного года, причем размер потребления ниже расчетного стока заданной вероятности превышения.

В прямой задаче находят полезную емкость водохранилища при известном притоке, плановой отдаче, величинах потерь воды и начальном наполнении. Период, в течение которого происходит заполнение емкости, называется периодом накопления, а периодом частичного или полного опорожнения соответствует сработка. Избытки стока над потреблением сбрасываются без использования на полезные цели в нижний бьеф и называются холостыми сбросами.

Полезный объем водохранилища определяют путем сопоставления расчетного стока и полезной отдачи. Расчетный гидрограф, выраженный в объемах месячного стока (млн. м³) – это результат расчета внутригодового распределения стока методом компоновки. (табл. №2).

Анализируя данные, замечаем:

1) что в VIII месяце W<U, следовательно, необходимо регулирование стока;

2) так как W года >U года, то достаточно сезонного регулирования стока;

3) избытки (∆b) непрерывно продолжаются с сентября по июль  и в сумме составляют 1833,46 млн.м³, недостаток стока (∆d) наблюдается только в августе и составляет 17,18 млн.м³.

Чередование периодов накопления и последующей сработки называется тактом работы водохранилища. В рассматриваем примере водохранилище наполняется и опорожняется 1 раз и по характеру работы является однотактным.

Рис. №3

Начало  расчетного водохозяйственного года приходится на момент, когда приток начинает превышать потребление; в нашем случае – с сентября месяца.

Так как недостаток притока­ (∆d) есть единственный в течение года, то его величина дает нам необходимый полезный объем нашего водохранилища, т.е. V_плз=17,18 млн.м³.

Полный объем водохранилища определим:

V_плн= V_нпу= V_плз+ V_мо= 17,18+ 175  = 192,18 млн.м³.

Высотная отметка нормального подпорного уровня Н_нпу определим по кривой объемов V =V(H), Н_нпу =228 м абс.

4. Определение режима работы водохранилища балансовым таблично-цифровым расчетом.

Расчет производится по месячным интервалам времени для водохозяйственного года при заданных условиях регулирования.

Расчет проходит в два этапа:

– предварительный (без учета потерь воды на испарение и фильтрацию);

– окончательный (с учетом последних).

В графе (6) в 1-й строчке выписываем мертвый объем V_мо=175 млн.м³.

Далее по ходу времени, т.е. на конец последующего месяца, вычисляем фиктивные наполнения, не ограниченные заданными пределами V_нпу и V_мо в виде V_ф =V_н +(W_p-U).

Если V_ф≥ V_нпу,, в графе (6) записываем V_нпу; избыточный объем воды V_ф- V_нпу=S направляем на сброс (графа 7).

Если V_ф< V_нпу и V_ф> V_мо, то V_к= V_ф.

Если V_н= V_мо, то V_к= V_мо. (V_н – наполнение на начало месяца, V_к– на конец месяца).

В конце последнего месяца получаем V_к= V_мо.

Суммарный годовой объем сброса равен разности годовых объемов стока и полезной отдачи.

Расчет приведен в таблице № 3.

По второму варианту правил регулирования проводят против хода времени, начиная с последнего месяца водохозяйственного года, ниже которого в графу (8) записываем V_к= V_мо.

V_н =V_к -(W_p-U).

Дефициты стока прибавляем, избытки – вычитаем, сбросы осуществляем при мертвом объеме. При этом выполняются следующие условия:

1) если V_н <V_нпу,, то V_к= V_н;

2) если V_н >V_нпу, то V_к= V_нпу;

3) если V_н >V_мо, то V_к= V_мо, а разность V_мо- V_н= S (имеет место сброс).

Контроль вычислений сумма W_p- суммаU= суммаS.

Второй этап расчета включает определение потерь.

Средний объем вычисляется:

V_ср=(V_н+V_к)/2.

Среднюю площадь зеркала находим по топографической характеристике (рис.№1) в зависимости от среднего объема.

Далее находим полезный объем водохранилища с учетом потерь по правилам, изложенным выше.

V^/_плз=34,9 млн. м³.

Дальнейший расчет аналогичен рассмотренному ранее.

V^/_нпу=209,9 млн. м³.

 Графиков по 1-му и 2-му варианту показаны на рисунке №4 и №5 (прилагается).

5. Интегральные (календарные) кривые стока и отдачи.

Разностная интегральная (суммарная) кривая характеризует последовательный ход изменений величин ∑ (W_p-U) во времени, т.е. ∑( W_p-U) =f(T) или ∑W_p-∑U =f(T). Для построения разностной интегральной кривой вычисление производится по таблице №5.

Разностная суммарная кривая имеет следующие свойства:

1) если Wp >U – кривая идет вверх, период избытков;

2) если Wp <U – кривая идет вниз, период недостатков;

3) если Wp =U – кривая имеет перегиб, переход от избытков к недостаткам и наоборот (при многотактной работе водохранилища).

Полезный объем водохранилища по разностной суммарной кривой, исходя из ее свойств, определяется как наибольшее из вертикальных расстояний между предыдущей наивысшей и последующей наинизшей точками (рис. 6).

График работы водохранилища по 1-му варианту строится так: из каждой точки перегиба проводят вниз вертикальные (вспомогательные) линии; от начала координат (от нуля) откладывают ординату, равную Vплз, и от этой точки проводят горизонтальную линию до пересечения с первой вертикальной линией.

Точка пересечения горизонтальной линии с разносной суммарной кривой дает начало первого сброса, а пересеченье с вертикалью – конец его. В период сброса водохранилище стоит наполненным до Н_нпу.

С первой точки перегиба проводят горизонтальную линию до второй вертикали. Пересечение этой линии с разностной суммарной кривой дает начало второго сброса.

От первой (а также от второй в зависимости от такта работы водохранилища) точки перегиба откладывают вниз V_плз и находят период заполнения водохранилища.

Начало сработки водохранилища соответствует концу сброса. Объемы сбросов равны их конечным ординатам.

Полная интегральная (суммарная) кривая характеризует последовательный ход изменений объемов стока во времени, строиться по уравнению W=,

а при ступенчатом графике W=.

Любая i-я ордината суммарной кривой представляет собой объем воды, притекающий от начала расчетного периода до момента t_i.

На рисунке 7 построена полная суммарная кривая притока W_p=f(T) и полная суммарная кривая отдачи  U=f(T) по данным таблицы №5.

Основные свойства полной суммарной кривой:

1. Если Q=const, то суммарная кривая – прямая линия.

2. При ступенчатом гидрографе суммарная кривая – ломаная линия.

3. Тангенс угла наклона к оси абсцисс, касательной, проведенной к суммарной кривой в данной точке параллельно кривой отдачи – расход в данный момент, тангенс угла наклона секущей (или звена ломаной линии) – средний расход за данный период.

Построение графика работы водохранилища по 2-му варианту регулирования с момента, когда V =0, т.е. от крайней правой точки кривой W проводим влево нижнюю касательную, параллельную кривой U и до пересечения с кривой W. Эта точка будет соответствовать концу сброса и началу наполнения (рисунок 7).

Сокращенная интегральная (суммарная) кривая строится по уравнению

W^/=,

где Q_о – некоторый постоянный расход (рис. 8).

В работе в качестве постоянного расхода принимаем среднемесячный приток

Wср=Qср*t== 228,02 млн.м³.

Ординаты сокращенной суммарной кривой притока W^/=

(графа 10, таблицы №5).

Ординаты сокращенной суммарной кривой потребления:

 U^/=(графа 11).

Полезный объем и график работы определяется по тому же правилу, что и для полной суммарной кривой.

6. Расчет водохранилища многолетнего регулирования.

Многолетнее регулирование проектируется в случае, когда годовая отдача с учетом потерь превышает расчетный сток за год.

При многолетнем регулировании водохранилище наполняется водой в многоводные годы с целью покрытия недостатков притока в маловодные годы. Отдача выражается коэффициентом зарегулирования.

Объем водохранилища многолетнего регулирования вычисляется:

V_плн=V_нпу=V_мн+V_сез+V_мо,

где V_мн – многолетняя составляющая емкости водохранилища;

V_сез – сезонная составляющая;

V_мо – мертвый объем.

Коэффициент емкости вычисляется:

β_плн=β_мн+β_сез+β_мо, где β_мн= V_мн/W_о,  β_сез= V_сез/W_о, β_мо= V_мо/W_о.

По графику Г.Г. Сванидзе определяется β_мн как функция β_мн=f(P,a,C_v, C_s, r). При Р=80%, а=0,9, C_v =0,27, C_s =0,54, r =0, β_мн=0,20.

V_мн= β_мн* W_о=0,20*2736,27=547,25 млн. м³.

Сезонная составляющая емкости водохранилища, если длительность межени в долях от года составляет t=9/12=0,75.

Доля межени в годовом стоке определяется по межсезонному расчету по методу компоновки (рассчетно-графическая работа по гидрологии) m =W_{р. меж}/W_{р год} = 378,82/992,347=0,38.

По формуле β_сез=а(t-m) =0,9(0,75-0,38)=0,33,

V_сез= β_сез* W_о=0,33*2736,27=902,97 млн. м³.

Определение полезного объема и полного объема водохранилища многолетнего регулирования:

V_плз= V_нпу= V_плз+ V_мо=547,25+902,97+175=1625,22 млн. м³.

7. Определение регулирующего влияния водохранилища на максимальный сток.

q _сб=Q_макс (1– V_ф/ W_п),

где Q_{макс –} расчетный максимальный расход, равный 151 м³/сек, вычисленный в пункте 2 расчетно-графической работы по гидрологии;

W_п – объем половодья (паводка), определяемый по формуле:

W_п=1/2 Q_макс*Т,

где Т – продолжительность паводка в с, т.е. 86 400 с*t_сут (для всех вариантов t_сут=24).

В примере W_п=1/2*151*86400*24=156,56 млн. м³.

Схема расчета: 1. задаемся величиной слоя форсировки h_ф=0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 м.

2. для каждого слоя по кривой  V(Н) находим V_ф=V_нпу+ h_ф- V_нпу.

V_ф0,5=228,5 м-228м=215-192,18=22,82 млн. м³.

V_ф1=229 м-228м=250-192,18=57,82 млн. м³.

V_ф1,5=229,5 м-228м=280,5-192,18=88,32 млн. м³.

V_ф2=230 м-228м=330-192,18=137,82 млн. м³.

V_ф2,5=230,5 м-228м=345-192,18=152,82 млн. м³.

3. По формуле для каждого h_ф вычисляем q _сб.

q 1_сб= 151*(1-22,82/156,56)=128,99

q 2_сб=151*(1-57,82/156,56)=95,23

q 3_сб=151*(1-88,32/156,56)=65,81

q 4_сб=151*(1-137,82/156,56)=18,07

q 5_сб=151*(1-152,82/156,56)=3,61

4. Строим кривую сбросных расходов q _сб= q _сб(h_ф) (рисунок № 9).

5. Определяем расходы, пропускаемые водосливом с широким порогом, задаваясь различной шириной водослива b=100;200; 300; 400 по формуле

Q_в=mb 2g*h^3/2, где =0,42.

Вычисления сводим в таблице.

Расчет расходов через водослив

Таблица № 6

Строим три кривых зависимости q _в= q _в(h_ф) (рисунок № 9).

Пересечение этих кривых с кривой         q _сб= q _сб(h_ф) соответствует гидравлически наивыгоднейшему режиму.

Для всех полученных точек пересечения производим технико-экономический расчет общей стоимости гидроузла. В работе условно принимаем точку пересечения, наиболее близкую по величине h_ф=2 м.

В нашем примере h_ф= 0,6 при b=100 м, q _сб= 125 м³/сек.

Форсированный подпорный уровень ФПУ=НПУ+ h_ф=228 м+0,6=228,6 м. абс., что соответствует максимальному объему водохранилища 195 млн. м³На рисунке № даны гидрограф половодья и емкость форсировки. (Для всех вариантов Q_макс проходит на 8-е сутки).