1.5. Общая методика расчета водохранилищ

Совокупность расчетов по установлению основных параметров водохранилища и режима его работы называют водохозяйственным расчетом.

В состав водохозяйственного расчета входят:

- гидрологические расчеты основных гидрологических характеристик водотока, на котором создается водохранилище;

- установление объемов и режима водопотребления из водохранилища, а также потерь воды, вызванных его сооружением;

- назначение нормативных подпорных уровней и объема водохранилища;

- оценка экономической эффективности и народнохозяйственного значения регулирования стока;

- правила эксплуатации водохранилища, обеспечивающие рациональное использование и охрану водных ресурсов.

Независимо от вида регулирования стока водохранилища его параметры рассчитывают методом водохозяйственного баланса. Сущность расчетов заключается в сопоставлении и уравновешивании по интервалам времени приходной и расходной частей за период регулирования. Период перехода от дефицита стока к избытку принимают за начало расчетов. Этот период характеризуется полным опорожнением водохранилища, т.е. объем водохранилища равен мертвому объему.

В качестве критерия надежности снабжения потребителя водой в гидротехнической практике используют расчетную обеспеченность отдачи.

Гидрологические расчеты являются основой водохозяйственных расчетов. Распределение стока в течение расчетного водохозяйственного года устанавливают известными в гидрологии методами. При наличии длительного календарного ряда наблюдений (не менее 15 лет) применяют методы реального года или компоновки. Допускается вести расчет и по характерным по водности годам. При отсутствии и недостаточности (менее 15 лет) гидрометрических наблюдений внутригодовое распределение стока в расчетном водохозяйственном году определяют по методу гидрологической аналогии или по районным схемам и региональным зависимостям.

При гидрологических расчетах в качестве исходной информации используют материалы опорной гидрологической сети, систематизированные в Государственном водном кадастре. В случае необходимости проводят дополнительные специальные наблюдения, изыскания и исследования. Расходы, объемы и режимы водопользования и водопотребления определяют на основе данных о проектном составе водопользователей и водопотребителей и расчетных удельных нормах водопотребления (на единицу продукции, на орошение 1 га земли, на человека и т.д.). Объемы и расходы водопользования и водопотребления, отнесенные к створу водохранилища, называют полезной, или плановой, отдачей.

Потери воды, вызванные устройством водохранилища, суммируют с плановой (полезной) отдачей. Отдача с учетом потерь воды составляет полную отдачу водохранилища. Другие исходные материалы, необходимые для водохозяйственного расчета водохранилища, получают на основе топографических, гидрогеологических, экологических и других изысканий и исследований.

Основные параметры водохранилища, определяющие его размеры, должны быть экономически и технически обоснованы и должны соответствовать следующим условиям водного хозяйства и гидротехническим требованиям:

1. Установленное водопотребление должно полностью удовлетворяться с заданной обеспеченностью.

2. Объем водохранилища не должен быть чрезмерным большим, не более 2 объемов годового стока (т.к. длительное заполнение водохранилища приводит к его нерентабельности).

3. Средняя глубина водохранилища в теплых районах при НПУ должна быть не менее 4-5 м (иначе – большие потери на испарение).

Расчетная обеспеченность отдачи. Основные параметры водохранилища и режим его работы устанавливают путем сопоставления и анализа расчетного стока и планового потребления. В качестве критерия надежности снабжения потребителя водой в гидротехнической практике используют расчетную обеспеченность отдачи. Расчетная обеспеченность отдачи – это очень важный критерий, который определяет не только объем водохранилища и отдачу, но и размеры капитальных вложений в строительство водохранилища и гидроузла в целом, общую экономическую эффективность регулирования стока.

При расчете надежности снабжения потребителей водой пределом расчетной обеспеченности служат расходы воды 75-97% обеспеченности.

Нормативные значения расчетной обеспеченности отдачи устанавливают на основании опыта, накопленного практикой проектирования. Все водопотребители по степени бесперебойности в подаче воды делят на 3 группы:

- не допускающие перерыва или уменьшения подачи воды;

- не допускающие перерыва, но разрешающие кратковременное снижение подачи воды (определяемое технологией производства);

- допускающие кратковременный перерыв или уменьшение подачи воды.

К первой группе относят объекты специального назначения, крупные промышленные центры и отдельные предприятия, системы коммунального водоснабжения; расчетную обеспеченность для этой группы принимают 95-97% и более (до 99%).

Во вторую группу входит большинство промышленных предприятий; расчет­ная обеспеченность в этом случае составляет 95%.

В третью группу включают оросительные системы, гидроэлектростанции, водный транспорт, рыбное хозяйство и другие объекты. Расчетная обеспеченность для этой группы находится в следующих пределах (%): для ГЭС-90, для орошения – 85, для водного транспорта – 80-90, для рыбного хозяйства – 75-85.

Расчетную обес­печенность отдачи (р_%) обычно назначают в нормативном порядке применительно к виду потребителя воды и степени допустимости перебоев в ее подаче. Потребление за год при сезонном регулировании стока не должно превосходить объем стока расчетного водохозяйственного года.

Основные методы расчетов регулирования стока. Расчет регулирования стока заключается в определении объемов водохранилища и соответствующих им уровней воды.

Методы расчета регулирования стока можно разделить на две группы: расчеты по календарным стоковым рядам (балансовые расчеты) и обобщенные методы, основанные на использовании математической статистики и теории вероятностей.

Балансовые методы расчета водохранилища выполняют по данным многолетних гидрологических наблюдений.

Расчет непосредственно по стоку истекшего периода (по календарным рядам) отличается наглядностью и удобством применения к любому виду регулирования стока. Его основные недостатки – невозможность использования при отсутствии про­должительных наблюдений за стоком реки и неопределенность в оценке обеспеченности отдачи из водохранилища.

Обобщенные методы основаны на использовании методов математической статистики и теории вероятности. Эти методы позволяют выявить множество возможных сочетаний характеристик стока, полнее использовать информацию, содер­жащуюся в исходном ряду. К числу недостатков обобщенных методов можно отнести ненаглядность, а также абстрактность водохозяйственных расчетов, при которой за сложными математическими построениями затушевывается роль генетических факторов в формировании закономерностей стока.

В связи с этим при водохозяйственном проектировании целесообразно сочетать элементы обоих методов расчета. Взаимно дополняя друг друга, они позволяют с достаточной полнотой и достоверностью установить необходимые расчетные параметры и проектный режим работы водохранилища.

Определение мертвого объема водохранилища. Мертвый объем (Vмо) – это постоянная часть полного объема водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Мертвый объем (Vмо) и соответствующий ему УМО определяют расчетами с учетом ряда условий и соображений.

На реках, транспортирующих большое количество наносов, мертвый объем необходим для аккумуляции твердого стока, чтобы предотвратить уменьшение полезного объема в течение расчетного срока службы водохранилища, продолжительность которого принимают в зависимости от назначения водохранилища от 25 до 50 лет.

На водохранилищах, используемых для коммунально-бытового водоснабжения и рыбного хозяйства, главными факторами, определяющими значение и отметку УМО, являются санитарно-технические требования и условия обеспечения необходимого качества воды.

Во избежание прогрева воды, зарастания водохранилищ и ухудшения гидрохимического и гидробиологического режимов в них в летнее время средняя глубина при УМО должна быть не менее 2,0-2,5 м (в прудах – 1,5-2,0 м), а площадь мелко­водья с глубинами менее 2 м – не более 30% площади водохра­нилища, т.е. критерий литорали должен быть L_ω ≤ 0,3.

При транспортном использовании водохранилища УМО определяют как минимальный навигационный уровень, обеспечивающий необходимые глубины для судоходства.

На ГЭС УМО назначают из условия, чтобы снижение напора на гидроагрегатах при сработке водохранилища до УМО составляло не более 20-30%.

В водохранилищах для коммунального и промышленного водоснабжения, орошения, ТЭС, АЭС и при минимальном уровне воды, соответствующем УМО, должны быть обеспечены условия для нормальной бесперебойной работы водозаборных сооружений. В частности, при использовании водохранилища для самотечного орошения УМО назначают из условия командования, т.е. чтобы было обеспечено поступление воды в каналы оросительной системы.

Рыбное хозяйство при назначении УМО предъявляет свои требования: обеспечение рыбе достаточного пространства, площади, корма и воздуха, недопущение закупорки зимовальных ям льдом при зимней сработке водохранилища.

Окончательно отметка УМО водохранилища назначается с учетом требований всех водопользователей и водопотребителей.