Водохранилища, их классификация и характеристики

Общие сведения о регулировании стока. Виды и типы регулированияю. Сток воды в реках в естественном состоянии является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь – от характера питания. На некоторых реках с преимущественно снеговым питанием максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода. Во время паводка наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровня и значительное увеличение глубин, которые полностью не используются для судоходства. В период небольших расходов и низкого стояния уровней глубины резко уменьшаются, особенно на перекатах, что ограничивает пропускную способность рек при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.

Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебания стока воды, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов для различных отраслей хозяйства: энергетики, судоходства, лесосплава, водоснабжения и сельского хозяйства. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и строений.

Для регулирования стока на реке возводится узел гидротехнических сооружений (гидроузел), в состав которого (кроме прочих сооружений) входят одна или несколько плотин. Выше гидроузла уровни воды повышаются, образуется водохранилище, которое позволяет аккумулировать «излишки» воды во время прохождения больших расходов (в период снеговых и дождевых паводков). В меженный период на участок реки ниже гидроузла подается дополнительный расход воды по сравнению с его естественными значениями (производятся попуски воды из водохранилища), уровни воды и глубины при этом повышаются. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности распределения расхода воды по времени.

Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:

ФПУ – форсированный подпорный уровень;

НПУ – нормальный подпорный уровень;

УНС – уровень навигационной сработки;

УМО – уровень мертвого объема.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – это уровень воды выше нормального, временно допускаемый в водохранилище при чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (например, во время прохождения особо высокого паводка).

Нормальный подпорный уровень (НПУ) – это наивысший проектный уровень воды, который поддерживается в водохранилище при нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (до этого уровня водохранилище может наполняться во время обычного паводка).

Уровень навигационной сработки (УНС) – это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.

Уровень мертвого объема (УМО) – это наинизший уровень воды, до которого допускается опорожнение (сработка) водохранилища.

Разница объемов водохранилища при НПУ и УНС называется полезным объемом.

Объем водохранилища при УМО называется мертвым объемом. Величину мертвого объема водохранилища выбирают так, чтобы имелся минимальный напор воды, обеспечивающий нормальную работу турбин гидроэлектростанции. На реках, несущих большое количество наносов, при выборе величины мертвого объема учитывается время заполнения его наносами в процессе эксплуатации. Кроме того, при выборе УМО учитывается необходимость обеспечения надежной работы водоприемников, обеспечивающих подачу воды предприятиям, населенным пунктам и на сельскохозяйственные угодья.

Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, являются различными и иногда противоречивыми. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, чтобы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов большой грузоподъемности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.

Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды, в основном, в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива растений.

Поэтому при проектировании мероприятия по регулированию речного стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов.

В зависимости от продолжительности периода перераспределения стока и от режима работы водохранилища различают следующие виды регулирования речного стока: многолетнее, годичное (сезонное), недельное и суточное.

Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы происходит наполнение водохранилищ, а в маловодные годы, в основном, созданные запасы воды расходуются. Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути с большой обеспеченностью.

Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища, позволяющие аккумулировать большие объемы воды. К таким водохранилищам относятся: Верхне-Свирское на р. Свирь, Рыбинское на р. Волга, Цимлянское на р. Дон, Братское на р. Ангара, Красноярское на р. Енисей и др.

Наиболее простым является годичное регулирование, при котором обеспечивается выравнивание стока только в пределах года. При этом водохранилище наполняется в период паводка, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды резко уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производится к началу следующего паводка. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ, чем при многолетнем регулировании. Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного для судоходства меженного периода.

Необходимость суточного и недельного регулирования стока объясняется неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами. Суточное регулирование обуславливается неравномерностью потребления энергии в течение суток. Обычно наибольшее потребление энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и особенно в вечерние часы, когда работают предприятия и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление – ночью, так как в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение. Поэтому для обеспечения такой неравномерности потребления электрической энергии работает соответствующее количество турбин гидроэлектростанции, и, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.

Недельное регулирование стока обусловливается неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. В субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели.

При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды на участке реки ниже водохранилища, которые прослеживаются на протяжении нескольких десятков километров. Таким образом, суточное и недельное регулирование стока являются характерной особенностью энергетического использования стока, и отличается от остальных видов регулирования. В этом случае происходит не выравнивание стока, а наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени.

Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, так как при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов и иногда нарушается график движения судов.

Для обеспечения суточного и недельного регулирования стока не требуется увеличение емкости водохранилища многолетнего или годичного регулирования.

По методу расходования (отдачи) воды из водохранилища различают два типа регулирования: с постоянной и переменной отдачей воды. На рис. 9.1 показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годичного регулирования: равномерный на протяжении всего года (рис. 9.1, а); равномерный с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода (рис. 9.1, б); ступенчатый с максимумом расхода отдачи в летний (меженный) период (рис. 9.1, в).

Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенсирующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются минимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подается лишь гарантированный расход турбины гидроэлектростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегулированная отдача увеличивается только для покрытия потерь воды на испарение.

Во всех случаях площадь бытового гидрографа w₁, расположенная выше графика отдачи, представляет собой объем водохранилища V_B, а площадь w₂, расположенная ниже графика отдачи, но выше бытового гидрографа – объем отдачи для обеспечения зарегулированных расходов воды Q_З. Для того, чтобы такая отдача была возможна, необходимо соблюдение неравенства w₁ ³ w₂, т.е. чтобы дефицит стока в летне-зимний период не превосходил избытка стока за период весеннего паводка.

Водохранилища, их классификация и характеристики. По гидрографическому признаку различают три типа водохранилищ: русловые, озерные и смешанные.

Водохранилище, которое образуется в результате преграждения течения реки плотиной и затопления речной долины, называется русловым (рис. 9.2, а). Такие водохранилища обычно имеют большую длину и площадь водного зеркала. Для создания в них больших запасов воды необходимо значительное повышение уровня воды.

Озерное водохранилище образуется в результате преграждения плотиной истока реки, вытекающей из озера (рис. 9.2, б). Вода при этом заполняет озерную чашу. В таких водохранилищах с большой площадью водного зеркала могут создаваться значительные запасы воды при сравнительно небольших повышениях уровня озера.

При возведении плотины несколько ниже истока реки, вытекающей из озера, образуется смешанное водохранилище, которое включает емкости чаши озера и прилегающей к нему долины реки (рис. 9.2, в).

Основными характеристиками любого водохранилища являются его емкость V и площадь водного зеркала F. При этом площадь водного зеркала водохранилища определяют планиметрированием горизонталей по топографическим картам на соответствующей отметке берегового откоса. Объем водохранилища вычисляется путем последовательного суммирования произведений средних площадей водного зеркала F_i на приращение высоты уровня воды DZ

. (9.1)

Характеристики водохранилища приводятся либо в табличной форме при четырех характерных уровнях воды (ФПУ – форсированный подпорный уровень, НПУ – нормальный подпорный уровень, УНС – уровень навигационной сработки и УМО – уровень мертвого объема), либо в виде кривых зависимости емкости V и площади водного зеркала F от изменения уровня воды в водохранилище (рис. 9.3). На кривые V и F=¦(Z) наносятся расчетные отметки ФПУ, НПУ, УНС и УМО.

Для нижнего бьефа водохранилища основной характеристикой является кривая связи между уровнями и расходами воды. Она строится по данным гидрометрических измерений за многолетний период, предшествующий возведению плотины, а затем корректируется, так как происходит размыв дна реки на участке ниже створа плотины.

При эксплуатации водохранилища, кроме полезного объема, используемого для народнохозяйственных целей, имеются бесполезные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища и на фильтрацию в грунт дна и берегов.

Потери на испарение возникают в результате затопления большой площади долины реки. Величина этих потерь P_н определяется разницей между количеством воды, поступающей в атмосферу с водной поверхности водохранилища Z_в и объемом воды, который раньше (до затопления) поступал в атмосферу с площади суши, занятой водохранилищем Z_с

, (9.2)

где: X – количество осадков, выпадающих на занимаемую водохранилищем площадь;

Y – сток воды с указанной площади.

Для определения Z_в пользуются картой изолиний среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности, составленной по данным многолетних наблюдений на территории расположения водохранилища.

Непосредственный подсчет величины Z_с затруднителен из-за большого разнообразия природной среды (района постройки водохранилища, рельефа местности, растительности и др.). Поэтому эта величина определяется косвенно, как разница между осадками и стоком воды.

Потери воды на испарение в Северо-Западной зоне обычно составляют 1-2 мм в год. В южных районах с засушливым климатом они существенно больше до 0,5-1,0 м и более в год, что учитывается при определении полезного объема водохранилища.

Потери воды из водохранилища на фильтрацию происходят через поры породы, слагающей чашу водохранилища, в соседние бассейны, а также через тело и различные устройства самой плотины в нижний бьеф реки. При этом последний вид потерь на фильтрацию является сравнительно малой величиной и обычно в водохозяйственных расчетах не учитывается.

Потери воды на фильтрацию через дно и берега водохранилища зависят от напора воды, создаваемого плотиной и гидрогеологических условий (пород, слагающих долину реки, их водопроницаемости, характера залегания, положения уровня и режима грунтовых вод).

Фильтрационные потери будут минимальными в том случае, когда ложе водохранилища сложено из практически водонепроницаемых пород (глина, плотные осадочные или массивные кристаллические породы без трещин), а уровень грунтовых вод на примыкающих к водохранилищу склонах расположен выше отметки нормального подпорного уровня (рис. 9.4, а).

Большие фильтрационные потери наблюдаются у водохранилищ, дно и берега которых сложены трещиноватыми песчаниками, известняками, сланцами или другими водопроницаемыми грунтами, а уровень грунтовых вод на склонах расположен ниже отметки НПУ (рис. 9.4, б).

Наиболее значительная фильтрация из водохранилищ наблюдается в первые годы их эксплуатации. Это объясняется тем, что в период заполнения водохранилища происходит насыщение водой грунта, слагающего ложе, и пополнение запасов подземных вод. С течением времени фильтрация уменьшается и через 4-5 лет стабилизируется. Фильтрация воды из водохранилища через поры породы изучена слабо из-за большого количества определяющих факторов и сложности проведения гидрогеологических исследований. Поэтому часто для оценки таких потерь опираются на опыт эксплуатации уже действующих водохранилищ.

По приближенным нормативам при средних гидрогеологических условиях слой потерь воды из водохранилища на фильтрацию может составить от 0,5 м до 1,0 м в год.