Управление работой водохранилища

Расчет регулирования стока обычно сводится к определению потребной (полезной) емкости водохранилища, а также объема сброса излишней воды, поступающей в водохранилище в период паводка. Иногда приходится решать обратную задачу, т.е. находить зарегулированный расход по установленному техническими или экономическими условиями объему водохранилища. На практике определение потребностей емкости водохранилища чаще выполняют с помощью интегральной (суммарной) кривой стока.

Для построения интегральной кривой стока сначала выбирают расчетный годовой график уровней воды H_р= f(t) с заданной обеспеченностью в створе будущей плотины (рис. 9.15, а). Затем с помощью кривой расходов воды Q= f(H) (рис. 9.15, б) и расчетного графика уровней H_р= f(t) строится годовой график притока воды в водохранилище Q= f(t). Пользуясь графиком притока Q=f(t), подсчитывают объемы стока воды V_i за определенные интервалы времени Dt_i (рис. 9.16). Суммируя значения объемов стока, строится интегральная кривая стока V= f(t) (рис. 9.17, а, б).

Чтобы выявить свойства интегральной кривой стока V= f(t) соединяют прямой линией точки начала и конца интегральной кривой стока и определяют тангенс угла наклона a этой линии:

, (9.4)

где: V_г – полный объем годового стока, м³;

t_г – продолжительность времени в году, с.

На основании такого свойства на графике V=f(t) строится лучевой масштаб расходов (обычно в левом верхнем углу графика). При этом лучи проводят под таким углом, чтобы они соответствовали круглым значениям расходов с одинаковым интервалом (например, через 50 или 100 м³/с и др.).

На рис. 9.18 приведена интегральная кривая стока, пользуясь которой определяется полезный объем водохранилища V_п по заданному зарегулированному расходу Q_з при сезонном (годичном) регулировании стока. Для этого на графике V=f(t) проводится касательная к интегральной кривой, параллельная лучу с расходом Q_з (на рис. 9.18 Q₃=Q₄). Точка касания А соответствует моменту времени, когда естественный приток воды равен заданному расходу отдачи Q_з. Левее этой точки – Qi > Qз во время паводка, а правее – Qi < Qз, что соответствует меженному состоянию реки. Далее, проектируя точку А на вертикальную линию конца года, получаем следующие ординаты:

а_в – объем стока, необходимый для обеспечения заданных расходов Q_з – за тот же период времени;

в_с – дефицит (нехватка) стока для обеспечения заданных расходов Q_з в меженный период.

Для покрытия дефицита стока надо создать необходимый запас воды в водохранилище, что осуществляется во время весеннего паводка, когда расходы воды в реке существенно больше Q_з. Следовательно, полезный объем водохранилища, который должен быть равен максимальному дефициту стока, определяется как разница ординат потребления а_с и притока а_в на момент конца водохозяйственного года V_п=а_с – а_в.

Определив величину полезного объема водохранилища, можно установить высоту плотины, границы возможных затоплений прилегающих к реке земель и др.

Излишний объем стока V_сб должен быть своевременно сброшен через водосбросную часть плотины в нижний бьеф, чтобы не допустить переполнения емкости водохранилища. Иногда в многоводные годы для пропуска излишнего стока воды дополнительно используют донные отверстия в теле плотины.

При решении обратной задачи, когда находится значение зарегулированного расхода Q_з по заданному объему водохранилища V_п, также пользуются интегральной кривой стока. Для этого от конца интегральной кривой стока вертикально вверх в масштабе графика откладывают величину полезного объема V_п. Проводя через верхний конец отложенной ординаты полезного объема касательную к интегральной кривой, определяют обеспечиваемый при данном V_п зарегулированный расход Q_з, величина которого находится путем переноса направления касательной на лучевой масштаб расходов.

Обратная задача встречается в тех случаях, когда высота плотины и емкость водохранилища ограничивается из-за недопущения затопления населенных пунктов, промышленных строений, большой площади плодородных сельскохозяйственных угодий и ценных пород дерева.

Если годовой объем потребления воды (зарегулированный сток) больше, чем бытовой сток расчетного года, то необходимо осуществлять многолетнее регулирование стока. При расчете этого вида регулирования рассматривают гидрологические периоды, длящиеся на протяжении нескольких лет (часто 4-6 лет). Эти периоды начинаются многоводными годами, а заканчиваются маловодными.

Многолетнее регулирование стока требует значительно больших емкостей водохранилищ, чем годичное. Задачей такого регулирования является накопление воды в многоводные годы и ее расходование в маловодные годы.

Расчет многолетнего регулирования стока, заключающегося в нахождении полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода, может быть выполнен с помощью интегральных кривых стока, которые для удобства вычерчиваются в косоугольных координатах.

Для построения интегральной кривой стока в косоугольных координатах производится поворот всех точек графика, вычерченного в прямоугольных координатах на угол a (см. рис. 9.16, б). При этом пунктирная линия, соответствующая среднему годовому расходу воды, совмещается с горизонтальной осью времени t. Тогда интегральная кривая стока оказывается расположенной вдоль оси t. Лучевой масштаб также разворачивается на этот угол a.

На рис. 9.19 приведен пример расчета многолетнего регулирования при постоянном расходе отдачи (потребления) Q_з с помощью интегральной кривой стока в косоугольных координатах. Для этого проводят лучи с различными углами наклона от самой низкой точки интегральной кривой стока (в конце маловодного периода) до начала маловодного периода. Каждый из приведенных отрезков прямой линии представляет собой кривую отдачи, отвечающую определенному расходу воды Q_з. Наибольшие расстояния между интегральной кривой притока и проведенными лучами определяют потребные для осуществления многолетнего регулирования емкости водохранилища V_1п, V_2п,...., обеспечивающие различные зарегулированные расходы воды Q_1з, Q_2з,.... По этим соответствующим данным строят график связи полезных объемов водохранилища V_п и величин зарегулированных расходов Q_з.

На рис. 9.20 приведена кривая связи V_п= f(Q_з), характерной особенностью которой является сравнительно медленное возрастание V_п с увеличением Q_з в ее начале. Затем в конце кривой небольшое повышение зарегулированного расхода Q_з вызывает значительное увеличение полезного объема V_п водохранилища многолетнего регулирования, что свидетельствует о нерациональности регулирования стока в той области, где кривая уходит круто вверх. Окончательное значение V_п и Q_з получают на основе технико-экономических расчетов. Для этого выбирают несколько вариантов значений полезного объема водохранилища и зарегулированного расхода в области рационального регулирования, затем находят оптимальный вариант с учетом минимальных суммарных эксплуатационных и капитальных затрат.

После установления расчетных значений V_п и Q_з задача регулирования сводится к обеспечению рационального использования запасов воды водохранилища в зависимости от водности того или иного года.

Управление работой водохранилища заключается не только в обеспечении расчетной полезной отдачи в пределах проектных подпорных отметок, но и максимально полного использования стока сверх расчетного потребления.

При надежном и заблаговременном (долгосрочном) прогнозировании (предсказании) стока можно составить такой план работы водохранилища, который полностью удовлетворит запросы всех потребителей в соответствии с ожидаемым стоком. Например, для водного транспорта должно быть предусмотрено такое расходование воды из водохранилища в навигационный период, при котором не будет затруднений для поддержания гарантированных глубин в верхнем и нижнем бьефах гидроузла.

Однако из-за невысокой точности прогноза и небольшой его заблаговременности полностью выдержать план работы водохранилища часто не удается. Поэтому обычно составляют специальные диспетчерские графики, которые являются оперативным планом управления работой водохранилища.

Если водохозяйственный год близок по водности к расчетному, то из водохранилища подается гарантированный расход отдачи Q_з. В тех случаях, когда водность года больше расчетной, то из водохранилища обеспечивается подача повышенных максимально полезных расходов Q_п > Q_з, которые необходимы для круглосуточной работы всех турбин гидроэлектростанции. Если год маловодный, то при малом наполнение водохранилища подача снижается до значений, менее гарантированных Q_п < Q_з.

В водохранилищах годичного регулирования особенно ответственной задачей является пропуск весеннего паводка. Только при правильном управлении водосбросными устройствами и работой турбин гидроэлектростанции в весенний период можно обеспечить хорошую эксплуатацию водохранилища на протяжении всего водохозяйственного года. Для правильного назначения режима работы водохранилища на предстоящий период паводка обязательным является использование прогноза объема воды во время весеннего паводка и, в частности, объема сброса воды, чтобы не допустить переполнения водохранилища.

Режим работы водохранилища годичного регулирования на период весеннего паводка назначают с учетом следующих основных требований:

- обеспечение наполнения водохранилища до нормального подпорного уровня (НПУ);

- недопущение превышения уровня водохранилища над НПУ;

- обеспечение наибольшей выработки энергии гидростанцией.

На пропуске многоводного паводка в самом начале его наступления открываются на полную высоту все отверстия водосливной части плотины. Донные отверстия вводятся в работу в том случае, если это требуется по ходу притока воды, при уровнях водохранилища, близких к НПУ.

Схема пропуска средних по водности паводков заключается в том, что в начале паводка отверстия водосбросной плотины остаются закрытыми. При уровне воды в водохранилище на 2-3 м ниже НПУ начинается постепенное открытие водосливных отверстий, и только иногда используют донные отверстия.

При пропуске маловодных паводков все отверстия плотины остаются закрытыми до тех пор, пока не создается уверенность заполнения водохранилища до НПУ. После этого при необходимости поднимается часть щитов водосливных отверстий для кратковременного сброса воды. В большинстве случаев во время маловодных лет сбросы воды через плотину вообще не производятся.