Основы гидроэнергетических расчетов

Изучением водоемов земной поверхности занимается наука, называемая гидрологией суши. Сюда составной частью входит гидрология рек, задачей которой является изучение режима рек.

Гидрологической основой гидроэнергетики так же, как и всех водохозяйственных и гидроэнергетических расчетов, являются прежде всего данные о режиме стока, определяемом соответствующими характеристиками. Ниже рассмотрены основные характеристики параметров и режима поверхностных водотоков.

Часть осадков, выпавших на сушу, испаряется, часть стекает в пониженные места в виде ручьев и рек (поверхностный сток) или в виде подземного (грунтового) стока. Площадь, с которой осуществляется сток в данную реку, называется водосборным бассейном этой реки. Линия, отделяющая один бассейн от другого, называется водоразделом.

Сток реки - объем воды, протекающий через данное сечение реки (гидрометрический створ) за определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год). Сток изучается путем систематических измерений уровней и расходов (Q, м³/с) в постоянных створах реки:

,

(4.1)

где v - средняя скорость потока, измеренная в изучаемом створе, м/с; - площадь поперечного сечения створа, м².

Вычисленные расходы воды публикуются в ежегодных изданиях (водные кадастры) служб, занятых изучением водных ресурсов.

Кроме непосредственно измеренных расходов воды реки, в водных кадастрах помещаются следующие вычисленные характеристики стока:

- средний годовой расход воды Q_ср.г

,

(4.2)

где - сумма среднесуточных расходов воды за год; Т - число суток в году (Т = 365 или 366);

- годовой сток V

,

(4.3)

где 31,54·10⁶ - число (среднее) секунд в году;

- средний многолетний объем годового стока V₀

,

(4.4)

где V₁, V₂,…V_n - объемы стока за отдельные годы; n - число лет периода;

- средний многолетний расход воды Q₀

.

(4.5)

- модуль среднегодового стока М₀

,

(4.6)

где F - площадь водосбора бассейна реки для рассматриваемого створа, км²;

- модульный коэффициент годового стока k_i

,

(4.7)

где i - порядковый номер года.

При большой длительности ряда величины Q₀, V₀ и M₀ принимаются за норму стока. Практически за норму стока принимается среднее значение, полученное по ряду 40-60 лет, если в этот ряд входят не менее двух циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. При отсутствии непосредственных измерений характеристик стока нормы определяются по картам изолиний модуля стока, составленных для территории всей страны и помещенных в соответствующих справочниках «Ресурсы поверхностных вод СССР».

Процесс формирования речного стока представляет собой весьма сложное многофакторное природное явление. Это такие факторы, как осадки, интенсивность снеготаяния и дождей, влажность и промерзание почвогрунтов, испарение и др. В том случае, если событие или явление возникает под воздействием суммы или произведения большого числа независимых или слабозависимых случайных факторов, то согласно центральной предельной теореме теории вероятностей это событие или процесс является случайным и подчиняется определенному статистическому закону.

Поэтому для изучения гидрологических характеристик применимы методы математической статистики. Общей задачей гидрологических расчетов при проектировании гидроэнергетических объектов является не только определение нормы стока, но и его возможных колебаний на период эксплуатации установки.

Изменчивость годового стока характеризуется коэффициентом вариации С_v, который представляет собой нормированное среднеквадратическое отклонение (σ/М₀) годового стока и служит мерой оценки колебания годового стока относительно его нормы:

.

(4.8)

Чем больше колебания стока из года в год, тем больше величина С_v. Для европейской части территории России величина Сv находится в пределах 0,2…0,25. Для рек Зауралья и Восточной Сибири С_v доходит до 1,0 и более.

Для определения закона распределения годового стока и расчета вероятности появления той или иной величины стоковой характеристики необходимо определение третьего параметра распределения - коэффициента асимметрии С_s, который характеризует несимметричность ряда исследуемых величин стока относительно их нормы или центра распределения. Как и С_v, значения С_s выражают в относительных единицах, что позволяет сравнивать степень несимметричности рядов отдельных рек:

.

(4.9)

Вычисление сколько-нибудь надежной величины С_s для годового стока требует натурных данных о стоке более чем за 60 лет, что не всегда имеется. Поэтому часто принимают величину С_s=2С_v. Однако для рек засушливых областей С_s=(1…1,5)С_v, а для рек, вытекающих из озер, обычно С_s>2С_v.

По трем параметрам (М₀, С_v, С_s) подбирается теоретическая кривая распределения, которая выражается в интегральном виде - в форме кривой обеспеченности. Кривая обеспеченности отвечает на вопрос, какова вероятность превышения, или обеспеченности, того или иного значения исследуемой характеристики стока от общего числа случаев. По кривой обеспеченности определяется расчетный (заданной обеспеченности) расход воды для определения установленной мощности гидроэлектростанции.