В период половодья (паводка) часть излишков воды временно задерживается в водохранилище. При этом происходит некоторое повышение уровня воды сверху НПУ, то есть формирование уровня, и гидрограф половодья (паводка) трансформируется (распластывается) в гидрограф сбросных расходов. Трансформация гидрографа паводка водохранилищами представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Трансформация гидрографа паводка водохранилищами
Объем форсировки, аккумулирующий часть стока высоких вод, позволяет снизить максимальные расходы воды, поступающие в нижний бьеф, и тем самым предотвратить наводнение на нижерасположенных участках реки, а также уменьшить размеры (а значит, и стоимость) водосборных гидротехнических сооружений. Вместе с тем повышение уровня воды выше НПУ влечет за собой увеличение высоты плотины и приводит с дополнительному затоплению и подтоплению земель в верхнем бьефе плотины.
В связи с этим оптимальный объем, предназначенный для снижения максимального расхода половодья (паводка) или борьбы с наводнениями в нижнем бьефе водохранилища устанавливают на основе технико-экономических расчетов.
Водохозяйственный расчет водохранилища на пропуск максимальных расходов выполняют на основе уравнения водного баланса воды в водохранилище. В общем виде баланс воды в водохранилище за время dt, можно выразить следующими дифференциальными уравнениями:
Qdt = qdt ± ΩdH (1)
или
Q–q = ± ΩdH / dt (2)
где Q – расчетный расход во входном створе водохранилища, м3/с;
q- расход в створе водосборного сооружения (сбросной расход), м3/с;
Ω - площадь водной поверхности водохранилища, м2;
Н – уровень воды в водохранилище, м
Как следует из уравнений (1) и (2), для выполнения расчета водохранилища на пропуск максимальных расходов необходимо иметь расчетный гидрограф половодья (паводка) Q(t), функцию сбросных расходов q(t) и зависимость Ω(Н), то есть кривую площадей водной поверхности в водохранилища.
Нормами проектирования форму расчетного гидрографа рекомендуется принимать по моделям наблюдавшихся половодий в расчетном створе или на реке – аналоге. При отсутствии и недостаточности наблюдений применяют различные способы схематизации расчетных гидрографов половодья (паводков).
Излишки воды из водохранилища сбрасываются через водосборные сооружения: наиболее распространены водосливы практического профиля без щитов или со щитами на гребне, а также донные водовыпуски с затворами.
В случае свободного (не подтопленного) истечения через водослив расход воды равен:
Q = mb 
(3)
при истечении из-под щита и для донного водовыпуска:
Q = 
ω 
(4)
где m и - коэффициенты расхода соответственно водослива и отверстия;
b – ширина водослива, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
H0 - полный напор с учетом скорости подхода, м;
ω – площадь отверстия, м2.
Метод Д.И.Кочерина
Метод Д.И. Кочерина основан на следующих положениях:
1) гидрограф половодья (паводка) можно предоставить в виде треугольника или трапеции;
2) сбросные расходы через водослив, отметка гребня которого совпадает с НПУ, изменяются по линейному закону;
3) не учитывают полезную отдачу, а также потери воды на испарение и фильтрацию ввиду незначительности их по сравнению с объемом половодья (паводка).
Эти допущения существенно упрощают расчеты трансформации паводков в водохранилище. При этом погрешности расчетов не выходит за пределы допустимых (5-10%), то есть лежат в пределах точности гидрометрических измерений. Расчетные схемы к способу Д.И.Кочерина представлены на рисунке 3.
а) б)
 |
Рисунок 3 - Схема к расчету трансформации паводка при треугольной (а) и трапецеидальной (б) формах гидрографа
При треугольной форме гидрографа (а) расчетный формулы имеют вид:
(5)
q max = Q max (1 - 
) (6)
(7)
где Wп - объем паводка; Vф – объем форсировки.
Wп = 
Qmax T; T = tп + tсп
При схематизации гидрографа по трапеции (б) расчетные формулы имеют вид:
) (8)
(9)
где W п = Qmax (T + t2), 
В данной работе расчетный гидрограф паводка треугольный:
1.Расчетный максимальный расход воды Qmax = 290м3/с
2.Продолжительность подъема паводка tп = 8 суток
3.Продолжительность спада паводка tсп = 16 суток
4.Коэффициент расхода водослива m = 0,35
5.Сбросное сооружение – водосливная плотина. Порог водослива находится на отметке НПУ.
Общая продолжительность паводка:
T = tп + tсп = 24 суток
НПУ = 195,1 м
Wп = Qmax T = *0,0864*QmaxTсут = * 0,0864 * 290 * 24 = 300 млн.м3
Расчет выполняется в следующей последовательности:
1. Задаемся значениями слоев форсировки hфi: hф1 = 0,5м, hф2 = 0,7м, hф3 = 0,9м, hф4 = 1,1м, hф5 = 1,3м.
2. Определяем значение ФПУ, соответствующее заданными значениями слоев форсировки: ФПУi = НПУ + hфi.
3. Определяем по кривой объемов максимальные объемы воды в водохранилище Vmi, соответствующие значениям ФПУ: Vmi = f(ФПУi).
4. Для каждого значения слоя форсировки hфi определяем объем форсировки Vфi: Vфi = Vmi - Vнпу.
5. Определяем по формуле Д.И. Кочерина значение максимальных сбросных расходов gm при принятых значениях слоев форсировки.
6. По данным таблицы 4 строим кривую сбросных расходов qmax = f(hф).
7. Пользуясь формулой водослива с широким порогом, определяем значение сбросных расходов, которые может пропустить водосливная плотина:
qmax = mb 
(10)
Точки пересечения этих кривых с кривой, полученной по формуле Д.И. Кочерина, дают искомое решение.
8. Окончательный вывод должен быть получен технико-экономическими расчетом. То есть наиболее экономический вариант выбирают путем технико-экономических расчетов, в которых сопоставляются дополнительные капитальные затраты на увеличение высоты земляной плотины и компенсацию ущерба от затопления земель при форсировке с одной стороны и стоимость водосливной плотины – с другой.
Дополнительные затраты на регулирование стока при пропуске максимальных расходов (в млн.руб.) составляют:
Кg = Кв + Кз + Кобв (11)
где Кв – стоимость водосборного сооружения (водослива); Кз – компенсация ущерба от затопления земель при форсировке уровня воды; Кобв – затраты на строительство дамбы обвалования в нижнем бьефе.
Стоимость водосборного сооружения (водосливной плотины):
Кв = Свbв (12)
где Св – стоимость 1 погонного метра водосливной плотины, млн.руб./пог.м; bв – ширина водослива, м.
Компенсация ущерба от затопления земель:
Кз = Сз*Ωз (13)
где Сз – удельные компенсационные затраты при затоплении 1-го км2 территории, млн.руб./км2; Ωз – площадь затопления сверх НПУ, км2.
Ωз = Ωфпу - Ωнпу (14)
Затраты на строительство дамб обвалования в нижнем бьефе:
Кобв = Собв*qmax (15)
где Собв – стоимость обвалования при сбросных расходах 1 м3 в секунду, млн.руб./(м3/с).
9. Слой форсировки hф и соответствующие ему значения qmax и bb определяем с помощью графика сбросных расходов для точек пересечения кривых qmax = f(hф) и qmax = f(hф,b) (рисунок 4).
10. По данным колонок 7 и 11 таблицы 4 строим график зависимости К=f(qm) и для точки, соответствующий минимальному значению К, определим значение максимального расхода qmax,э, отвечающему минимуму затрат.
11. Затем с помощью кривой qmax,э = f(hф) находим соответствующий полученному значению qmax,э слой форсировки hф,э.
Для принятого по технико-экономическим соображениям слоя форсировки hф,э определяем (уточняем ширину водослива):
(16)
12. Форсирование подпорного уровня:
ФПУ = НПУ + hф,э (17)
Vmax = f(ФПУ) (18)
Vф = Vmax - Vнпу (19)
Минимальному значению Кmin = 90,75 млн.руб. соответствует значение максимального расхода qmax,э = 136,5 м3/с.
С помощью кривой qmax = f(hф,э) находим соответствующий полученному значению qmax,э = 136,5 м3/с слой форсировки hфэ = 0,985 м.
Уточняем ширину водослива:
bв = 
= 90,1 м.
Формирование подпорного уровня:
ФПУ = 195,1+0,985=196,1 м
Vmax = f(ФПУ) = f(196,1) = 1080 млн.м3
Vф = Vmax – Vнпу = 1080-920=160 млн.м3
qmax = Qmax (1 - 
) = 290 (1 - 
) = 135 м3/с
НПУ = 195,1м
Таблица 4 - Таблица расчета сбросных расходов
| №п/п | hф,м | ФПУ,м | Vфпу,млн м3 | Vф, млн м3 | qmax= Qmax*(1-Vф/Wф), м3/с | qmax=mbв | ||||||
| b1=50м | b2=60м | b3=70м | b4=80м | b5=90м | b6=100м | b7=120м | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 1 | 0,5 | 195,6 | 1000 | 80 | 211,7 | 27,4 | 32,9 | 38,4 | 43,9 | 49,3 | 54,81 | 65,78 |
| 2 | 0,7 | 195,8 | 1040 | 120 | 174 | 45,4 | 54,5 | 63,6 | 72,6 | 81,7 | 90,80 | 108,96 |
| 3 | 0,9 | 196 | 1070 | 150 | 145 | 66,2 | 79,4 | 92,7 | 105,9 | 119,1 | 132,37 | 158,84 |
| 4 | 1,1 | 196,2 | 1090 | 170 | 124,7 | 89,4 | 107,3 | 125,2 | 143,1 | 161 | 178,86 | 214,63 |
| 5 | 1,3 | 196,4 | 1120 | 200 | 95,7 | 114,9 | 137,9 | 160,9 | 183,8 | 206,8 | 229,79 | 275,75 |
*hф3/2, м3/с
Рисунок 4 - Кривые сбросных расходов
Результаты расчета дополнительных затрат при регулировании максимальных расходов воды представлены в таблице 5.
По данным таблицы 5 строят график зависимости дополнительных затрат при регулировании максимальных расходов K=ƒ(qm) (рисунок 5).
Таблица 5 - Расчет дополнительных затрат при регулировании максимальных расходов воды
| №п/п | hф,м | ФПУ,м | Ωфпу, км2 | Ωз, км2 | bв,м | qmax,м3/с | Стоимость, млн. руб. | |||
| водослива | ущерба от затопления в верхнем бьефе | обвалования в нижнем бьефе | суммарных затрат | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| 1 | 1,23 | 196,33 | 156 | 17 | 50 | 106,5 | 12,5 | 71,4 | 10,65 | 94,55 |
| 2 | 1,16 | 196,26 | 155 | 16 | 60 | 116,5 | 15 | 67,2 | 11,65 | 93,85 |
| 3 | 1,10 | 196,20 | 154 | 15 | 70 | 125,5 | 17,5 | 63 | 12,55 | 93,05 |
| 4 | 1,04 | 196,14 | 153 | 14 | 80 | 131,5 | 20 | 58,8 | 13,15 | 91,95 |
| 5 | 0,98 | 196,08 | 152 | 13 | 90 | 136,5 | 22,5 | 54,6 | 13,65 | 90,75 |
| 6 | 0,94 | 196,04 | 152 | 13 | 100 | 141,5 | 25 | 54,6 | 14,15 | 93,75 |
| 7 | 0,87 | 195,97 | 152 | 13 | 120 | 149,5 | 30 | 54,6 | 14,95 | 99,55 |
Рисунок 5 - График зависимости дополнительных затрат при регулировании максимальных расходов K=ƒ(qm)
Технико-экономические показатели регулирования стока
Единовременные капитальные вложения по гидроузлу с водохранилищем составляют:
К = Кс + Кк (20)
где Кс – капитальные вложения в строительство сооружений и устройств по регулированию стока, р; Кк – компенсационные затраты, то есть капитальные вложения по водохранилищу, предназначенные для компенсационного ущерба, вызванного созданием водохранилища, р.
Для предварительных расчетов принимают:
Кс = Спл*Wпл (21)
где Спл – стоимость 1 м3 земляной плотины со всеми устройствами по регулирования стока, р/м3; Wпл – объем земляной плотины, м3.
Для трапецеидального профиля долины реки приближенно объем плотины равен:
Wпл = 0,5(Lпл + lпл) * Hпл * (b + mср * S * Hпл) (22)
где b- ширина плотины по гребню, м; mср – среднее заложение откосов плотины;
(23)
Нпл – высота плотины, м;
Нпл = ▼Нпл - ▼Н0 (24)
Lпл и lпл – длина плотины поверху и понизу, м;
Lпл = lпл + 2mотк *Нпл (25)
S – коэффициент формы русла,
S = ƒ(
) (26)
В таблица 6 представлена зависимость между отношением и коэффициент формы русла.
Таблица 6 - Зависимость между отношением и коэффициент формы русла
| lпл/Lпл | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
| S | 0,67 | 0,73 | 0,78 | 0,82 | 0,86 | 0,89 | 0,92 | 0,94 | 0,96 | 0,98 | 1,0 |
Компенсационные затраты приближенно равны:
Кк = Ск * Ωз (27)
где Ск – удельные компенсационные затраты при затоплении 1-го км2 территории, млн.руб./км2; Ωз – площадь затопления, км2.
Ωз = Ωнпу - ΩHо+10 м (28)
Удельные стоимостные показатели:
а) стоимость 1м3 воды полного объема водохранилища:
С1 = 
, руб/м3 (29)
б) стоимость 1м3 воды полезного объема водохранилища:
С2 = 
, руб./м3 (30)
в) себестоимость подачи 1м3 воды из водохранилища:
руб/м3 (31)
где И – ежегодные издержки, руб.; u = 0,1К; u г – объем годовой отдачи, м3;
u г = W0*α (32)
(33)
Определяем основные показатели экономической эффективности многолетнего регулирование стока.
Капитальные вложения в строительство сооружений и устройств по регулированию стока:
Кс = Спл * Wпл (34)
где Спл = 480 руб/м3
Wпл = 0,5(Lпл + lпл) * Hпл * (b + mср * S * Hпл)
Расчет капитальных вложений в строительство сооружений и устройств по регулированию стока проводим в следующем порядке:
1. Ширина плотины по гребню b = 10м;
2. Среднее заложение откосов плотины
mср = (mв + mн)/2 = (4+3)/2 = 3,5;
3. Высота плотины Нпл = ▼Нпл - ▼Н0
▼Но = 180 м;
▼Нпл = ФПУ +0,5м = 196,1 + 0,5 = 196,6м
Нпл = 196,6 – 180 = 16,6м;
4. Длина плотины понизу lпл = 260м;
5. Длина плотины поверху
Lпл = lпл + 2mотк * Нпл = 260+2*4*16,6 = 398,2 м;
6. Коэффициент формы русла S = ƒ()
S = ƒ 
= ƒ(0,7) = 0.94
7. Объем земляной плотины
Wпл = 0,5 (392,8 + 260) * 16,6 *(10+3,5*0,94*16,6) = 350094,16м3
8. Капитальные вложения в строительство сооружений и устройств по регулированию стока:
Кс = 480*350 094,16 = 168045197 руб =168 млн.руб.
Компенсационные затраты:
Кк = Ск * Ωз
где Ск = 4,2 млн.руб./км2
Ωз = Ωнпу - Ωно+10м = 140-82=58км2
В итоге получаем:
Кк = 4,2 * 58 = 243,6 млн.руб.
Единовременные капитальные вложения равны:
К = Кс + Кк = 168 + 243,6 = 411,6 млн.руб.
Удельные стоимостные покупатели:
а)1м3 воды, задержанной в водохранилище:
С1= 
= 0,45 руб.;
б)1м3 воды в полезном объеме:
С2 = 
= 0,50 руб.;
в)себестоимость подачи воды из водохранилища:
Принимаем ориентировочно ежегодные отчисления на амортизацию и эксплуатационные расходы равным 10% общей стоимости гидроузла. Следовательно:
И = 0,1К = 0,1*411,6*106 = 41,16*106 руб.
С3 = 
= 0,05 руб.
Рисунок 6 - Схема к расчету объема земляной плотины
Заключение
1. В современном мире основным подходом для сохранения
окружающей среды являются экономические методы. В нашей стране делаются попытки создать действенные механизмы рационального природопользования, определенные успехи уже достигнуты, но эту работу нужно продолжать. Наиболее слабым звеном действующего механизма управления природопользованием является недостаточная экономическая заинтересованность предприятий в эффективном использовании природных ресурсов и охране окружающей среды. Практика функционирования предприятий показывает, что в настоящее время экономический ущерб от нерационального использования природных ресурсов непосредственно на конечных показателях их хозяйственной деятельности сказывается незначительно.
2. В настоящее время наблюдается заметное увеличение количества опасных природных и техногенных явлений, причем размеры связанных с ними катастроф постоянно растут. Под опасными природными и техногенными процессами понимаются ситуации, связанные с возникновением чрезвычайных ситуаций. Это объясняется ростом антропогенной нагрузки на природные объекты. Существенное влияние испытывает природная среда (Чернобыль, экологическая катастрофа Аральского моря и т.п.), что приводит к необходимости учета риска возникновения техногенных катастрофа.
3. Характеризуя природные опасности и угрозы, необходимо подчеркнуть следующее. На поверхности Земли и в прилегающих к ней слоях атмосферы идет развитие множества сложнейших физических, физико-химических и биохимических процессов, сопровождающихся обменом и взаимной трансформацией различных видов энергии. Источником энергии являются процессы реорганизации вещества, происходящие внутри Земли, физические и химические взаимодействия ее внешних оболочек и физических полей, а также гелиофизические воздействия. Эти процессы лежат в основе эволюции Земли, ее природной обстановки, являясь источником постоянных преобразований облика нашей планеты или ее геодинамики. Человек не в состоянии приостановить или изменить ход эволюционных трансформаций, он может только прогнозировать их развитие и в некоторых случаях оказывать влияние на их динамику.
4. Геодинамические и гелиофизические преобразования являются источником различных геологических и атмосферных процессов и явлений, широко развитых на Земле и в прилегающих к ее поверхности слоях атмосферы, создающих природную опасность для человека и окружающей среды. Наибольшее распространение имеют явления, связанные с эндогенными, гидрометеорологическими, экзогенными и геокриологическими процессами. К числу первых относятся различные тектонические явления, землетрясения и горные удары. Среди гидрометеорологических явлений наиболее широкое распространение имеют наводнения, ураганы, смерчи, тайфуны, сильные ливни, снегопады, морозы. Экзогенные явления связаны с гравитационными процессами (оползни, сели, обвалы, снежные лавины), действием поверхностных (эрозионные, абразионные) и подземных (карстовые, суффозионные, набухания, просадки) вод.
5. Среди природных опасностей наиболее разрушительными являются: наводнения, подтопления, эрозия, землетрясения, оползни, сели, карст, смерчи, сильные заморозки, различные мерзлотные явления. Ежегодно в России происходит 230-250 событий чрезвычайного характера, связанных с природными опасными явлениями. Основные потери при этом приносят: наводнения (около 30%); оползни, обвалы и лавины (21%); ураганы, смерчи и другие сильные ветры (14%); сели и переработка берегов водохранилищ и морей (3%). Последовательность процессов в порядке уменьшения экономического ущерба несколько иная: плоскостная и овражная эрозия (около 24% всех потерь), подтопление территорий (14%), наводнения и переработка берегов (13%), оползни и обвалы (11%), землетрясения (8%).
6. Во многих районов нашей страны периодические наводнения рек, приносят огромный ущерб населённым пунктам, сельскохозяйственным землям, объектом народного хозяйства и т.д. и поэтому борьба с наводнениями и защита от них является в этих районах одной из важнейших проблем. Проблема борьбы с наводнениями может разрешаться различными путями. Наиболее распространёны два из них. Первый заключается в регулирование стока половодья или паводка на самой площади водосбора на местах выпадения осадков. Наблюдения и расчёты показывают, что эти мероприятия, будучи выполнены на больших пространствах водосборной площади, оказывают заметное влияние на интенсивность паводка или половодья, значительно уменьшая её за счёт фильтрации и испарения воды, задерживаемой на водосборной площади. Второй подход включает в себя, непосредственно регулирование речного стока водохранилищами сезонного и многолетнего назначения.
В настоящей курсовой работе нами рассматривается второй подход, т.е. регулирование стока половодья или паводочного стока водохранилищами многолетнего регулирования.
7. Приведенная методика водохозяйственных расчетов для определения основных параметров водохранилища противопаводочного назначения и поиска определения оптимальных попусков в нижний бьеф, ширины водосливного фронта и объем форсировки, позволяет защитить территории, расположенные в нижнем бьефе водохранилища от затопления и подтопления. Следовательно, использование рассмотренного метода расчета позволяют наиболее полно отразить цель работы и решить поставленные задачи.
Библиографический список
1. Акимов В.А., Новиков В.Д., Радаев Н.Н. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации: опасности, угрозы, риски. М.: ФИД «Деловой экспресс», 2001. 344 с.
2. Акимова Т.А. Экология. Природа – Человек – Техника. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. 343 с.
3. Баринов А.В., Седнев В.А., Шевчук А.Б. и др. Опасные природные процессы: Учебник. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. 334 с.
4. Воробьев Ю. Л. Основы формирования и реализации государственной политики в области снижения рисков чрезвычайных ситуаций. М.: ФИД «Деловой экспресс», 2000. 248 с.
5. Горелова В. Л., Мельникова Е. Н. Основы прогнозирования систем. М.: Высшая школа, 1986. 287 с.
6. Добровольский С.Г., Истомина М.Н. Наводнения мира. М.: ГЕОС, 2006. 256 с.
7. Кондратьев К.Я., Донченко В.К. Экономика и геополитика. СПб.: РФФИ, 1999. 1039 с.
8. Мазур И.И., Иванов О.П. Опасные природные процессы. М.: Экономика, 2004. 702 с.
9. Нежиховский Р.А. «Наводнения на реках и озерах». Л.: Гидрометеоздат, 1988. 156 с.
10. Русин И.Н. Стихийные бедствия и возможности их прогноза. СПб.: Изд-во, РГГМИ, 2003. 140 с.
11. Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности. Санкт-Петерб. гос. университет, Физ. фак, Санкт-Петербург, 2010. 129 с.
12. Чернявская Н.М., Плескачева Т.Б. Оценка риска – необходимый фактор безопасного развития общества // Экономика природопользования. Москва, МГУ им. Ломоносова. 2008. № 5. С. 71-82.
13. Шебалин Н.В. Закономерности в природных катастрофах. М.: Знание, 1985. 48 с.
Методическое издание
Составители:
Исмайылов Габил Худушевич
