Методика расчета трансформации максимального стока водохранилищами

    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 W_п  - объем паводка; V_ф – объем форсировки.

W_п =  Q_max  T; T = t_п + t_сп

При схематизации гидрографа по трапеции (б) расчетные формулы имеют вид:

 )                                    (8)

                                                   (9)

где W _п =  Q_max (T + t₂),  

 

В данной работе расчетный гидрограф паводка треугольный:

1.Расчетный максимальный расход воды Q_max = 290м³/с

2.Продолжительность подъема паводка t_п = 8 суток

3.Продолжительность спада паводка t_сп = 16 суток

4.Коэффициент расхода водослива m = 0,35

5.Сбросное сооружение – водосливная плотина. Порог водослива находится на отметке НПУ.

Общая продолжительность паводка:

T = t_п + t_сп = 24 суток

НПУ = 195,1 м

W_п =  Q_max T = *0,0864*Q_maxT_сут =  * 0,0864 * 290 * 24 = 300 млн.м³

 

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Задаемся значениями слоев форсировки h_фi: h_ф1 = 0,5м, h_ф2 = 0,7м, h_ф3 = 0,9м, h_ф4 = 1,1м, h_ф5 = 1,3м.

2. Определяем значение ФПУ, соответствующее заданными значениями слоев форсировки: ФПУ_i = НПУ + h_фi.

3. Определяем по кривой объемов максимальные объемы воды в водохранилище V_mi, соответствующие значениям ФПУ: V_mi = f(ФПУ_i).

4. Для каждого значения слоя форсировки h_фi определяем объем форсировки V_фi: V_фi = V_mi - V_нпу.

5. Определяем по формуле Д.И. Кочерина значение максимальных сбросных расходов g_m при принятых значениях слоев форсировки.

6. По данным таблицы 4 строим кривую сбросных расходов q_max = f(h_ф).

7. Пользуясь формулой водослива с широким порогом, определяем значение сбросных расходов, которые может пропустить водосливная плотина:

q_max = 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:

К_g = К_в + К_з + К_обв                                        (11)

где К_в – стоимость водосборного сооружения (водослива); К_з – компенсация ущерба от затопления земель при форсировке уровня воды; К_обв – затраты на строительство дамбы обвалования в нижнем бьефе.

Стоимость водосборного сооружения (водосливной плотины):

К_в = С_вb_в                                                        (12)

где С_в – стоимость 1 погонного метра водосливной плотины, млн.руб./пог.м; b_в – ширина водослива, м.

Компенсация ущерба от затопления земель:

К_з = С_з*Ω_з                                                      (13)

где С_з – удельные компенсационные затраты при затоплении 1-го км² территории, млн.руб./км²; Ω_з – площадь затопления сверх НПУ, км².

Ω_з = Ω_фпу - Ω_нпу                                             (14)

Затраты на строительство дамб обвалования в нижнем бьефе:

К_обв = С_обв*q_max                                                                                  (15)

где С_обв – стоимость обвалования при сбросных расходах 1 м³ в секунду, млн.руб./(м³/с).

9. Слой форсировки h_ф и соответствующие ему значения q_max и b_b определяем с помощью графика сбросных расходов для точек пересечения кривых q_max = f(h_ф) и q_max = f(h_ф,b) (рисунок 4).

10. По данным колонок 7 и 11 таблицы 4 строим график зависимости К=f(q_m) и для точки, соответствующий минимальному значению К, определим значение максимального расхода q_max,э, отвечающему минимуму затрат.

11. Затем с помощью кривой q_max,э = f(h_ф) находим соответствующий полученному значению q_max,э слой форсировки h_ф,э.

Для принятого по технико-экономическим соображениям слоя форсировки h_ф,э определяем (уточняем ширину водослива):

                                       (16)

12. Форсирование подпорного уровня:

ФПУ = НПУ + h_ф,э                                        (17)

V_max = f(ФПУ)                                          (18)

V_ф = V_max - V_нпу                                             (19)

Минимальному значению К_min = 90,75 млн.руб. соответствует значение максимального расхода q_max,э = 136,5 м³/с.

С помощью кривой q_max = f(h_ф,э) находим соответствующий полученному значению q_max,э = 136,5 м³/с слой форсировки h_фэ = 0,985 м.

Уточняем ширину водослива:

b_в = = 90,1 м.

Формирование подпорного уровня:

ФПУ = 195,1+0,985=196,1 м

V_max = f(ФПУ) = f(196,1) = 1080 млн.м³

V_ф = V_max – V_нпу = 1080-920=160 млн.м³

q_max = Q_max (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  *hф3/2, м3/с
						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

 

 

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(q_m) (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(q_m)

Технико-экономические показатели регулирования стока

Единовременные капитальные вложения по гидроузлу с водохранилищем составляют:

К = К_с + К_к                                           (20)

где К_с – капитальные вложения в строительство сооружений и устройств по регулированию стока, р; К_к – компенсационные затраты, то есть капитальные вложения по водохранилищу, предназначенные для компенсационного ущерба, вызванного созданием водохранилища, р.

Для предварительных расчетов принимают:

К_с = С_пл*W_пл                                        (21)

где С_пл – стоимость 1 м³ земляной плотины со всеми устройствами по регулирования стока, р/м³; W_пл – объем земляной плотины, м³.

Для трапецеидального профиля долины реки приближенно объем плотины равен:

W_пл = 0,5(L_пл + l_пл) * H_пл * (b + m_ср * S * H_пл)        (22)

где b- ширина плотины по гребню, м; m_ср – среднее заложение откосов плотины;

                                       (23)

Н_пл – высота плотины, м;

Н_пл = _▼Н_пл - _▼Н₀                                  (24)

L_пл и l_пл – длина плотины поверху и понизу, м;

L_пл = lпл + 2m_отк *Н_пл                          (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:

                                   К_к = С_к * Ω_з                                                      (27)

где С_к – удельные компенсационные затраты при затоплении 1-го км² территории, млн.руб./км²; Ω_з – площадь затопления, км².

                                 Ω_з = Ω_нпу - Ω_{Hо+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:

                                          К_с = С_пл * W_пл                              (34)

где С_пл = 480 руб/м³

                 W_пл = 0,5(L_пл + l_пл) * H_пл * (b + m_ср * S * H_пл)

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

m_ср = (m_в + m_н)/2 = (4+3)/2 = 3,5;

3. Высота плотины Н_пл = _▼Н_пл - _▼Н₀

_▼Н_о = 180 м;

_▼Н_пл = ФПУ +0,5м = 196,1 + 0,5 = 196,6м

Н_пл = 196,6 – 180 = 16,6м;

4. Длина плотины понизу  l_пл = 260м;

5. Длина плотины поверху

L_пл = l_пл + 2m_отк * Н_пл = 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

W_пл = 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:  

К_с = 480*350 094,16 = 168045197 руб =168 млн.руб.

 

Компенсационные затраты:

К_к = С_к * Ω_з

где С_к = 4,2 млн.руб./км²

Ω_з = Ω_нпу - Ω_но+10м = 140-82=58км²

В итоге получаем:

К_к = 4,2 * 58 = 243,6 млн.руб.

Единовременные капитальные вложения равны:

К = К_с + К_к = 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