10.2.2.Уровненный режим

Уровенный режим определяется комплексом следующих условий:

а) соотношением между приходной и расходной частью водного баланса водохранилища

б) морфометрическими характеристиками котловины водохранилища;

в) размерами, формой, характером берегов и т. д.

Колебания уровня могут быть: сезонные, годовые, кратковременные.

В общем, динамика колебаний уровней воды в водохранилищах выражается графиком и характеризуется глубокой зимней сработкой и последующим наполнением.

10.2.3.Термический режим и ледовый режим

Нагревание и охлаждение водной массы водохранилищ происходит под воздействием составляющих теплового баланса, основными компонентами являются суммарная солнечная радиация. Составляющие S_ определяют по комплексу аксонометрических наблюдений по территории региона.

S_= (Q+ q)₀(1-r)C,

где Q- прямая солнечная радиация;

q - рассеянная солнечная радиация;

r - коэффициент отражения (альбедо);

С - эмпирический коэффициент.

Нагревание воды в водохранилищах зависит от физико-географических условий, продолжительности периода нагревания, объема водохранилища, от степени проточности, его глубины и от запасов тепла почво-грунтов ложа водохранилища и естественно от суммы положительных температур, а в зимний - от суммы отрицательных температур воздуха и толщины, площади ледового покрова, а также от высоты снежного покрова на льду, а также от теплозапасов водной массы основного притока.

Изучение температурного режима осуществляется:

1. Береговые наблюдения на гидропостах за температурой воды;

2. Гидрологические разрезы по водохранилищу по глубине на рейдовых вертикалях;

3. Термические съемки по акватории водохранилища вдоль и поперек по профилям;

4. Комплексные наблюдения на водоиспарительных плотах и площадках.

Характеристика процесса нагревания и охлаждения воды в водохранилищах происходит не одновременно по всей толще и по акватории водохранилища. Наиболее резкие изменения наблюдаются на поверхности водоема, откуда они под влиянием динамического и конвективного перемешивания, течений и волнения распространяются по всей толще воды.

П рямая температурная стратификация (1) характеризуется убыванием температуры воды от поверхности в глубину.

Обратная термическая стратификация – увеличение температур воды с глубиной (2).

О сенняя гомотермия (2) - явление постоянства температур по глубине наступает после нарушения прямой стратификации.

Весенняя гомотермия (постоянств) – (1); ТС – слой температурного скачка. Слой скачка в течение лета непостоянен и от весны к лету его горизонт углубляется и исчезает лишь к осени.

Слоем скачка вся толща воды разделяется на два слоя:

• в ерхний (эпилимнион) с малыми градиентами температур из-за интенсивного перемешивания;

• нижний (гиполимнион) малым градиентом температур, но с малым перемешиванием.

Графическое обобщение результатов наблюдений за температурой воды выполняется отдельно:

• по каждой гидрологической вертикали съемки вычерчивается график распределения температуры по глубине;

• по каждой термической съемке по всей акватории вычерчивается график распределения по всем створам и по пересечениям.

Средняя температура воды на рейдовых вертикалях определяется методом планиметрирования, как частное от деления площади эпюры на глубину рейдовой вертикали.

Средняя температура Q_ср по водохранилищу определяется планиметрированием площадей между изотермами на картограмме с последующим вычислением по формуле:

Q _ср= ,

где Q₁,Q₂,…Q_n - средняя температура воды между соседними изотермами;

f₁,f₂,…f_n – площади между соседними изотермами;

F – общая площадь водоема

(рис. 6.13).

Для расчета средней температуры воды за год (сезон) вычерчивается график термоизоплет на рейдовых вертикалях с хронологическими графиками температуры воды в поверхностном слое и у дна (рис.6.12).

Расчет теплозапаса водохранилища производится в следующем порядке:

1. по морфометрическим характеристикам водохранилище разделяется на участки;

2. для каждого участка водохранилища строится график распределения средних температур воды на дату термической съемки;

3. затем на расчетную дату (к примеру на первое число месяца) с данного графика снимается средняя температура водной массы каждого участка.

4. теплозапасы рассчитываются по формуле

 = Wct ,

где  – теплозапас (Дж);

W- объем водной массы (м³);

 - плотность в кг/м³( 1000кг/м³);

с - удельная теплоемкость Дж/кгс, для воды она равна 4,19.10³ Дж/кгс;

t – cр. температура водной массы (см. график 3).

Дальнейшие расчеты сводятся в специальные таблицы и результаты расчетов средних температур и средних значений теплозапасов используются для расчетов элементов водного баланса по водохранилищу, а также для прогнозов вскрытия и образования ледового покрова.

Наблюдения за ледовыми явлениями на водохранилищах имеют целью получить многолетние систематические данные о ледовых явлениях.

Эти сведения используются для транспорта, для обслуживания народного хозяйства, для разработки и совершенствования методов расчета и прогноза сроков и продолжительности ледовых фаз, для характеристики ледового режима водохранилища.

В ледовом режиме водохранилища различают три периода: замерзание, ледостав, вскрытие.

Данные фазы изучаются путем:

• визуальных и инструментальных наблюдений;

• маршрутных обследований с картированием ледовой обстановки;

• ледомерных съемок;

• авиаразведки ледовой обстановки.

Результаты наблюдений сводятся в таблицы, вычерчиваются картограммы, строятся графики динамики развития ледового покрова, которые необходимы при анализе гидрологических явлений.

10.3. Водный баланс водохранилищ

В основе водного баланса водохранилища лежит общий закон сохранения материи.

Водный баланс – главная гидрометеорологическая характеристика водохранилища, основа всех видов исследований по термическому, уровненному, ледовому, химическому и другим видам режимов.

Символично уравнение водного баланса записывается так:

,

где - сумма аккумулятивных компонентов баланса;

Н – невязка баланса.

Приходные компоненты водного баланса слагаются:

П=П₀+П_Б+Пп+О+Л¹,

где П₀- приток воды по основным рекам;

П_б – боковой приток с примыкающей площади бассейна;

П_п – приток подземных вод;

О – осадки, выпадающие на зеркало водохранилища;

Л¹ – объем воды во льду и покрывающем его снеге, при зимней сработке уровне, осевшем на берегах водохранилища и всплывшем весной при подъеме уровня.

Расходные компоненты водного баланса Р= С+З+И+Ф,

где С – сток (сброс) через замыкающий гидроузел, включая фильтрацию, утечку через гидросооружения (плотину, под плотину, и в обход плотины);

З – забор воды из водохранилища на орошение, водоснабжение, другие нужды;

И – потери воды на испарение с поверхности водохранилища;

Ф – фильтрация воды через борта водохранилища (с последующим уходом ее за пределы данного бассейна ), фильтрация под тело плотины (русловая фильтрация).

Аккумуляционные компоненты водного баланса

А=А_в+А_р+А_л,сн+А_п ,

где А_в - аккумуляция воды в чаше водохранилища;

А_р - аккумуляция в руслах и поймах впадающих рек в пределах зоны подпора ниже замыкающих створов;

А_п – подземная аккумуляция в грунтах прибрежной зоны водохранилища;

А_л,сн – аккумуляция во льду и покрывающем его снеге;

В практике оперируют компонентами баланса в трех размерностях, а именно:

а) приток и сток - в виде средних расходов (Q_при Q_ст) за интервал Т суток;

б) осадки и испарение (Х и Е) - в виде слоя воды;

в) аккумуляция - в объемных единицах.

Уравнение водного баланса в выражении слоя воды (мм) будет выглядеть так:

;

в выражении объема воды (млн.м³):

W_пр+ ;

в выражении среднего расхода (м³/с):

;

где W_пр,W_ст,W_нач,W_кон - в млн.м³;

и – в м³/с;

Т – в сутках ( );

X и Е – в мм (осадки и испарение);

- в км² (площадь).

При изучении водного баланса водохранилища следует стремиться к определению каждого компонента баланса в отдельности независимым путем по натуральным наблюдениям.

Но в жизни, на практике, некоторые компоненты приходится определять косвенным путем (X и Е, подземный приток, фильтрация), к тому же и натуральные наблюдения содержат ошибку, поэтому имеет место не сходимость баланса на некую величину, называемую невязкой.

Относительная величина невязки Н в процентах собственно равна % или .100% и принимается равной современной точности гидрометрических работ в

Далее для выполнения расчетов элементов водного баланса нам необходимо знать основные морфометрические характеристики водохранилищ, такие, как объем и площадь.

Исходной служит кривая площадей, а кривая объемов получается пересчетом.

Площадь водного зеркала определяется планиметрированием крупномасштабных топографических карт по горизонталям. При этом кривая объемов W (Z) , будет представлять собой связь уровня с объемом, заключенным между границей слоя, горизонталями и данным уровнем, т.е. она является интегральной кривой.

Построение кривой объемов сводится к последовательному суммированию частных объемов между двумя смежными изобатами или горизонталями – от самого низкого уровня до самого высокого. Первый объем от дна высчитывается по формуле усеченного параболойда:

W_0-1 = н_{0-1 ,}

а всех последующих – по формуле усеченной пирамиды:

W_1-2=

К ривая объемов W_h представляет собой линию с малой кривизной. Кривая же площадей иногда имеет неправильную форму переломов подошвы (ложа) водоемов Кривые площадей и объемов в водохранилище претерпевают со временем изменения из-за осаждения взвешенных и влекомых наносов, переработки берегов, оползней просадки грунта и пр. Поэтому кривые площадей и объемов водохранилища должны время от времени корректироваться и уточняться.

Несколько слов о характерных уровнях водохранилища. НПУ уровень, который может поддерживать длительное время при нормальных условиях работы гидросооружения. УМО, уровень, до которого возможна сработка водохранилища при нормальных условиях эксплуатация. Форсированный уровень - уровень, несколько превышающий НПУ в течение короткого периода времени (процесс половодий и паводков редкой повторяемости). Между УМО и НПУ находится рабочий или полезный объем водохранилища. На рисунке - схема характерных уровней и заиления водохранилища.

10.4. Определение среднего уровня воды в водохранилище

Средний уровень воды в водохранилище нужно знать для расчета площади водного зеркала и объема по общей кривой площадей и объемов.

В зависимости от типа водохранилища в плане – однотипное, озеровидное, каньонное или смешанного вида, в зависимости от наличия значительной денивеляции, сейшей, в зависимости от плотности и репрезентативности водомерных постов применяется четыре приема расчетов среднего уровня водохранилища.

Рассмотрим первый прием:

H_ср = , где h_1,h_2,h_n - наблюденные уровни воды по постам в абсолютных отметках; n- количество водомерных постов.

10.5. Определение объема и аккумуляции воды в водохранилищах

Существует два основных способа определения объема и аккумуляции воды в водохранилищах:

1. По среднему уровню и общей кривой объемов на конец и начало этого интервала:

;

Или в расходах воды:

;

где W_Q- аккумулированный расход в м/сек³;

Т- в сутках;

W_нач и W_кон – соответственно объемы начальные и конечные в млн.м³.

2. По уровням на отдельных водомерных постах и частным кривым объемов:

;

где - средняя площадь зеркала на изменение уровня за интервал .

Или в расходах:

;

где - в км²;

- в см.

Величина неточности в расчетах аккумулированного объема воды в водохранилище приобретает размеры грубой ошибки, если нет СУВ на ОП; если используются данные для расчета уровня за 08⁰⁰ и 20⁰⁰ часов; если используются наблюдения лишь по одному посту в верхнем бьефе у плотины, т.к. в утренние и вечерние часы, как правило, приходятся пики суточной нагрузки ГЭС и уровни в верхнем бьефе имеют «провал».

Чтобы устранить или, по крайней мере, уменьшить неточность вычисления аккумулированной воды, рекомендуется: а) установить СУВ по акватории водохранилища или б) установить дополнительные наблюдения в ноль часов и 6 -7 часов, когда расходная денивеляция – наименьшая в течение суток или в) ввести дополнительный 14 - часовой срок наблюдений или с) уровень на начало данных суток рассчитывать путем линейной интерполяции.

Установить несколько СУВ на ОП (по акватории водохранилища с учетом денивеляций) исключает выполнение пунктов б), в), с).

10.6. Расчет основного притока по стоку впадающих рек

Подсчет основного притока выполняется традиционным методом гидрометрии – по наблюденным уровням и кривой расходов Q(H), если гидроствор совмещен с входным створом.

На некоторых водохранилищах гидроствор находится выше зоны входного участка рек в водохранилища, и зоны перемещения входных створов смещаются на 100-150 км. В этом случае рекомендуется иметь створ внизу (на период паводка), а по мере приближения границ водохранилища к основному гидроствору переносить наблюдения в верхний створ. Это наилучший случай.

Если же вблизи входного створа не может оказаться места, пригодного для устройства створа из-за наличия рукавов, широкой поймы и пр., то необходимо вести расчет Q_пр с учетом времени добегания паводочной волны и с учетом бокового притока данной реки.

Расчеты выполняются индивидуально для каждого створа главных рек и соответственно общий приток в водохранилище рассчитывается по формуле:

Q = Q_кыз+Р_б r ;

где Q_кыз – есть f(H_кыз);

Р_б =11,73Q_эл+2,52Q_ус+2,99Q_кант+Q_хем;

r – расход пойменного регулирования (расчетный).

10.7. Расчет бокового притока

Боковой приток равен суммарному стоку воды, сформированного бассейнах непосредственно трансформированного в водохранилище (кроме стока основной реки – основного притока).

Вопрос об учете бокового притока – один из наиболее трудных. Основная причина: территориальная неоднородность поля стока из-за неравномерного выпадения атмосферных осадков, различий в рельефе, почво-грунтах, растительности, климатических и высотных зон и пр. При этом неизбежны ошибки. Здесь определяющим фактором является соотношение основного притока и бокового притока. Чем больше доля основного притока, тем меньше сказываются ошибки подсчета бокового притока.

При расчете бокового притока необходимо решить три основных взаимосвязанных вопроса:

• как разделить бассейн на части с однородными физико-географическими условиями (рис.1);

• как подобрать реки-аналоги из числа тех рек, на которых ведется учет стока;

• как по данным о стоке рек-аналогов вычислить боковой приток.

ОТВЕТ:

1. Выделение частных участков производят на картах, желательно крупного масштаба. Учитываются климатические, физико-географические, геологические и прочие факторы, в том числе, и экспозиция бассейнов. Размеры выделенных частей должны сообразовываться с размещением действующей гидрометрической сети, желательно располагая их в центре тяжести участков (рис.1).

2. Для выбора реки - аналога данного участка производится анализ имеющихся наблюдений по рекам и с учетом густоты гидрографической сети, очертаний гидрографов половодья, дружности и синхронности половодья, равнообеспеченностью значений слоев стока и максимальных расходов, отбирается репрезентативная река - аналог. Коэффициент стоковой приводки К_i = должен приближаться как можно ближе к единице, что показывает на достаточную тесноту связи.

3. Приемы вычислений бокового притока. Вычисляется Q_б через средний взвешенный модуль расхода М_ср.взв.с учетом площадей водосборов рек-аналогов.

т.е. расход Q_б равен произведению суммы расходов рек-аналогов на постоянный коэффициент , где - отношение площади всего бассейна F к сумме площадей рек-аналогов , (т.е. - это площадной коэффициент).

Данный метод имеет недостаток, особенно при расчетах среднесуточных расходов, т.к. из-за неодинаковых размеров бассейнов малых и средних рек создается неоднородность поля модулей расходов (площадные коэффициенты  имеют рассеянность от 1,1 10,0).

Второй прием заключается в подсчете бокового притока Q_б через средний арифметический модуль расходов рек - аналогов:

Q_б=М_срF=(Q₁+Q₂+…+Q_n)+M_ср ,

где ;

- площадной коэффициент;

Q и F – соответствие характеристик частных бассейнов, М_ср - средний модуль стока относится лишь к неосвещенной гидрометрическими створами площади бассейна.

Данный прием расчета используется при освещенности более половины территории бассейна гидростворами.

Расчет боковой приточности Q_б путем отнесения модуля расхода реки - аналога к тяготеющей площади:

где ₁ - площадной коэффициент;

F^(I) – площадь части бассейна, тяготеющей к гидроствору I участка;

F^(II) - то же, к гидроствору II и т.д., причем F^(I)+F^(II)…+F⁽ⁿ⁾ = F.

Данный прием расчета используется, в основном, за сравнительно большие интервалы времени (декада, месяц), когда сглаживаются индивидуальные особенности водного режима связанные с различием физико-географических условий их бассейнов и первостепенное значение приобретает факт неравномерного распределения стока по территории из-за неодинакового количества твердых и жидких атмосферных осадков.

В горных районах обычно довольно отчетливо выражена высотная поясность, и прием пространственного осреднения характеристик стока имеет свои особенности. Для переноса модуля расхода с одной реки на другую используются связи - средняя высота бассейна. Связи , если это возможно, лучше строить для каждого месяца или даже декады в отдельности.

Согласно этому приему, предварительно определяется общая площадь водосборов всех водотоков, впадающих в водохранилище, отдельно по диапазонам 0-500; 500-2000; 2000-5000 и 5000-10000 км².

Реки с F_i10000 км² рассматриваются в индивидуальном порядке. В сумме

Для каждого диапазона водотоков подбираются две - три реки - аналога соответствующих размеров, и тогда:

где М_ср0-500 – средний арифметический модуль расхода по рекам - аналогам с площадью водосбора 0F_i500 км²;

М_{ср 500-2000} – то же по площади соответствующих градаций.

Данный прием расчета обеспечивает заметное повышение точности подсчета бокового притока.

10.8. Метод подсчета притока воды в водохранилище

по уравнению водного баланса

Сущность метода подсчета притока основывается на том, что уравнение водного баланса водохранилища решается относительно искомой величины, т.е. полезный приток в водохранилище (поверхностный и подземный приток плюс осадки минус испарение), то:

,

где W_{кон -} W_нач = W_вдхр есть аккумуляция воды в чаше водохранилища.

В общем случае величина общей аккумуляции слагается:

,

где W_л.сн – аккумуляция воды в ледяном и снежном покрове;

W_подп – аккумуляция воды в зонах подпора впадающих рек;

W_гр – грунтовая аккумуляция воды в зоне берегового регулируемого стока.

Приемы определения составляющих водного баланса индивидуальны, требуют анализа и рассчитываются отдельно.

10.9. Учет стока воды через ГЭС

Через гидроузел производится сброс в нижний бьеф по турбинным трактам, водосливам, транспортным сооружениям (шлюзы, плотоходы), отверстиям специального назначения (рыбоходы, шугосбросы, промывные устройства и пр.).

Расход воды через турбины ГЭС определяется по данным о мощности (нагрузке), развиваемой агрегатом, и эксплуатационной расходной характеристики агрегата, т.е.

N = 9,81 QH, откуда Q= ,

где N- мощность (квт);

- к.п.д.;

Q – расход воды, м³/сек;

H – напор, м.

Самым удобным для подсчета стока является график функции Q=f(N,Н), называемой расходной характеристикой (рис.15).

Если на ГЭС турбины все серийного выпуска, функции Q=f(N,Н) будет одинаковой для всех агрегатов. В противном случае для каждого агрегата используется свой график.

Величина Н (рабочий напор есть разность между отметкой уровня воды верхнего бьефа ниже сороудерживающей решетки перед входом в спиральную камеру и отметкой уровня воды нижнего бьефа у выхода из отсасывающей трубы.

Мощность N определяется по выработке электроэнергии на основании показаний счетчиков активной энергии.

10.9. Расход воды через водосливные отверстия

Данный расход в зависимости от типа водосброса рассчитывается по формуле:

Q = K ,

где Н – напор под ребром водослива (рис.16);

К – постоянный коэффициент, зависящий от ширины водослива и степени бокового сжатия потока.

Для данных отверстий, работающих в напорном режиме:

Q = Кh ,

где H – напор под центром тяжести отверстия;

h – высота отверстия;

К – коэффициент, зависящий от ширины отверстия.

10.10. Средний суточный расход воды на шлюзование

Средний суточный расход воды на шлюзование равен:

(м/сек)

где m – число шлюзований;

- площадь водного зеркала одной шлюзовой камеры, м³;

Н – разность между отметками верхнего и нижнего бьефа, м (напор).

Суммарный расход воды на фильтрацию и утечку через сооружение слагается из трех составляющих:

1. Фильтрацию через плотину, под плотиной и в обход плотины.

2. Утечку через не плотности затворов и закрытых водосливных отверстий.

3. Утечку через не плотности направляющих аппаратов неработающих турбин.

Расход воды через специальные отверстия гидроузла в каждом конкретном случае рассчитывается по формулам гидравлики или натуральными измерениями.

10.11. Суммарный сток воды в нижнем бьефе гидроузла

В идеальном случае данный сток определяется с помощью гидроствора нижнего бьефа, состоящего из ВУП, НУП (для определения i – уклона водной поверхности), СУВ и натуральными измерениями расходов (промеры русла, определение Н_ср, V_ср, и т.д.). Строится связь Q = f(Н) - однозначная зависимость расходов от уровней.

Трудности в расчетах суммарного стока в нижнем бьефе возникают после нескольких лет эксплуатации ГЭС, т.к. ниже регулирующего сооружения русло реки находится в активной зоне русловых процессов.

Как правило, наблюдается размыв древнего русла, тальвег русла понижается, что требует учащенных топосъемок и промеров глубин поперечного сечения гидроствора, нередки изменения в векторе средней скорости течения реки, а это требует изменения положения гидроствора и соответственно объемного комплекса гидрологических, геодезических работ и, соответственно, построения новой связи Q = f(Н).

В реальном случае Замыкающий гидроствор удален от нижнего бьефа гидросооружения, в этом случае реально существуют боковые притоки, сток которых необходимо знать. Для этого организуют и проводят полный комплекс гидрологических работ на боковых притоках.

Суммарный сток Q_общ.=Q_гэс.-Q_бок. Отсюда Q_гэс=Q_общ.-Q_бок.

Чистый сброс через гидроузел можно рассчитать по характеристикам турбин и водосбросных сооружений.