Неравномерность распределения речного стока по территории, его внутригодовая и многолетняя изменчивость затрудняют удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства в необходимом количестве воды. Особенно остро это проявляется в маловодные годы и сезоны. Решение проблемы осуществляются за счет регулирования стока рек водохранилищами и прудами.
Водохранилище – это искусственный водоем, предназначенный для регулирования речного стока, т.е. перераспределения во времени, с целью его более эффективного использования для нужд народного хозяйства.
Крупные водохранилища имеют, как правило, комплексное (многоцелевое) назначение: гидроэнергетика, водоснабжение, водный транспорт, рекреация, защита от наводнений. Наиболее эффективное использование водных ресурсов обеспечивает каскад водохранилищ, работающих в единой системе.
Малые водохранилища и пруды используются для водообеспечения населения и отдельных отраслей промышленности или сельского хозяйства.
На земном шаре создано более 2500 крупных водохранилищ с объемом более 100 млн. км 3 каждое. Большинство из них расположено в Северной Америке (36% или около 900). В России таких водохранилищ примерно 100, самые крупные из них – Братское, Красноярское, Зейское.
Система водохранилищ на реке называется каскадом.
Водохранилища могут быть подразделены на типы по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.
По строению котловины водохранилища делятся на:
· речного типа или долинные, ложем является часть речной долины. Они отличаются вытянутой формой и увеличением глубин от верхней части к плотине.
· Озерного типа или котловинные, это подпруженные, т.е. зарегулированные, озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных от моря заливах, лиманах, а также в искусственных выемках.
По способу заполнения водой водохранилища делят на:
· Запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены
· Наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоема.
По географическому положению:
· Горные, сооружаемые на горных реках, обычно узкие и глубокие и имеют напор, т.е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины до 300 м и более
· Предгорные, имеют высоту напора 50-100 м
· Равнинные обычно широкие и мелкие, высота напора не более 30 м.
По характеру регулирования стока:
· Многолетнего регулирования (перераспределение стока между мало- и многоводными годами)
· Сезонного (перераспределение стока внутри года между мало- и многоводными сезонами)
· Недельного (перераспределение стока в течение недели)
· Суточного регулирования (перераспределение стока в течение суток)
Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.
Формы и размеры водохранилищ характеризуются теми же морфометрическими характеристиками, что и озера. Они также зависят от степени наполнения водоема и «привязываются» к определенному значению уровня воды, но, в отличие от озер, уровень воды в водохранилище регулируется и ход уровня определяется характером регулирования.
При проектировании водохранилищ для каждого из них устанавливаются (задаются) уровни, соответствующие определенным фазам гидрологического режима, так называемые проектные уровни.
· Нормальный подпорный уровень НПУ, уровень который достигается к концу периода наполнения в средний по водности год и может поддерживаться плотиной длительное время
· Форсированный подпорный уровень ФПУ, который возникает в редких случаях, например, во время высокого половодья или паводков, удерживается в течение короткого времени, превышает НПУ на 0,5-1 м
· Уровень сработки. К уровням сработки относятся: уровень ежедневной (диспетчерской) сработки, которая достигается при нормальной эксплуатации водохранилища; уровень наибольшей сработки, который достигается только в маловодные годы
· Уровень мертвого объема УМО, предельно возможное снижение уровня воды в водохранилище, сработка ниже которого невозможна. Объем водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мертвым объемом .
Объем, находящийся между УМО и НПУ, называют полезным объемом водохранилища ПО.
Сумма полезного и мертвого объемов дают полный объем или емкость водохранилища.
Объем, заключенный между НПУ и ФПУ, называют резервным объемом .
По морфометрическим особенностям котловины выделяют характерные участки:
ü Нижний – приплотинный (всегда глубоководный);
ü Средний – промежуточный (глубоководен только при высоких уровнях);
ü Верхний – мелководный (расположенный в пределах затопленного русла и поймы);
ü Участок выклинивания подпора.
Границы условны и зависят от амплитуды колебаний уровня
В маловодные, засушливые годы расход воды в реках уменьшается, а потребность в воде для орошения и коммунального водоснабжения возрастает. Уменьшение расхода воды влечет за собой снижение выработки электроэнергии на ГЭС, ухудшение условий водоснабжения, снижение качества воды и другие неблагоприятные последствия. Сезонные колебания стока рек характеризуются резким уменьшением расходов воды в реках зимой, когда потребность в электроэнергии обычно наибольшая; потребность в воде для промышленного водоснабжения зимой обычно не уменьшается. Летнее снижение расходов воды неблагоприятно для орошения, судоходства и других водопотребителей и водопользователей.
Для наиболее полного и экономичного использования водных ресурсов и приспособления режима водоотдачи к потребностям различных отраслей народного хозяйства производят регулирование стока водохр анилищами.
ТИПЫ ВОДОХРАНИЛИЩ
Озера являются естественными водохранилищами. В естественных условиях озеро регулирует сток без участия человека. Максимальный расход реки, вытекающей из озера, в несколько раз меньше, а минимальный намного больше суммарного притока от рек, впадающих в озеро. Если при подпоре озера плотиной повысить его уровень или произвести расчистку русла реки в ее истоке, либо осуществить оба эти мероприятия, то регулирующая способность озера возрастет и можно будет повысить сверх естественного минимальный расход реки, вытекающей из озера.
Чаще всего приходится создавать искусственные водохранилища. Для создания водохранилища в русле реки строят плотину, которая подпирает реку. При этом затапливается пойма и прилежащая территория. При проектировании и строительстве водохранилищ обязательно всесторонне изучить все положительные и отрицательные последствия сооружения водохранилищ. При их размещении необходимо всемерно уменьшать площадь затопления ценных сельскохозяйственных земель. На равнинных реках площадь затопления может оказаться весьма большой. Так, например, площадь Куйбышевского водохранилища на Волге составляет 6450 км 2. На реках равнинного типа вследствие малого уклона реки водохранилища получаются большой протяженности - до 200-300 км. При пологих берегах ширина водохранилища достигает иногда 40-50 км. На горных реках вследствие большого уклона реки и крутых берегов большой объем водохранилища может быть получен только, при большой высоте плотины, что, однако, не вызывает больших затоплений территории.
В гидроэнергетике различают водохранилища по их местоположению относительно данной гидроустановки:
1) верховые, расположенные на реке или ее притоках выше данной гидроэлектростанции;
2) собственные, т. е. образованные сооружениями, входящими в состав данной ГЭС;
3) низовые, расположенные ниже данной ГЭС.
ОБЪЕМ ВОДОХРАНИЛИЩА
Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называют тот наивысший уровень, на который по условиям устойчивости рассчитывается нормальная работа подпорных сооружений (рис. 3-1). НПУ может поддерживаться сколь угодно длительно.
Форсированным уровнем (ФПУ) называется уровень, который может допускаться на короткое время при пропуске исключительно больших паводков или половодий, имеющих вероятность ниже расчетной, которая была принята для нормальных условий эксплуатации.
Уровень наннизшей сработки (УС) водохранилища называют уровнем мертвого объема (УМО).
Объем воды в водохранилище между НПУ и УМО называют полезным или рабочим объемом. Объем воды ниже УМО обычно не используется для регулирования стока и его называют мертвым объемом.
Полный объем водохранилища при НПУ равен сумме полезного и мертвого объемов. Между отметками НПУ и ФПУ размещается резервный объем водохранилища, который используется для приема и трансформации половодий и паводков редкой повторяемости. Сумма рабочего, резервного и мертвого объемов дают полный объем водохранилища при ФПУ. Для определения объема водохранилища по топографическим планам местности планиметрируют площади между соответствующими горизонталями и створом плотины. По этим данным строится кривая площадей F = f(Z), показывающая зависимость площади зеркала водохранилища F от высотной отметки Z. Затем для каждого приращения отметок подсчитывается приращение объема А У и строится кривая зависимости V = f (Z), которая называется статической кривой объемов водохранилища (рис. 3-2). На равнинных реках с большими расходами строятся кривые свободной поверхности воды в водохранилище. Эти кривые подпора при одинаковом уровне воды у плотины будут иметь тем большую кривизну и тем более высокий уровень воды в конце кривой подпора, чем больше расход притока (рис. 3-3). В этих случаях получают кривую динамических объемов воды в водохранилище V = f (Z, Q).
В отдельных случаях учитывается, что пористые грунты берега и ложа водохранилища при подъеме уровня воды впитывают воду и отдают ее обратно при снижении уровня воды, что равносильно увеличению фактической емкости водохранилища.
Наибольший полный объем 205 км3 и наибольшую площадь зеркала 76 тыс. км2 имеет водохранилище Оуэн-Фолс, расположенное на территории Уганды, Кении и Танзании. Крупнейшим является водохранилище на р. Вольта (Гана), полный объем которого 148 и полезный объем 90 км3. По величине полезного объема на третьем месте в мире находится водохранилище Насер на р. Нил (Египет), созданное при технической помощи СССР. В табл. 3-1 приведены данные по крупнейшим водохранилищам СССР с полезным объемом более 10 км3.
ПОТЕРИ ВОДЫ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ
Потери воды из водохранилища происходят вследствие испарения, фильтрации и оседания льда на берегах при зимней сработке водохранилища. Для ГЭС оказывается «потерянной» также вода, забираемая из ее верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и т. п.
Испарение. С созданием водохранилищ увеличивается испарение. Полные потери испарения определяются произведением площади зеркала водохранилища Fв на толщину слоя испарившейся воды hB.
Как видно из табл. 3-2, удельные потери воды на дополнительное испарение в Средней Азии в 15 раз больше, чем на севере Европейской части СССР.
Из всех водохранилищ юга Европейской части СССР потери на дополнительное испарение из водохранилищ составляют в среднем более 10 км3 в год.
Фильтрация. Различают потери, воды вследствие фильтрации через тело плотины, под нею и в обход ее через толщу грунта и через неплотности затворов плотин и направляющих аппаратов турбин.
При сработке водохранилища в зимний период лед оседает на берегах. Весной лед тает и пополняет сток воды. Но для водохранилищ годичного регулирования пополнение стока весной обычно лишь увеличивает объем холостых сбросов через плотину. Таким образом, оседание льда на берегах представляет потери для энергетики.
Различают основные и специальные виды регулирования стока.
1. Основные виды регулирования
К основным видам регулирования стока относят многолетнее, годичное, недельное и суточное.
Многолетнее регулирование позволяет в маловодные годы увеличить расход воды и выработку электроэнергии гидростанциями за счет стока многоводных лет. При многолетнем регулировании водохранилище наполняется избыточным стоком многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных лет. В многолетнем регулировании заинтересованы все водопотребители и водопользователи, но для его осуществления требуется большой объем водохранилища.
Для глубокого многолетнего регулирования необходим полезный объем водохранилища, равный одному - двум среднегодовым стокам реки. Частичное многолетнее регулирование возможно уже при емкости водохранилища порядка 50 % среднегодового стока.
Годичное регулирование перераспределяет сток в течение года в соответствии с потребностями водопользователей и водопотре- бителей. В многоводные сезоны водохранилище наполняется, а в мало-водные- опорожняется. Цикл регулирования составляет один год. Потребный объем в процентах от среднегодового стока составляет от 3-10 % при частичном до 40-60 % при полном регулировании стока.
Для энергетики большое значение имеют недельное и особенно суточное регулирование, производимые в соответствии с недельными и суточными колебаниями нагрузки энергосистем.
Суточное регулирование при сравнительно постоянном притоке воды обеспечивает неравномерное потребление воды гидростанцией, следуя суточным колебаниям нагрузки энергосистемы. Необходимый объем бьефа или бассейна суточного регулирования определяется расчетом (см. § 5-2). Примерный объем составляет от 5 до 10 % от суточной, пропускной способности всех турбин ГЭС. Если на гидростанции проводится только суточное регулирование, то цикл регулирования составляет одни сутки и к концу суток уровень воды в бьефе или бассейне возвращается к исходному положению. При суточном регулировании ГЭС покрывает пики суточного графика нагрузки.
Недельное регулирование позволяет повысить мощность и выработку энергии ГЭС в рабочие дни за счет снижения используемого стока в выходные дни, когда нагрузка в энергосистеме снижается. Для недельного регулирования требуется объем водохранилища 50- 100% от суточной пропускной способности всех турбин ГЭС.
2. Специальные виды регулирования
К числу специальных видов регулирования относят:
а) Компенсирующее регулирование, которое может производиться верховым водохранилищем для того, чтобы компенсировать неравномерность притока с промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС. При малом притоке с промежуточного водосбора даются повышенные попуски из компенсирующего водохранилища и наоборот. Если при большом водохранилище имеется своя ГЭС, то можно проводить компенсирующее годичное и даже многолетнее регулирование выработки электроэнергии нескольких; ГЭС, расположенных на разных водотоках, но присоединенных к общей электрической сети. Так, водохранилище Братской ГЭС производит компенсирующее регулирование выработки энергии Енисейскими и Ангарскими гидростанциями.
б) Трансформация паводков и половодий. Если в водохранилище будет задержана пиковая часть паводка, то максимальный расход, пропускаемый через плотину, будет уменьшен. Это позволит уменьшить водосбросные сооружения гидроузла, уменьшить наводнения на реке ниже водохранилища и т. п.
в) Аварийное использование водохранилища. При аварии в энергосистеме гидростанция может быстро принять на себя дополнительную нагрузку и израсходовать из своего водохранилища специально предусмотренный запас или часть рабочего объема водо-хранилища. После ликвидации аварии дополнительно израсходованный объем восстанавливается путем снижения нагрузки ГЭС или за счет ближайшего половодья.
Лекция 9. Полезный объем водохранилища. Обоснование оптимальнойглубины сработки водохранилища.
9.1 Полезный объем водохранилища годичного регулирования
Основной задачей водохранилища годичного регулирования является увеличение количества энергии и мощности ГЭС в течение маловодного периода года за счет избыточной воды, задерживаемой в водохранилище во время паводка. Первый вопрос, который должен быть нами решен,- это вопрос о разделении всего объема водохранилища годичного регулирования на две части - полезный и мертвый объемы. Имея полный объем водохранилища, необходимо разделить его на эти два объема, т. е. решить вопрос об определении глубины сработки водохранилища или установить отметку УМО. При решении этой задачи мы будем считать, что отметка НПУ водохранилища известна и что водохранилище всегда может быть наполнено во время паводка, за исключением очень редких случаев при наступлении особо неблагоприятных гидрологических условий. Эти случаи пока не будем принимать во внимание.
Задача заключается в том, чтобы найти такую предельную глубину сработки водохранилища, при которой может быть получен наибольший энергетический эффект на ГЭС. Если мы приняли, что водохранилище может быть наполнено в каждом году, то здесь мы можем рассматривать период опорожнения водохранилища отдельно. Общее решение задачи можно получить следующим образом.
C увеличением опорожнения водохранилища увеличивается и количество энергии, которое получается за счет использования водохранилища. Эта энергия зависит только от того, до какой глубины будет сработано водохранилище, и практически не зависит от продолжительности времени, в течение которого производится опорожнение водохранилища, величины транзитного стока или других факторов.
Выработку ГЭС при наличии водохранилища можно представить состоящей из двух частей: выработки электроэнергии за счет транзитного стока реки, протекающего во время сработки водохранилища, и выработки за счет сработки водохранилища
Э ГЭС =Э В +Э ТР (11-2)
Количество транзитной энергии ГЭС зависит, конечно, от объема транзитного стока, т. е. от величины транзитных расходов воды и продолжительности периода опорожнения водохранилища. Но оно зависит также и от напора, т. е. от глубины сработки водохранилища. Наконец, оно зависит от режима сработки водохранилища. При быстрой сработке водохранилища в начале маловодного периода, как, например, показано на рис. 1.1, большая часть транзитного стока проходит при сравнительно малом напоре и потому дает небольшой энергетический эффект. Сработка же главным образом в конце маловодного сезона, показанная на рис. 1.2 , позволяет пропустить почти весь транзитный сток при большом напоре и, следовательно, получить от ГЭС большее количество энергии.
Рис. 1.1 Рис. 1.2
Пусть нам известна гидрологическая характеристика маловодного сезона, в течение которого производится опорожнение водохранилища. Задавшись каким-либо простым условным режимом работы ГЭС (например, при регулировании на постоянную величину расхода воды, пропускаемого через турбины ГЭС), мы можем определить количество энергии, которое вырабатывает ГЭС при различных отметках сработки к концу маловодного сезона. Результаты таких расчетов могут быть представлены графически в виде кривой зависимости транзитной энергии ГЭС от глубины сработки водохранилища, изображенной на рис.2
На этом же графике построена энергетическая характеристика водохранилища. Чем глубже срабатывается водохранилище, т. е. чем большим принимается его полезный объем, тем большее количество энергии получается от водохранилища и тем меньшей становится транзитная энергия. Уменьшение транзитной энергии объясняется уменьшением напора при углублении сработки водохранилища. Суммируя для различных глубин сработки энергию водохранилища и транзитную энергию, мы получим полную величину энергии ГЭС за весь период опорожнения водохранилища. Очевидно, что для данных гидрологических условий и для принятого режима регулирования та глубина сработки водохранилища, при которой ГЭС вырабатывает наибольшее количество энергии, оказывается наиболее выгодной. Дальнейшее углубление сработки водохранилища, хотя и увеличило бы его полезный объем и регулируемый расход, используемый ГЭС, но при этом напор уменьшился бы настолько, что полное количество энергии, вырабатываемой ГЭС, не увеличилось бы, а уменьшилось.
Если изменится характеристика транзитного стока за время опорожнения водохранилища, то кривая зависимости транзитной энергии от глубины сработки водохранилища получит другой вид и займет другое положение на графике. На рис. 2 пунктиром показаны такая кривая, полученная при уменьшенном транзитном стоке, и кривая полной энергии ГЭС для этого случая. Из приведенного графика видно, что в этом случае наиболее выгодная величина полезного объема водохранилища увеличивается. Это очень легко объясняется тем, что при уменьшении транзитного стока энергия водохранилища составляет большую часть всей энергии ГЭС. Отметим здесь, что изменение величины транзитного стока может происходить и при неизменной гидрологической характеристике, но при изменении продолжительности времени опорожнения водохранилища.
Если бы мы, не изменяя объема и распределения транзитного стока, приняли другой режим регулирования, то изменилась бы форма кривой зависимости транзитной энергии от глубины предельной сработки водохранилища к концу маловодного сезона. Вместе с тем изменилась бы и форма суммарной кривой полной энергии ГЭС. Следовательно, мы получили бы другую отметку наиболее выгодной сработки водохранилища. При значительном изменении режима регулирования во время опорожнения водохранилища изменение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища также может быть значительным. Из рис. 1.1 и 1.2 следует, что при раннем опорожнении водохранилища глубокая сработка его менее выгодна, чем при позднем опорожнении.
Выше было рассмотрено влияние различных условий на положение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища, имеющего определенную собственную характеристику. Но сравнивая между собой различные водохранилища, нетрудно убедиться, что предельная глубина их сработки при одинаковых прочих условиях зависит от вида их характеристик - объемных и энергетических. Для примера на рис. 3 построены объемные характеристики двух водохранилищ, имеющих одинаковый полный объем при одинаковой отметке НПУ. Из этого графика видно, что при отмеченной на чертеже глубине сработки полезный объем водохранилища А составляет большую часть всего его объема. Для водохранилища Б при той же глубине сработки полезный объем составляет лишь небольшую часть всего полного объема водохранилища. Дальнейшее углубление сработки заметно увеличивает его полезный объем и, следовательно, дает большой энергетический эффект, в то время как для водохранилища А углубление сработки лишь очень мало увеличивает регулируемый расход воды.
Для смешанной плотинно-деривационной схемы водно-энергетические расчеты для определения наиболее выгодной глубины сработки водохранилища производятся так же, так и для плотинной схемы. В этих расчетах должен, конечно, учитываться весь напор, как создаваемый плотиной, так и создаваемый деривацией. Понятно, что в плотинно-деривационной схеме полезный объем водохранилища составляет значительно большую часть всего его объема, а мертвый объем значительно меньшую, чем в плотинной схеме. Мертвый объем может быть ничтожно малым.
Из всего того, что было сказано выше, остановимся на одном очень важном положении. Для данного водохранилища наиболее выгодная глубина сработки зависит очень сильно от объема транзитного стока. Но в различные гидрологические годы объем транзитного стока в течение маловодного сезона, когда происходит опорожнение водохранилища, неодинаков. Следовательно, также неодинаковой должна быть и глубина сработки водохранилища в различные гидрологические годы.
Если бы мы имели возможность получать достаточно надежный прогноз режима естественного стока реки на предстоящий маловодный сезон, то предварительное определение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища в каждом отдельном году не представляло бы никаких принципиальных трудностей. Однако при отсутствии предварительного прогноза речного стока оно становится невозможным. Но если нельзя практически для каждого отдельного года устанавливать свою особую наиболее выгодную глубину сработки водохранилища, то это значит, что должна быть определена одна одинаковая для всех лет глубина предельной сработки водохранилища независимо от различия гидрологических характеристик во все эти годы.
Особо важное значение имеет использование водохранилища годичного регулирования для увеличения энергии и мощности ГЭС во время опорожнения водохранилища в маловодные годы. Поэтому определение предельной глубины сработки водохранилища должно производиться при малом объеме транзитного стока. В таком случае мы получим, как это видно из рис. 2 , большую глубину предельной сработки водохранилища, которую и будем считать одинаковой для всех гидрологических лет. При таком решении задачи в многоводные годы количество энергии, которую вырабатывает ГЭС, может оказаться несколько меньшим, чем наибольшее возможное. Но, как мы увидим в дальнейшем, потерянная таким образом энергия может быть если не полностью, то частично возмещена, если мы будем применять в различные гидрологические годы неодинаковый режим регулирования. Действительно, в многоводные годы нет необходимости также быстро опорожнять водохранилище в начале маловодного сезона, как в маловодные годы, так как большая величина транзитного стока позволяет ГЭС работать с необходимой для энергетической системы мощностью, не меньшей, чем гарантированная, забирая при этом из водохранилища лишь сравнительно небольшое количество воды. В конце же маловодного сезона, когда остается неиспользованной лишь небольшая часть транзитного стока, сработка водохранилища может быть быстро доведена до постоянной предельной отметки, в результате чего будет получена дополнительная энергия.
Хотя мы и пришли к выводу, что предельная глубина сработки должна определяться по маловодному году, но этот вывод еще нельзя считать полным, так как нам нужно еще решить, какой же именно год следует выбрать из числа маловодных в качестве расчетного. Выбор расчетного года не может быть, конечно, сделан произвольно, так как расчетный год должен отвечать определенным условиям, т. е. условиям наилучшего использования ГЭС в энергетической системе. Из двух основных требований, предъявляемых энергетической системой к ГЭС, в данном случае наибольшее значение имеет первое - достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы. Способы же для удовлетворения второго основного требования энергетической системы - наибольшего количества энергии, вырабатываемой ГЭС, будут рассмотреныв дальнейшем.
Принимая в качестве исходного условия для определения наиболее выгодной предельной глубины сработки водохранилища достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы, мы вместе с тем решаем вопрос о режиме опорожнения водохранилища, который мы ранее принимали условным. Так как наибольшая обеспеченность, как мы это установили ранее, достигается при работе ГЭС по гарантированному графику мощности, то отсюда следует, что режим регулирования во время опорожнения водохранилища должен соответствовать работе ГЭС по этому графику.
Если известен состав действующей энергетической системы, то гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС всегда может быть построен. Имея достаточно полную гидрологическую характеристику реки, мы можем произвести расчет регулирования за длительный ряд лет при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. В результате этого расчета будет получен график изменения уровня воды в водохранилище за все эти годы. На рис. 4 показаны совмещенные кривые изменения уровня воды в водохранилище за несколько лет, причем здесь выделены только те участки кривых, которые в настоящем случае представляют для нас интерес, т. е. относящиеся ко времени опорожнения водохранилища.
Чем маловоднее год, тем большее количество воды необходимо забирать из водохранилища для получения гарантированной мощности на ГЭС. Поэтому, чем маловоднее год, тем глубже срабатывается водохранилище. Однако в особо маловодные годы никакая самая глубокая сработка водохранилища не даст возможности для ГЭС работать по гарантированному графику в течение всего периода опорожнения водохранилища вследствие значительного уменьшения напора при глубокой сработке. Кривая изменения уровня воды в водохранилище для такого случая изображена па рис. 4 пунктиром. Очевидно, что в такие особо маловодные годы нельзя избежать нарушений нормальной работы энергетической системы. Поэтому мы все такие годы исключаем из дальнейшего рассмотрения.
Из числа оставшихся лет возьмем такой наиболее маловодный год, в котором глубина сработки водохранилища оказывается наибольшей. Если бы мы в этом году использовали водохранилище в меньшей степени, то ГЭС не могла бы работать по гарантированному графику вследствие недостатка воды. Более глубокая сработка водохранилища в этом году не требуется для получения гарантированной мощности и она не может дать дополнительной энергии, так как работа ГЭС с среднесуточной мощностью больше гарантированной привела бы к преждевременному опорожнению водохранилища и чрезмерному уменьшению напора ГЭС. Таким образом, мы приходим к выводу, что полученная нами глубина сработки является тем пределом, до которого может ежегодно опорожняться водохранилище годичного регулирования. Та часть всего объема водохранилища, которая заключена между отметкой предельной сработки и отметкой НПУ, представляет собой полезный объем водохранилища.
При определении предельной глубины сработки водохранилища описанным выше способом мы в качестве исходного условия приняли гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС. Но так как ГЭС, имеющая водохранилище годичного регулирования, одновременно ведет и суточное регулирование, то в часы суточного пика нагрузки энергетической системы она должна развивать мощность, большую, чем среднесуточная. При глубокой сработке водохранилища и значительном уменьшении напора располагаемая по напору мощность ГЭС может быть равной или даже большей гарантированной среднесуточной мощности. В таких случаях, несмотря на то, что ГЭС может работать по обеспеченному графику среднесуточной мощности, все же наступает нарушение нормальной работы энергетической системы. Следовательно, в этом случае предельная отметка сработки водохранилища годичного регулирования, до которой оно должно ежегодно опорожняться, должна лежать выше той, которая была нами определена ранее. По годовому графику гарантированной пиковой мощности ГЭС и по характеристикам установленных на ней турбин нетрудно определить, какой минимальный напор необходимо иметь и, следовательно, какой уровень воды в водохранилище должен поддерживаться на любую календарную дату за все время опорожнения водохранилища. Кривая зависимости необходимого минимального уровня воды в водохранилище от времени построена на рис. 5. На этом же графике нанесена кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. Из всех таких кривых на рис. 5 показаны только две. Одна из них, изображенная в виде сплошной линии, получена в таком гидрологическом году, когда сработка водохранилища к концу маловодного сезона как раз совпадает, как это видно из графика, с. допустимой сработкой по условию получения необходимой пиковой " мощности на ГЭС. Такая глубина сработки водохранилища и должна рассматриваться как предельная, т. е. как такая, до которой ежегодно опорожняется водохранилище. На этом же чертеже пунктиром изображена та кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени, которая ранее была принята для определения глубины сработки по среднесуточной мощности.
Наибольшая нагрузка энергетической системы, когда от ГЭС требуется участие в балансе мощности всей ее полной вытесняющей мощностью, в большинстве случаев не совпадает по времени с наибольшим опорожнением водохранилища. Годовой пик нагрузки энергетической системы обычно проходит в конце декабря и начале января, полное же опорожнение водохранилища происходит в конце маловодного сезона, т. е. весной, перед наступлением паводка. В связи с этим во время наиболее глубокой сработки водохранилища гарантированная пиковая мощность несколько меньше максимальной. Это позволяет увеличить сработку водохранилища к концу маловодного сезона. Такой случай изображен на рис. 5.
Для низконапорных ГЭС, у которых напор и располагаемая мощность ГЭС находятся в зависимости от колебаний уровня воды в нижнем бьефе, при определении предельной глубины сработки водохранилища следует учитывать неустановившийся характер движения воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. Большое, но кратковременное увеличение нагрузки ГЭС не оказывает значительного влияния на величину напора и, следовательно, располагаемой мощности ГЭС. Поэтому для низконапорных ГЭС пиковый режим рабочей мощности и регулирование частоты в энергетической системе представляются более выгодными, так как они позволяют несколько увеличить используемый такими ГЭС полезный объем водохранилища годичного регулирования, а вместе с тем и количество вырабатываемой ГЭС энергии.
Если в составе вытесняющей мощности ГЭС имеется резервная мощность, в частности, если на ГЭС установлен нагрузочный резерв энергетической системы, то его величина должна, конечно, учитываться при определении глубины сработки водохранилища годичного регулирования, допустимой по условию получения необходимой пиковой мощности на ГЭС.
Ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут быть вызваны и другими причинами, кроме той, которая отмечена выше и которая зависит от характеристик установленных на ГЭС турбин. Одной из таких дополнительных причин может быть заиление водохранилища наносами, заполняющими не только мертвый объем, определяемый по энергетическим условиям, но и часть полезного объема водохранилища. Другой пример ограничения глубины сработки водохранилища может встретиться в плотинно-деривационных схемах. Такой случай изображен на рис. 6.
Если плотина такой ГЭС достаточно высока, то водохранилище могло бы иметь очень большой полезный объем, если отметку предельной сработки определять на основании энергетических расчетов, изложенных выше. В этом случае напорный деривационный туннель должен был бы занять по высоте положение, показанное на чертеже пунктиром. Но тогда при большой длине туннеля и при большом уклоне внутреннее давление в его нижней части у соединения с турбинным трубопроводом оказалось бы чрезвычайно большим в то время, когда водохранилище наполнено до НПУ. Это требовало бы усиления и потому удорожания облицовки туннеля, что может оказаться экономически невыгодным. По этой причине для уменьшения внутреннего давления в туннеле его приходится располагать выше, как показано на чертеже сплошными линиями. Так как УМО в водохранилище должен быть выше водоприемных отверстий деривации, то это приводит к уменьшению полезного объема водохранилища.
Также, ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут вызываться условиями работы других потребителей воды.
Наконец, при выборе глубины сработки водохранилища следует учитывать оборудование, которое будет установлено на ГЭС. Не существует турбины одинаково хорошо работающей и при напоре в 100 м и 50 м. В общем случае, отношении минимального напора к предельному турбины для турбин РО - 0,6; для вертикальных ПЛ и ПЛД – 0,5; для горизонтальных ПЛ-0,35. Это значит, если разделить минимальный напор при выбранной глубине сработки на предельный напор предполагаемого оборудования, должно получиться число не меньше указанных. Например, если на напор на ГЭС при НПУ 110 м, то при установке турбины РО115 следует срабатывать водохранилище не ниже чем на 46 м, (115*0,6= 69м), меньше сработать можно (и для жестколопастных турбин чем меньше колебания напоров тем лучше), больше – нет.
9.2 Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища
Выше мы уже рассматривали энергетическую характеристику или кривую выработки электроэнергии за период опорожнения водохранилища в зависимости от глубины сработки водохранилища.
Для удобства восприятия полную энергию получали как сумму двух составляющий: энергии транзитного стока и энергии за счет сработки водохранилища.
Отмечалось, что величина Эсраб растет до определенного предела h о , после чего снижение напора не компенсируется увеличением используемого стока и полная выработка снижается.
Если изменится транзитный сток за период сработки водохранилища, то изменится и положение кривой. Пунктирная кривая соответствует меньшему значению за время сработки транзитного стока. Такое уменьшение может быть следствием как более низкой водности, так и сокращения периода сработки водохранилища. Новое положение заняла и кривая суммарной энергии ГЭС. Максимум выработки в этом случае соответствует другой глубине сработки h о1 .
Аналогичный характер имеет и кривая полной годовой выработки электроэнергии ГЭС на рис. 7
Однако из сопоставления двух упомянутых кривых видно, что максимальная годовая выработка наступает при меньшей конечной глубине сработки, чем выработка за период опорожнения водохранилища. Обусловлено это тем, что в период наполнения водохранилища выработка уменьшается за счет снижения и напора, и расхода.
На рис. 7пунктирными кривыми показана выработка ГЭС с учетом дополнительной выработки на других ГЭС каскада. С учетом эффекта на нижележащих станциях каскада глубина сработки, обеспечивающая максимальную выработку, получается большей.
Итак, каждому сочетанию исходных условий (транзитный сток, режим и длительность сработки, схема каскада и т. д.) соответствует своя глубина сработки водохранилища, при которой будут иметь место максимальные значения обеспеченной годовой выработки электроэнергии ГЭС.
Однако эта глубина сработки не может быть принята окончательно в качестве оптимальной. Анализ представленных выше графиков дает лишь зону, в пределах которой следует искать оптимальную глубину сработки водохранилища. Для обоснования ее кроме изменения энергетических показателей приходится учитывать и другие последствия сработки водохранилища.
Наряду с увеличением выработки, обеспеченной и установленной мощности возрастание полезного объема приводит к росту затрат. Так, более глубокая конечная сработка водохранилища связана с большим заглублением водозабора и удорожанием затворов и гидротехнических сооружений. Увеличение установленной мощности проектируемой ГЭС также связано с дополнительными капитальными вложениями и издержками.. Это затраты на расширение здания ГЭС, увеличение суммарной мощности генераторов, электрическую часть, турбинное оборудование и т. д.
Дополнительные затраты по турбинному оборудованию вызваны увеличением диаметра колеса или числа турбин. Оба мероприятия используются для увеличения установленной мощности и компенсации снижения располагаемой мощности турбин при снижении расчетного напора из-за более глубокой сработки водохранилища. При каскадной схеме использования водотока увеличение полезного объема водохранилища проектируемой ГЭС может привести к целесообразности увеличения установленной мощности на нижних ГЭС каскада. Это также связано с дополнительными капиталовложениями и издержками.
Наконец, при комплексном использовании водотока могут потребоваться дополнительные капиталовложения и издержки по сопутствующим мероприятиям. Таким образом, дополнительные капиталовложения, вызванные увеличением глубины сработки водохранилища при переходе от одного варианта к другому, представляют собой сумму
Аналогично определяются дополнительные издержки и приведенные затраты. Все экономические показатели используются в расчетах с учетом фактора времени. Соответственно для варианта проектируемой ГЭС рассчитываются заменяющие варианты, для которых также определяются изменения капиталовложений, издержек и затрат при последовательном переходе от предыдущего варианта к последующему.
В общем случае затраты по заменяемым вариантам или их изменения А3 зам представляют собой сумму затрат (или приращений) по заменяемым электростанциям, топливу и сопутствующим мероприятиям
Знак минус при втором слагаемом может иметь место при переходе между вариантами в зоне от /г 0Г од До ha (рис. 7), т. е. когда при увеличении глубины сработки мощность продолжает увеличиваться, а годовая выработка уже начинает снижаться.
Однако надо иметь в виду, что уменьшение выработки не всегда тождественно уменьшению экономии топлива. Дело в том, что удельная экономия топлива Ь ш в разные сезоны года различна, в частности, зимой, выше, чем в весенне-летний период. Поэтому при увеличении выработки в период сработки водохранилища (зимой) и уменьшении ее в период наполнения водохранилищ, несмотря на общее уменьшение годовой выработки, суммарная экономия топлива может не снижаться, а возрастать. Для правильной оценки этой составляющей затрат, очевидно, необходимо расчеты по определению экономии топлива производить раздельно по сезонам.
Все показатели по заменяемым вариантам должны определяться соответственно полному эффекту на проектируемой ГЭС и других ГЭС каскада с учетом разновременности получения и использования его.
Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища производится по одному из следующих условий:
по равенству приращения затрат при изменении глубины сработки на величину Δh
по равенству срока окупаемости дополнительных капиталовложений нормативной величины при увеличtнии сработки на Δh
При проектировании гидроузлов с водохранилищами многолетнего регулирования необходимо дополнительно проводить расчеты по определению сроков первоначального его наполнения и режима выхода ГЭС на проектную энергоотдачу.
— искусственные водоемы, созданные, как правило, в долинах рек для накопления и хранения воды с целью использования в народном хозяйстве.
Водохранилища имеют черты сходства с и : с первым — по внешнему виду и замедленному водообмену, со второй — по поступательному характеру движения вод. При этом у них есть и свои отличительные особенности:
- водохранилища испытывают значительно большие, чем реки и озера, колебания уровня воды в течение года, которые связаны с искусственным регулированием стока — накоплением и сбросом вод;
- поточность вод приводит к меньшему нагреву воды, чем в озерах;
- мелкие водохранилища замерзают раньше, а крупные — позже, чем реки, но и те и другие вскрываются позже рек;
- минерализация вод водохранилищ больше, чем реки, и др.
Первые водохранилища, служившие для орошения полей, люди стали сооружать еще до нашей эры в долинах Нила, Тигра и Евфрата, Инда, Янцзы и др. В Средние века водохранилища были уже не только в Азии и Африке, но и в Европе и Америке. В Новое время водохранилища стали использовать не только для орошения, но и для промышленного водоснабжения и для развития речного транспорта. В новейшее время еше одной функцией водохранилищ стало получение электроэнергии.
Огромное количество водохранилищ было построено после . С того времени и до сегодняшнего дня их количество во всем мире возросло в пять раз. Именно в этот период были созданы самые крупные водохранилища мира. Пик создания водохранилищ в большинстве регионов мира пришелся на 1960-е гг., а затем начался постепенный спад.
В настоящее время на земном шаре эксплуатируется более 60 тыс. водохранилищ.
Основными параметрами водохранилищ являются площадь зеркала, объем воды, глубина и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.
Площадь водного зеркала всех водохранилищ мира составляет 400 тыс. км 2 . Самым большим по площади зеркала считается водохранилище Виктория (Оуэн-Фоле) в Восточной Африке (Уганда). В его состав включается и озеро Виктория (68 000 км 2), уровень которого поднялся на 3 м в результате сооружения в 1954 г. плотины Оуэн-Фоле на реке Виктория-Нил. Второе место занимает водохранилище Вольта, расположенное в Республике Гана (Западная Африка). Его площадь зеркала составляет 8482 км 2 .
Длина некоторых наиболее крупных водохранилищ достигает 500 км, ширина — 60 км, максимальная глубина — 300 м. Самое глубокое водохранилище мира — Боулдер-Дам на р. Колорадо (средняя глубина 61 м).
Полный объем водохранилищ мира составляет 6600 км 3 , а полезный, т. е. пригодный для использования, — 3000 км 95 % воды водохранилищ приходится на водохранилища объемом более 0,1 км 3 . Самым большим водохранилищем по объему воды является также водохранилище Виктория (204,8 км 3). Братское водохранилище, расположенное на реке Ангара, следует за ним (169,3 км 3).
По объему воды и по площади водного зеркала водохранилища подразделяются на крупнейшие, очень крупные, крупные, средние, небольшие и малые.
Крупнейшие водохранилища имеют полный объем воды более 500 км 3 . Всего их 15. Они есть во всех регионах мира, кроме Австралии.
По своему генезису водохранилища подразделяются на долинно-речные, озерные, располагающиеся у выходов подземных вод, в эстуариях рек.
Для водохранилищ озерного типа (например. Рыбинское) характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Долинно-речные водохранилища (например, Дубоссарское) имеют вытянутую форму, течения в них, как правило, стоковые; водная масса по своим характеристикам близка к речным водам.
Назначение водохранилищ
По конкретному назначению воды водохранилища могут использоваться для орошения, водоснабжения, получения гидроэнергии, судоходства, рекреации и т. д. Причем они могут быть созданы для единой цели или для комплекса целей.
Более 40 % водохранилищ сосредоточены в умеренном поясе Северного полушария, где находится большинство экономически развитых стран. Значительное число водохранилищ расположено и в субтропическом поясе, где их создание связано прежде всего с необходимостью орошения земель. В пределах тропического, субэкваториального и экваториального поясов количество водохранилищ относительно невелико, но поскольку среди них преобладают крупные и крупнейшие, их доля в полном объеме всех водохранилищ составляет более 1/3.
Хозяйственное значение водохранилищ велико. Они регулируют сток, уменьшая наводнения и поддерживая необходимый уровень рек в течение остального времени года. Благодаря каскаду водохранилищ на реках создаются единые глубоководные транспортные магистрали. Водохранилища — зоны отдыха, рыболовства, рыбоводства, разведения водоплавающей птицы.
Но наряду с положительным значением водохранилища вызывают нежелательные, но неизбежные последствия: затопление земель выше плотины, прежде всего богатых пойменных лугов; подтопление и даже заболачивание земель выше плотины в зоне влияния водохранилищ из-за повышения уровня грунтовых вод; осушение земель ниже плотины; ухудшение качества воды в водохранилищах из-за снижения самоочищающей способности и избыточного развития сине-зеленых водорослей; плотины водохранилищ препятствуют нересту рыбы, причиняя ущерб рыболовству, и т. д.
При этом строительство водохранилищ наносит природе непоправимый вред: затопление и подтопление плодородных земель, заболачивание прилегающих территорий, переработка берегов, обезвоживание пойменных угодий, изменение микроклимата, в реках прерываются генетические миграционные пути рыб и др. Кроме этого, их сооружение в равнинной местности связано вырубкой лесов и необходимостью переселения многих тысяч людей. Конечно же, речь здесь в большей степени идет о крупных водохранилищах.
Полезный объем Wплз. нетто водохранилища уточняем, имея потерю воды из водохранилища на испарение, фильтрацию и льдообразование. Для этого предварительно определяем полный объем водохранилища Wср в каждом месяце и площадь щср.
Так, полный объем водохранилища
W = Wплз. нетто + Wмо,
где Wмо - мертвый объем водохранилища.
В связи с тем, что данные о мутности воды в задании отсутствуют, мертвый объем вычисляем ориентировочно. Допустим, что
Wмо? 0.1· Wплз. = 0.1·7.484 = 0.7484 млн. м3.
Значения полного объема записываем в графу 2 табл.3.
Затем определяем средние за месяц объемы водохранилища Wср, с которым с помощью топографических характеристик находим площадь зеркала щ.
Потери на испарение вычисляем за каждый месяц по формуле
где hи - слой испарения.
Результаты вычислений заносим в графу 6 табл.3.
Потери на фильтрацию Wф в каждом месяце находим по формуле
Wф = щi·kф·ni,
где kф = 0.003 м/сут,
ni - число дней в месяце.
Результаты заносим в графу 7 табл.3.
Потери на льдообразование
Wл = 0.9·kл· hл·(щн - щк),
где 0.9 - относительный вес льда;
kл - коэффициент постепенного нарастания толщины ледяного покрова, равный примерно 0.65;
hл - среднемноголетняя толщина льда к концу ледостава;
щн и щк - площадь зеркала водохранилища в начале и конце ледостава.
Распределяем объем потерь Wл на зимние месяцы (графа 8 табл.3), а затем находим сумму потерь воды (графа 9 табл.3).
С учетом этих потерь избытки уменьшатся, а недостатки увеличатся (графы 11 и 12 табл.3), поэтому полезный объем брутто составит
Wбр = 9.578 млн. м3.
Сброс соответственно уменьшится: 16.348 млн. м3
Тогда полный объем водохранилища составит
Wполн = Wмо + Wфр + Wфр = 0.7484 + 9.578 + 0 = 10.326 млн. м3.
Характерные уровни и емкости водохранилища
Основными характеристиками водохранилищ являются:
нормальный подпорный уровень НПУ, м;
уровень мёртвого объема УМО, м;
катастрофический подпорный уровень КПУ, м;
полный объем водохранилища W, млн. м3 или км3;
полезный объем водохранилища Wплз, млн. м3 или км3;
мертвый объем водохранилища Wмо, млн. м3 или км3;
объем форсировки водохранилища Wфс, млн. м3 или км3;
коэффициент емкости водохранилища в= Wплз/Wо,
где Wо - средний многолетний сток.
НПУ - уровень воды, до которого водохранилище заполняется в нормальных условиях.
Полный объем водохранилища W - объм, заключенный между дном чаши водохранилища и зеркалом воды на отметке НПУ. Полный объем W не целиком используется для регулирования стока. Нижняя часть водохранилища, предназначенная для поддержания минимальных уровней воды и осаждения в ней наносов, называется мертвым объемом Wмо и сработке не подлежит.
Объем водохранилища, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и УМО, называется полезным объемом -- Wплз. В периоды многоводья он заполняется, а в периоды маловодья опорожняется. Объем, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и КПУ, называется объемом форсировки. КПУ -- катастрофически подпертый уровень в период пропуска через гидроузел исключительно многоводных половодий или паводков. Объем, форсировки Wфс служит для уменьшения величины сбросных расходов через гидроузел.
Рисунок 2. Основные элементы водохранилища
Образование водохранилища вызывает изменения в режиме водотока. В верхнем бьефе эти изменения в основном сводятся к следующему:
повышаются уровни воды и увеличиваются глубины, чтосвязано с затоплением территории в пределах чаши водохранилища;
уменьшаются скорости течения, в результате чего происходит выпадение значительной части осадков;
увеличивается водное зеркало, в связи с чем происходит увеличение испарения, что ведет к повышению солености воды в водохранилище.
В нижнем бьефе происходят такие изменения: уменьшаются половодные и паводковые расходы и увеличиваются меженние; и происходит размыв русла ниже гидроузла. Кроме указанных изменений в водотоке в верхнем бьефе происходят следующие: затопление территории в пределах чаши водохранилища; подтопление прилегающих к водохранилищу земель и обрушение берегов водохранилища под воздействием волн.
Кроме постоянного затопления земель, занятых водохранилищем в пределах НПУ, хозяйственное использование которых невозможно, наблюдаются временные затопления территории выше НПУ во время катастрофических половодий и паводков, от нагона воды ветром на берега и от подъема уровней воды при заторах и зажорах. Хозяйственное использование временно затопляемых земель возможно. При подтоплении происходит подъем грунтовых вод, что резко ухудшает условия хозяйственного использования земель и требует осушительных мероприятий.
Характерные уровни воды и их отметки находим, используя топографические характеристики водохранилища:
НПУ, соответствующий наполнению Wполн = 10.326 млн. м3, на отметке НПУ = 131.8 м плотины равен
НПУ = НПУ - ПП = 131.8 - 120.0 = 11.8 м;
Уровень мертвого объема на отметке УМО = 121.2 м равен
УМО = УМО - ПП = 121.2 - 120.0 = 1.2 м;
Форсированный подпорный уровень ФПУ равен
ФПУ = НПУ + 2.0 = 13.8 м,
где ПП - отметка подошвы плотины.
