Циркуляция воды в руслах рек

В руслах рек существует три вида течения: верховое, сходящееся, клинообразное и низовое, расходящееся.

Классическая форма циркуляции на прямых участках имеет вид (рис.17).

Причиной этого явления является то, что более быстрое фарваторное течение «втягивает» воду от берегов, создавая зону повышенного уровня воды на середине реки. Исходя из уравнения неразрывности потока, на фарваторе вода перемещается в глубину, а потом к берегам. В результате формируется т.н. винтообразное течение с двумя зонами циркуляции.

На закруглениях реки форваторное течение прижимается к вогнутому берегу и две формы циркуляции течения вырождаются в одну (рис. 18).

Природа циркуляционных течений объясняется действием центробежной силы, силы тяжести, а также силы Кариолиса.

Эпюры скоростей и центробежной силы будут аналогичны, различие будет в величинах, т.к. центробежной сила зависит от квадрата скоростей. Силы избыточного давления, возникающие за счет поперечного уклона, распределяются одинаково по глубине. В итоге результирующая сила в верхних слоях будет направлена к вогнутому берегу, а в нижних слоях – к выпуклому берегу. Это вызывает поперечную циркуляцию воды в русле.

Оценим, насколько поднимется уровень воды у вогнутого берега, если R =100 м, В – 50 м и V - 3 м/c.

Что касается силы Кариолиса, т.е. отклоняющей силы вращения Земли, то она равна: Pk = 2*V * ω * siп Ω (где ω – угловая скорость вращения Земли., Ω - широта места).

При течении с юга на север (вогнутый правый берег) центробежная сила суммируется с силой Кариолиса, с севера на юг (вогнутый левый берег) – вычитаться из центробежной силы (рис. 18).

Рис. 18

Тема 7

Регулирование стока воды

 

Основные положения

Сток воды в большинстве рек РФ внутри года и в многолетнем разрезе распределяется неравномерно. Свыше 70…80% стока приходится на многоводный период прохождения половодья и паводков, продолжительность которых в среднем не превышает 2…3 месяцев. Поэтому во многих случаях имеет место несоответствие водопользования и водопотребления режиму естественного стока рек.

Водопользователи (без изъятия воды): энергетика, транспорт, санитарные попуски и др.

Водопотребители (с изъятием воды): водоснабжение на коммунальные и промышленные нужды, орошение сельскохозяйственных земель и др.

Для обеспечения требований на воду со стороны водопользователей и водопотребителей, которые не совпадают между собой и с режимом естественного стока в водотоках проводят регулирование стока.

Под регулированием речного стока понимается перераспределение во времени объема стока в соответствии с требованиями водопользователей и водопотребителей.

Регулирование стока осуществляется с помощью водохранилищ.

В зависимости от назначения их подразделяют на:

- запасные,

- задерживающие (противопаводковые),

- комплексные.

Запасные – наиболее распространенный тип водохранилищ. Их задача – повысить расход воды в маловодные периоды путем использования запасов воды, созданных в многоводные периоды.

Задерживающие – предназначены для снижения (трансформации) максимальных расходов воды с целью борьбы с наводнениями и подтоплением территорий.

Комплексные – совмещают функции запасных и задерживающих водохранилищ.

По продолжительности регулирования различают:

Суточное, недельное, сезонное и многолетнее регулирование стока.

Суточное регулирование заключается в перераспределение стока внутри суток в соответствии с требованиями потребителей, чаще всего для целей водоснабжения и гидроэнергетики. Объем водохранилища суточного регулирования определяется по суточному графику расходов воды в зависимости от среднесуточного водопотребления.

Недельное регулирование заключается в перераспределении стока внутри недели. В выходные дни создается запас воды для покрытия пиков потребления в рабочие дни.

Сезонное регулирование состоит в увеличении стока в межень путем сработки запасов воды, накопленных в многоводный период. Является наиболее распространенным видом регулирования стока.

Многолетнее регулирование заключается в выравнивании стока за многолетний период: накопления в многоводные годы и покрытие дефицита в маловодные.

По степени использования различают полное и не полное регулирование стока. При полном – весь сток остается в водохранилище, сбросов нет (за исключение санитарных). При неполном - используется только часть стока. Остальной сток сбрасывается из водохранилища.

Для более эффективного использования водных ресурсов определенной территории применяется каскадное и компенсирующее регулирование стока, т.е. перераспределение стока внутри речного бассейна или по длине реки.

Водохозяйственные балансы

Задачи эффективного использования водных ресурсов и регулирования стока должны решаться только на основе составления водохозяйственных балансов (ВХБ) по бассейнам рек, районам и регионам РФ.

ВХБ – это количественное соотношение наличных и пригодных к использованию водных ресурсов с потреблением и потребностью в воде за определенный период времени в пределах рассматриваемой территории.

ВХБ составляют, как правило, для маловодных и средних по водности лет расчетной обеспеченности (95, 75 и 50%%).

ВХБ состоит из приходной, расходной и результирующей частей.

Уравнение ВДХ можно представить в следующем виде:

П – Р = ΔW = Ут + Ус +Уп – Qc – Qi = V + W

где Ут - поверхностный и подземный объемы стока, сформированные на рассматриваемой территории,

Ус - приток воды с соседних водосборов, а также возвратных вод,

Уп - переброска стока из других бассейнов,

- подача воды потребителям,

Qc - расход воды на санитарно-технические цели, обеспечения судоходства, лесосплава, отдыха и др.,

Qi - потери воды на испарение и фильтрацию,

V - изменение объема воды в водохранилищах и озерах,

W - избыток или дефицит водных ресурсов.

Различают оперативные, перспективные и отчетные ВХБ.

Оперативные - составляют на ближайший год, сезон, квартал, месяц.

Перспективные -составляют на 15…20 лет с учетом развития социально-экономических условий территории.

Отчетные ВХБ составляют за прошедший период.

 

Основы расчета водохранилищ

Основными характеристиками водохранилищ являются (рис. 19):

По уровню воды – НПУ, ФПУ, УМО.

По объему воды: полный объем – V (НПУ – дно), полезный объем – Vп (НПУ – УМО), мертвый объем – Vм (УМО – дно), призма форсирования – Vф (ФПУ – НПУ). Подробная информация по этим характеристикам представляется на практических занятиях.

 

Рис. 19. Поперечный профиль и план водохранилища

 

Величины полезного объема и НПУ водохранилищ устанавливают в результате водохозяйственных расчетов путем сопоставления и анализа речного стока, поступающего в проектируемое водохранилище и плановой отдачи из него.

Применяемые методы расчетов водохранилищ подразделяют на две группы:

- группа методов, основанная на использовании календарных рядов стока,

- группа методов, использующих обобщенные статистические параметры, обоснованные исходя из теории вероятности и математического моделирования рядов стока.

При расчетах по календарным рядам стока прежде всего выбирают расчетный водохозяйственный год. Это, как правило, маловодный год, в котором объем стока за год и за лимитирующий сезон (например, зимнюю или летнюю межень) близки к объемам стока расчетной обеспеченности (90…95% для систем водоснабжения или бесперебойная водоподача в течении 90…95 лет из 100).

Объемы стока за год и межень расчетной обеспеченности определяют известными в гидрологии способами в зависимости от продолжительности наблюдений за стоком (СП 33-101-2003).

Так, при длительных наблюдениях (более 20 лет) расчетный год выбирается из реальных лет. Распределение стока внутри расчетного года принимают таким же, как и в выбранном реальном году.

При недостаточности данных по стоку расчетный год и внутригодовое распределение стока определяются методом «компоновки».

Наконец, при отсутствии данных используют реки-аналоги или имеющиеся районные схемы внутригодового распределения стока.

Для выбранного расчетного года последовательно за каждый расчетный интервал времени (декада, месяц) проводят балансовые расчеты и определяют возможность сезонного регулирования стока, полезный и полный объемы водохранилища, объемы сбросов и отметку НПУ.

Многолетнее регулирование стока, как уже отмечалось, применяется тогда, когда стока воды в водохранилище в расчетный маловодный год будет не хватает водопотребителям.

При многолетнем регулировании потребность в воде в эти маловодные годы должна обеспечиваться как стоком воды в эти годы, так и сработкой запасов в водохранилище, сформированных в многоводные годы. Таким образом, полезный объем водохранилища с многолетним регулированием стока состоит из сезонной и многолетней составляющих объема: Vп = Vс + Vмн. Для определения этих составляющих полезного объема используется, также как и для сезонных водохранилищ, балансовый метод (по календарным рядам стока) и метод обобщенных статистических параметров стока.

При расчетах многолетних водохранилищ балансовым методом расчетный интервал времени принимается равным 1 году. Алгоритм этих расчетов принципиально не отличается от расчетов полезного объема сезонного водохранилища.

Для окончательного выбора параметров ВДХ производятся технико-экономическое сравнение различных вариантов отдачи, НПУ и УМО.

В последние годы вариантное проектирование ГТС получило широкое распространение. Применительно к задаче водохозяйственных расчетов оно заключается в переборе различных вариантов местоположения ВДХ и величин его характеристик. Так, например, мы можем задаться 5 и более вариантов отдачи из ВДХ и для каждого из них определить Vп, Vпол и НПУ.

Для различных отметок НПУ вычисляются приведенные затраты на строительство ВДХ в расчете на 1 млн. м3 или 1 млн. квт часов (ЗТ). Для каждого варианта НПУ оценивается негативное влияние ВДХ (затопление, подтопление и т.д.) и потери в стоимостном выражении (Пт). На рис. 21 приведены функции затрат и потерь в зависимости от отметки НПУ.

Рис. 21

Сумма (ЗТ + Пт) будет иметь минимум при определенной отметке НПУ. В качестве критериев оптимальности могут выступать также максимальная прибыль и минимальный срок окупаемости капиталовложений в строительство ВДХ. Крупные проектные водохозяйственные организации (например, Гидропроект, ВНИИГ) разработали и используют программное обеспечение по водохозяйственным и технико-экономическим расчетам водохранилищ для объектов гидроэнергетики, водоснабжения и т.д.

Следует отметить, что в состав водохозяйственных расчетов, кроме расчетов характеристик ВДХ, входят также расчеты:

- продолжительности заполнения многолетних ВДХ,

- сроков и объема заиления ВДХ,

- переформирования берегов,

- диспетчерского графика ВДХ.

Продолжительность заполнения ВДХ определяется также воднобалансовым методом по календарным или смоделированным рядам стока и принятой отдачи.

Продолжительность заиления до отметок УМО и НПУ можно установить по формулам: t нпу = Vнпу/Vн и t умо = Vумо/Vн, где Vн - среднемноголетний объем взвешенных и донных наносов, остающихся в ВДХ (разница между поступающими и сбрасываемыми наносами, см. тему 8).

4. Диспетчерский график водохранилища

В период эксплуатации ни одно из ВДХ не работает в режиме постоянной отдачи. В многоводные периоды и годы образуются излишки воды, которые сбрасываются из ВДХ. В маловодные годы и периоды неизбежно уменьшение отдачи, т.е. имеет место ограничение водопотребления из ВДХ.

Поэтому, в целях рационального использования водных ресурсов при эксплуатации ВДХ обычно переходят на переменную отдачу воды. Это позволяет повысить экономическую эффективность регулирования стока.

Для управления работой ВДХ разрабатывается диспетчерский график - хронологический график изменения уровней или объемов воды в ВДХ с выделенными зонами отдачи (рис.22). По оси ординат откладываются уровни или объемы воды в ВДХ, абсцисс – время (месяцы). Поле графика разделено на несколько зон:

1 – зона гарантированной отдачи,

2 – зона ограниченной отдачи,

3 – зона избытков воды.

Эти зоны ограничены линиями: противосбросной, противоперебойной и ограниченной отдачи.

Линий противоперебойной и ограниченной отдачи обычно 2…3, рассчитанных на разную обеспеченность отдачи (или бесперебойность).

Диспетчерский график строят на основании результатов балансовых расчетов по календарным рядам стока или обобщенным статистическим параметрам.

Рис. 22. Диспетчерский график сезонного водохранилища

 

Диспетчер, имея отметки уровня или объемов воды в ВДХ, руководствуясь этим графиком, принимает то или иное решение о подаче воды потребителям, сбросах из ВДХ и т.д.