Гідроенергетичні ресурси поверхневого стоку.

Водноенергетичні ресурси малих річок і їх оцінка. Вода, що стікає по поверхні Землі і переносима річками, володіє енергією, тобто здатність виробляти роботу. Потенційна енергія річки на ділянці протяжністю L (км), при висоті падіння Н (м), при середній витраті на цій же ділянці в одиницю часу Q (м³ / с), дорівнює:

N = 9,81 · 10³ · Q · H (Дж). Величина секундної енергії на даній ділянці річки, переведена в кіловати, називається кадастровою потужністю. Кадастрова потужність на даній ділянці річки (N, кВт) визначається за формулою:

 

N = 9,81 · Q· H,               

 

Якщо кадастрову потужність N розділити на протяжність ділянки L,то вийде питома кілометрова потужність: nL = N / L (КВт / км).

Сума потужностей всіх частин річки на всьому її протязі носить назву повній кадастровій потужності річки:

 

                                 m            m

                 Np = ∑ Ni = ∑ 9.81 · Qi · Hi                       

                           i=1     i=1

 

де m - загальне число розрахункових ділянок; Nр - повна кадастрова потужність річки.

Зазвичай річку ділять на ділянки і повну кадастрову потужність річки обчислюють за формулою:

 

                                        m Qнi + Qki         

          Np = 9.81 · ∑ _________ · Hli                     

                                i=1    2

 

 

де Qні і Qki- середні багаторічні витрати води, відповідно, спочатку і в кінці розрахункової ділянки річки lі; Нli - падіння річки на ділянці lі; m - число розрахункових ділянок; Nр - повна кадастрова потужність річки, кВт.

Межі розрахункових ділянок встановлюються в точках перелому поздовжнього профілю річки чи в місцях різкого наростання приточності річки. тобто у гирла приток.

Цей метод (по частинах підсумовування гідроенергетичного потенціалу) дозволяє оцінити енергетичні ресурси по окремих ділянках річки, що особливо важливо для практичних цілей.

Гідроенергетичні ресурси ріки часто висловлюють в кіловат-годинах на рік і розраховують за формулою:

E = 8760 · N = 85940 · Q · H,         

 

де Е - потенційні запаси гідроенергії басейну малої річки, кВт-год; 8760 - кількість годин у році.

Для практичних цілей іноді використовують питомі показники гідроенергетичних ресурсів, що припадають на одиницю площі і на 1 жителя даної території. Частка від ділення гідроенергетичного потенціалу ріки на площу водозбору називають питомим гідроенергетичним потенціалом басейну річки (або питомою насиченістю гідроенергетичними ресурсами території):

 

                                               

nNp = __ Np ___, або                       

                                                    F

nE = __ E _                                           

                                              F

 

де nNр i nE- показники питомої насиченості гідроенергетичними ресурсами території, кВт/км² і кВт-час/км², відповідно.

Для наочної характеристики в енергетичному відношенні будують так званий кадастровий водноенергетичний комплексний графік, на якому наводяться суміщені графіки поздовжнього профілю, наростання середньої річної витрати води та питомих кадастрових потужностей по довжині річки. За допомогою цього комплексного графіка здійснюється управління гідроенергетичними ресурсами річок.

Загальні гідроенергетичні ресурси (теоретичний валовий гідроенергетичний потенціал) становлять близько 60% всієї енергії поверхневого стоку. За даними ООН потенційні гідроенергетичні ресурси річок світу оцінюють приблизно в (20 - 28) · 1012 кВт-час/год, а світові запаси, які можуть бути практично використані, становлять близько 4,7·1012 КВт-час/год.

Гідроенергетичні ресурси поділяються на потенційні, технічно можливі до використання на даному рівні розвитку науки і техніки, і економічно доцільні ресурси для використання. Потенційні гідроенергетичні ресурси України оцінюються в 44,7 млрд. кВт-год, а сумарні потенційні гідроенергетичні ресурси малих річок орієнтовно оцінюються в 2,00 млрд. кВт (17,5 млрд. кВт-год), що становить близько 20% гідроенергетичних ресурсів всіх річок України. Можливий до використання (технічний) гідроенергетичний потенціал малих річок наближено оцінюють в 0,7 млрд. кВт (6,4 млрд. кВт-год), що становить близько 30% загального технічного гідроенергетичного потенціалу всіх річок України (21,5 млрд. кВт- годину). Економічний гідроенергетичний потенціал малих річок країни оцінюється в розмірі 1,3-1,6 млрд. кВт-год, а економічно доцільні для використання гідроенергетичні ресурси всіх річок України складає приблизно 16 млрд. кВт-год.

Водна енергія річок використовується для виробництва електроенергії на гідроелектростанціях. В Україні найбільші ГЕС побудовані на Дніпрі (Київська руслова і дериваційна ГЕС, Канівська, Кременчуцька, Дніпродзержинська та Каховська руслові ГЕС), на Дністрі (Дністровська та Дубоссарська ГЕС), на Теребле (Теребле-Рікська дериваційна ГЕС). Встановлена потужність їх складає понад 4,7 млрд. кВт (41,2 млрд. кВт-год).

На сьогоднішній день в Україні діє також 49 малих ГЕС загальною потужністю 93,3 тис. кВт, які можуть виробляти понад 250 млн. кВт-год електроенергії на рік.

Гідроенергетичні ресурси поверхневого стоку. Для оцінки гідроенергетичних ресурсів всіх поверхневих водних потоків, включаючи і схиловий стік, визначають валовий теоретичний гідроенергетичний потенціал поверхневого стоку. Величина цього потенціалу характеризує межа теоретично можливого до отримання гідроенергії в даному районі і розраховується за формулою:

 

ГЕП = 3.1 · 10 ­³ · Y · F · H,        

 

де ГЕП - валовий гідроенергетичний потенціал поверхневого стоку досліджуваної території, тис. кВт; Y - шар стоку, см; F - площа території висотного контуру на карті стоку, обмеженого ізолініями даному ступені стоку, км²; Н - середня величина піднесення території в межах досліджуваного контуру над рівнем моря, а для обмеженій території, віддаленій від моря, - над місцевим базисом ерозії, м. Для визначення гідроенергетичного потенціалу необхідно мати карту стоку і карту з горизонталями рельєфу місцевості досліджуваної території.

Потенційні гідроенергетичні ресурси малих річок досить великої території іноді визначають методом "середньої ріки". При цьому для однорідних фізико-географічних умов вибирається ріка з середніми характеристиками - витратою (Q) і падінням (H), для неї виконується розрахунок за формулою. Потім отриманий результат множиться на кількість річок досліджуваної території.

Для практичних цілей оцінка гідроенергетичних ресурсів малих річок здійснюється також за формулою без розбивки річки на однорідні ділянки, з наступним нанесенням отриманих результатів на карту досліджуваної території.

Дійсна величина гідроенергетичного потенціалу, яку можна використовувати на практиці для отримання інших видів енергії (вироблення електроенергії каскадом ГЕС, спорудження водяних млинів і т.д.), виявляється менше її валового значення внаслідок неминучих втрат. Тому для малих водотоків з потенційною енергією менше 15 млн. кВт-година вводиться поправка (коефіцієнт використання валового потенціалу Kіс = Nm.n/Np, де Nm.n - технічний гідроенергетичний потенціал); Кіс = 0,15 /0,20.

Крім того, слід зазначити, що за існуючою класифікацією ООН до малих відносяться ГЕС потужністю до 10-15 МВт, в тому числі: малі ГЕС - від 1 до 10 МВт; міні-ГЕС - від 0,1 до 1 МВт; мікро-ГЕС -потужністю до 0,1 МВт.

Для повної характеристики гідроенергоресурсів велике значення має визначення економічно ефективної їх частини (економічний гідроенергетичний потенціал), тобто економічно доцільна для використання частина гідроенергетичних ресурсів. Економічна доцільність використання гідроенергетичних ресурсів встановлюється шляхом зіставлення економічних характеристик ГЕС з іншими можливими джерелами електричної енергії в даному районі (тепловими чи атомними електростанціями, спорудою водяних млинів і т.д.).

За наближеними розрахунками технічні гідроенергетичні ресурси України становлять 22-25 млрд. кВт-год, а їх економічний потенціал - 15-18 млрд. кВт-год.

Схеми створення напору води. У природних умовах енергія річки розподілена по всій її довжині. У той же час, найбільш ефективне використання енергії водотоку можливо при концентрації (зосередження) перепаду рівнів в одному місці, на відносно короткій ділянці. Це завдання спрощується при наявності природних водоспадів або зручною для використання різниці рівнів води в озерах та річках, якщо останні розташовані в одному створі. Однак такі умови в природі зустрічаються рідко. Тому часто застосовують штучне зосередження перепаду рівнів води, який називають напором (Н, м). Це досягається будівництвом гідротехнічних споруд - гребель, каналів, тунелів, трубопроводів - і здійснюється двома шляхами: 1) при використанні гребель; 2) за допомогою дериваційних споруд.

Найбільш поширеною схемою створення напору в сучасній практиці будівництва гідроелектростанцій є плотинна схема, яка передбачає штучний підпір рівня водотоку шляхом спорудження греблі. Ця схема використовується переважно на рівнинних річках, які мають незначні ухили при досить великих витратах води.

При гідроенергетичному використанні гірських і передгірських річок з відносно невеликими витратами води і значними ухилами русла часто застосовують дериваційний спосіб створення напору. Зосереджений перепад при цьому створюється шляхом відведення води з природного русла по штучному водоводу, гідравлічний ухил якого значно менше ухилу річки. Завдяки цьому в кінці використовуваної ділянки створюється різниця в рівнях води водоводу та річки. Ця різниця рівнів води і визначає натиск дериваційної ГЕС.

Залежно від типу штучних дериваційних водоводів розрізняють гідроелектростанції з безнапірної і з напірної деривацією. Існують також комбіновані (або змішані) ГЕС або гребле-деривацитонні ГЕС.

Гідроакумулюючі станції (ГАЕС) призначені для перерозподілу електричної енергії, яка створюється іншими електростанціями, відповідно до вимог споживачів.

Принцип дії ГАЕС заснований на можливості роботи її агрегатів у двох режимах: насосному і турбінному. У насосному режимі ГАЕС споживає електроенергію, яка виробляється тепловими та атомними станціями, коли в енергосистемі знижується навантаження (як правило, вночі). При цьому вода з нижнього водосховища чи басейну ГАЕС закачується насосами у верхній басейн. У періоди найбільшого споживання електроенергії ця вода з верхнього басейну проходить через турбіни в нижній б’єф, і при цьому агрегати станції виробляють електроенергію.

Таким чином, ГАЕС забезпечує енергетичну систему дефіцитної енергією в пікові години і покращує режим роботи теплових і атомних електростанцій, що призводить до економії палива. На сучасних ГАЕС натиск складає від 7 м на невеликих установках до 1000 ми більше.

В останні роки в Україну, як і в усьому світі, підвищується інтерес до будівництва малих ГЕС і освоєння ресурсів малих річок. У середині минулого століття в нашій країні була значна кількість сільських і малих ГЕС, водяних млинів та ін (всього нараховувалося 956 ГЕС, з них тільки в басейні Південного Бугу понад 800). Однак у певний період вони стали неефективними в результаті недостатньо якісного будівництва і високої вартості їх експлуатації. У сучасний період будівництво малих ГЕС вирішується на новому технічному рівні, і в умовах енергетичної кризи вони стають рентабельними. В Україні з 150 збережених малих ГЕС тільки 49 є чинними, але вони вимагають не тільки капітального ремонту і реконструкції, але і ретельних гідролого-екологічних досліджень.

Контрольні питання

1. Дайте визначення поняття «водні ресурси».

2. Класифікація водних ресурсів.

3. Ресурси місцевого стоку.

4. Транзитні водні ресурси.

5. Оцінка поверхневих водних ресурсів річкового стоку.

6. Рівняння водного балансу річки.

7. Охарактеризуйте види водогосподарського балансу.

8. Оцінка водноенергетичні ресурси малих річок.

9. Гідроенергетичні ресурси малих річок ти їх оцінка.

10. Охарактеризуйте схеми створення напору води на малих річках.

ЛЕКЦІЯ 5

Тема: Водна ерозія та ерозійні процеси.Річкові наноси. Селеві процеси.

1. Загальні поняття та визначення водної ерозії.

2.  Ерозійна стійкість грунтів.

3.  Походження, характеристика та класифікація річкових наносів.

4.  Стік наносів та методи їх обрахунку.

5.  Типи селевих процесів та методи боротьби з ними.

 

1. Загальне поняття і визначення водної ерозії. В умовах кризової екологічної ситуації в Україні проблема охорони грунтів від ерозії і дефляції має особливу актуальність і значимість. Водна ерозія - це процес руйнування земної поверхні під дією тимчасових водних потоків.

Під водною ерозією, розуміють частина процесу денудації, яка складається з руйнування, переміщення і відкладення частинок грунту і порід під дією дощу та поточної води і визначається законами падіння крапель і руху водних потоків, що залежать від їх водності і характеристик підстилаючої поверхні.

За генетичної класифікації виділяють п’ять видів і одинадцять підвидів водної ерозії. Водна ерозія включає поверхнево - схилові види (ерозія розбризкування, поверхнева ерозія, стру менева ерозія) і яружно - руслові види (яружна ерозія і руслова ерозія). У свою чергу поверхнева ерозія включає в себе поверхнево - дрібноструйчатий змив, зливовий поверхневий змив. Струйчаста ерозія складається з струйчастого розмиву і зливового струйчастого розмиву. Яружна ерозія підрозділяється на лінійний, ступінчастий і багатоступінчастий яружні розмиви. Руслова ерозія включає заплавно - руслової процес, незв’язаний селевий процес (потік), зв’язний селевий процес (потік).

Водна ерозія - складний фізико-географічний процес, наслідки якого проявляються не тільки в приватних порушеннях, а й у переродженні (деградації) цілих природних комплексів.

Водна ерозія є однією з головних причин зниження родючості грунтів та їх деградації, погіршення екологічного стану водних об’єктів, втрати їхньої колишньої продуктивності; результатом ерозійного руйнування долин балок і річок, ставків і водосховищ. Деякі малі річки повністю зникають, а ставки втрачають свій об’єм за 5-10 років. Водні об’єкти забруднюються змитими зі схилів добривами, отрутохімікатами.

Для оцінки втрат грунту від водної ерозії з малих водозборів України запропонована розрахункова логіко-математична модель в наступному вигляді:
                             

W = K гм ∙ J н ∙K с ∙ Ф(Iⁿ; L^m) ∙f r ∙P,            

       

Де W - середньо багаторічні втрати грунту від зливової ерозії, т / га; K гм - гідрокліматичний фактор водної ерозії, т / га; J н - показник протиерозійної стійкості грунтів; K с - коефіцієнт впливу ступеня еродованості на протиерозійну стійкість грунтів; Ф(Iⁿ; L^m) - фактор рельєфу; I - крутизна схилу, ‰; L - довжина схилу, м; n,m - показники ступеня, відповідно при ухилі (І) і довжиною (L) схилу; f r - фактор ґрунтозахисної здатності культур і сівозмін; Р - фактор протиерозійних заходів, які визначається за рекомендаціями американських дослідників чи експериментально.

У цій моделі гідрокліматичний фактор по своїй суті відображає наведену величину змиву, що має місце при стандартних умовах рельєфу і підстилаючої поверхні (змив на звичайному нееродованому чорноземі при І= 1‰ і I = 1 м), але при мінливих опадах і поверхневому стоці води. Даний показник визначається шляхом спеціальних розрахунків, а для умов України - по карті ізоеродент.