Расчет заиления и мертвого объема водохранилища

 

Процесс отложения наносов в водохранилище называется заилением. При расчетах заиления задаются сроком службы водохранилища t_сл – время, в течение которого наносами заполняется мертвый объем, или большая часть его, но при этом обеспечивается необходимая подача воды потребителям из регулирующей емкости. При заданном сроке t_сл может решаться задача по назначению соответствующего мертвого объема V_мо. Для водохранилищ, сооружаемых для целей водоснабжения, можно принимать t_сл=50-75 лет.

Среднемноголетний объем наносов V_н реки, впадающей в водохранилище, в общем виде можно представить как сумму объемов взвешенных V_взв и влекомых (донных) наносов V_вл.

 

Расчет ведется в следующем порядке:

По указанному в задании значению средней мутности реки r₀ определяют средний расход взвешенных наносов R_н по формуле

 

, кг/с, (3.6)

 

где – среднемноголетний расход воды, м³/с;

r₀ – среднемноголетняя расчетная мутность воды, г/м³, принимается 250-350 г/м³.

 

Определяют среднемноголетний объем за год взвешенных наносов по зависимости

 

, млн.м³, (3.7)

 

где r_взв – плотность взвешенных наносов, изменяется в пределах 1000-1500 кг/м³.

 

Определяют объем взвешенных наносов, заполняющий ложе водохранилища за t_сл лет по формуле

 

, млн.м³, (3.8)

 

где d – транзитная часть взвешенных наносов, выносимых в НБ, принимается d=0,20-0,30, соответственно (1-d) – та часть наносов, которая отложится в водохранилище.

 

Определяют объем влекомых по дну наносов, заполняющий ложе водохранилища за t_сл лет, по зависимости

 

, млн.м³, (3.9)

 

где b – отношение массы влекомых насосов к массе взвешенных наносов, для равнинных рек можно принимать 0,05-0,1; r_вл – плотность влекомых наносов 1500-1800 кг/м³.

 

Определяют объем водохранилища, занимаемый взвешенными и влекомыми наносами, как сумму (V_взв+V_вл), которую умножают на коэффициент j=1,1-1,20, учитывающий приближенно дополнительное поступление наносов за счет разрушения берегов, а также склоновой и ветровой эрозии, т.е

 

, млн.м³ (3.10)

 

Принимают из условия заиления водохранилища мертвый объем V_мо=V_н.

Проверяют необходимый мертвый объем водохранилища, исходя из санитарно-технических требований, который с учетом опыта эксплуатации водоемов в РБ принимается в среднем 0,25 V_плз. Если окажется, что рассчитанный из условия заиления V_мо < 0,25V_плз, то принимают окончательно за расчетный V_мо= 0,25V_плз.

 

Расчет сезонного регулирования стока с учетом потерь воды. Построение графика работы водохранилища

 

Раздел включает следующий объем работ: расчет потерь воды из водохранилища на испарение, фильтрацию и льдообразование; определение полезного и полного объемов с учетом потерь воды; построение графика работы водохранилища; определение сопряженных характеристик водохранилища и показателей регулирования стока.

 

Методика выполнения расчетов

 

Расчет потерь воды из водохранилища

Учет потерь воды необходим для правильного определения объема водохранилища и составления водного баланса водных ресурсов при регулировании стока. Основными видами потерь являются испарение с водной поверхности и фильтрация. Дополнительно учитываются временные потери на льдообразование в период зимней сработки водохранилища.

 

Потери на испарение

В расчетах учитывают дополнительное испарение как разницу между испарением с поверхности водоема Е_в и с поверхности суши до создания водохранилища Е_с. Среднегодовой слой испарения заданной обеспеченности с поверхности зеркала водохранилища за безледоставный период определяют по формуле

 

Е_в = К_100-р Е₂₀ К_н К₃ К_w, (4.1)

 

где К_100-р – модульный коэффициент, соответствующий заданной обеспеченности (100-p) испарения при обеспеченности осадков p = 95%. Для зоны Беларуси можно принимать К_100-р = К₅ = 1,20;

Е₂₀ - слой среднемноголетнего испарения с бассейна-эталона площадью 20 м² , для Беларуси равный 500 – 550 мм в год (за безледоставный период);

К_н – поправочный коэффициент на глубину водоема (табл. 4.1);

К₃ – коэффициент защищенности, принимаемый 0,8 – 0,9;

К_w – поправочный коэффициент на площадь водоема (табл. 4.2).

 

Таблица 4.1 – Поправочные коэффициенты на глубину водоема

 

Глубина водоема, м	≤ 5
Коэффициент Кн	0,99	0,97	0,95	0,94	0,92

 

Осредненную за год глубину водоема находят по морфометрической кривой объемов водохранилища при _плн = V_мо+ V_плз/2.

 

Таблица 4.2 – Поправочные коэффициенты на площадь водоема

 

Площадь водоема, км^2	0,00002	0,01	0,05	0,1	0,5	1,0	2,0	5,0
Коэффициент Кw	1,0	1,03	1,08	1,11	1,18	1,21	1,23	1,26	1,28

 

Площадь водоема определяют по морфометрической кривой площадей водохранилища при _плн.

Слой испарения с поверхности водоема за месяц Е_вi принимают как часть испарения за год Е_в в соответствии с его внутригодовым распределением, приведенным в табл. 4.3.

 

 

Таблица 4.3 – Испарение с поверхности малых водоемов по месяцам (в % от годового слоя Е_в за безледоставный период)

 

 

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Евi,%

-

-

-

-

 

 

Расчетный слой испарения с поверхности суши до затопления речной долины водохранилищем за месяц Е_ci в мм находят по формуле

 

(4.2)

где К_р – модульный коэффициент слоя осадков в засушливом году расчетной обеспеченностью 95%, который определяют по таблице ординат кривой обеспеченности, полагая C_v = 0,15 и C_s = 2 C_v, принимают К₉₅ = 0,75;

- среднемноголетний слой осадков, для Беларуси = 600 – 750 мм в год;

α_с – коэффициент стока со склонов речной долины, для средних условий принимают равным: 0,5 - для весны; 0,2 - для лета; 0,3 - для осени.

Дополнительное испарение за месяц

 

(4.3)

Объем испарения за каждый месяц V_i определяют по формуле

(4.4)

где - средняя за месяц площадь зеркала водохранилища, которую находят по морфометрической кривой при V_ср.i (гр.4 табл. 4.5) или определяют по формуле

 

(4.5)

 

где - площадь зеркала водохранилища, соответствующая объему (отдаче) в конце данного месяца V_кi (гр.7 табл.3.2, и соответственно гр.3 табл.4.5) с учетом мертвого объема, находят по морфометрическим кривым.

- площадь зеркала в начале i-ого месяца, равная площади в конце предшествующего месяца, т.е.

Если по формуле (4.4) значение V_исп.i <0, то потери на дополнительное испарение в этом месяце не учитывают, т.е. приравнивают нулю.

 

Потери на фильтрацию

 

Основные утечки происходят через борта и ложе водохранилища, и частично через тело и основание плотины. Приближенно ожидаемые потери на фильтрацию за каждый месяц выражают через некоторый объем воды V_фi, принимаемый как часть среднего за месяц объема водохранилища V_срi, включающего регулирующую емкость и мертвый объем.

Для оценки значения V_фi руководствуются следующими рекомендациями:

- в «хороших» гидрогеологических условиях (практически водонепроницаемые грунты в основании ложа водохранилища, УГВ на отметке или выше НПУ) объем потерь на фильтрацию за месяц V_{ф i} принимают (0,5-1)% от среднего объема в этом месяце V_ср.i, определяемого по (4.6);

- в «средних» условиях (в основном залегают маловодопроницаемые грунты, УГВ выше УМО) V_{ф i} = (1-1,5)% V_ср.i;

- в «плохих» условиях (водопроницаемые, преимущественно песчаные грунты, УГВ ниже УМО) V_{ф i} = (1,5-3,0)% V_ср.i.

Средний объем воды за месяц V_ср.i получают как среднее значение из регулирующих объемов на начало и конец месяца с учетом мертвого объема V_мо:

 

(4.6)

 

где V_кi – объем воды в конце i-ого месяца в пределах полезного объема (гр.7 табл.3.2 и соответственно гр.3 табл. 4.5);

V_нi – объем воды в начале i-ого месяца, равный объему в конце предшествующего месяца, т.е. V_нi = V_к,i-1.

Учитывая, что в «средних» и «плохих» условиях расположения водохранилища, как правило, предусматривают противофильтрационные мероприятия, рекомендуется принимать в проекте V_ф.i = (0,5 – 1)% V_ср.i.

 

4.1.3 Потери на льдообразование

 

Потери такого вида учитывают в те периоды, когда процесс льдообразования протекает одновременно со сработкой водохранилища, при этом уровень падает и часть льда оседает на берегах. В расчетах водохранилища сезонного регулирования эти потери следует принимать во внимание, поскольку уменьшается запас воды в самый напряженный период зимней межени.

Объем потерь на льдообразование за i-ый месяц V_лi составляет

 

(4.7)

 

где - разность площадей зеркала водохранилища в начале и конце i-ого месяца в период ледостава, км² (гр.8 табл. 4.5); если < 0, т.е. , то имеет место подъем уровня и потери на льдообразование в этом месяце не учитывают;

h_{л i} – толщина льда в конце i-ого месяца, м, определяется по формуле

(4.8)

- модуль суммы среднемесячных отрицательных температур воздуха с начала ледостава по i-ый месяц включительно, значения t^o приведены для различных бассейнов рек в табл. 4.4;

- относительная плотность льда (ρ_л – плотность льда, ρ_в – плотность воды), принимается = 0,916;

К_л – коэффициент постепенности нарастания льда за период сработки воды, равный 0,65.

 

Таблица 4.4 – Среднемесячные температуры воздуха в период льдообразования, ^оС

 

Наименование бассейна реки	Месяц
XI	XII	I	II	III
Верховье Днепра	-1,6	-9,2	-9,5	-7,7	-3,6
Березина	-0,1	-4,5	-7,3	-5,8	-1,1
Припять	-0,5	-3,5	-6,0	-4,7	-0,8
Зап. Двина	-0,5	-8,5	-7,1	-5,2	-1,9

 

Расчеты всех потерь воды из водохранилища сводят в табл. 4.5.

Суммарные потери воды за каждый месяц V_пот.i определяют как сумму

V_пот.i = V_исп.i + V_ф.i + V_л.i. (гр. 16 табл. 4.5), а потери за год V_пот = SV_потi.

Устанавливают, какой процент (α,%) от полезного объема составляют различные виды потерь:

α_исп = (V_исп/V_плз)100%;

α_ф = (V_ф/V_плз)100%;

α_л = (V_л/V_плз)100%;

α_Σ = α_исп + α_ф + α_л, или α_Σ = (V_пот / V_плз)100%.

 

 

Таблица 4.5 – Потери воды из водохранилища

 

 

Месяц

Месячный объем воды в водохранилище, млн.м^3

Месячная площадь зеркала водохранилища, км^2

Потери на испарение

Потери на фильтрацию Vф.i, млн.м^3

Потери на льдообразование

Сум-марные потери Vпот.i, млн.м^3

Vнi

Vкi

Vср i

Ωн i

Ωк i

Ωср i

Ωн i- Ωк i

Ев I, мм

Ес i, мм

Ед i, мм

Vиспi, млн.м^3

hл i, м

Vл i, млн.м^3

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

I

II

Σ

Σ Евi = Ев

Σ Есi = Ес

Σ Едi = Ед

Σ Vиспi=Vисп

Σ Vф.i= Vф

Σ Vл i= Vл

Σ Vпот.i= Vпот