Гидро расчеты сельских ГЭС - Вычисление ежедневных расходов воды в русле с ледяным покровом

§ 18. Вычисление ежедневных расходов воды в русле с ледяным покровом
В зимний период в связи с образованием ледяного покрова, шуги и скоплений донного льда пропускная способность русла уменьшается по сравнению с периодом открытого русла. В результате развития ледовых явлений гидравлические сопротивления при протекании потока увеличиваются и для пропуска такого же расхода, что и при открытом русле, необходимо увеличение живого сечения потока, достигаемое за счет повышения уровней. Поэтому точки зимних расходов, нанесенные на график зависимости расходов воды от уровней, располагаются левее кривой для летнего периода.
Поскольку ледовые явления на реках зависят от температурного режима, скоростей течения, гидравлических и морфометрических характеристик русла, характера грунтового питания и от других факторов, их влияние на режим уровней и расходов воды не остается постоянным, а изменяется в течение зимнего периода и из года в год. Вследствие этого установить определенную постоянную зависимость между уровнями и расходами в зимний период для большинства рек не представляется возможным.
В отдельных случаях для рек с устойчивым зимним режимом, при равномерном нарастании льда и при отсутствии шуги и донного льда, по точкам зимних измеренных расходов удается построить кривую расходов для зимнего периода — так называемую зимнюю кривую расходов. Все же и в этих случаях получаемая зависимость не может характеризовать весь .зимний период; точки зимних расходов на графике располагаются разбросанно в зависимости от времени измерения и соответствуют различному состоянию ледяного покрова. Если в выбранном гидростворе в течение ряда лет наблюдается определенная зависимость Q=f(H) для зимних расходов, то целесообразно строить ряд кривых с выделением заторных расходов, расходов в период ледостава и расходов в период, предшествующий ледоставу, и при весеннем ледоходе. Эти кривые позволяют производить вычисление расходов воды по уровням лишь приближенно, поскольку они не могут отражать в достаточной мере влияние метеорологических условий каждой зимы. Поэтому в целях контроля зимних кривых расходов при использовании их для подсчетов стока необходимо ежегодно для каждого характерного периода зимы (предледоставный период, ледостав, весенний ледоход) производить дополнительные контрольные измерения расходов.
Как указывалось выше, для большинства рек надежные зимние кривые расходов построить не представляется возможным, поэтому для вычисления зимнего стока применяются способ интерполяции расходов, способ поправок на уровень и способ переходных коэффициентов.

1. Способ интерполяции расходов. При наличии достаточного количества измеренных расходов в течение зимы с равномерным распределением их во времени для вычисления ежедневных расходов воды применяется способ интерполяции.

Аналогично тому, как это делается при вычислении расходов для зарастаемого русла, точки зимних измеренных расходов наносят на хронологический график измерения расходов. Полученные точки соединяют плавной линией и получают гидрограф зимних расходов. Величины ежедневных расходов определяются по гидрографу.
Интерполяцию можно производить и без построения гидрографа, непосредственно между двумя измеренными расходами. Например, расходы воды р. Гауя у г. Валмиера, измеренные 3/1 и 19/1 1948 г., соответственно имеют величины 120 и 96 м³/сек. Продолжительность периода между измерениями равна 16 дням; уменьшение расхода за этот период равно 24 м³/сек. Ежесуточное уменьшение расхода составляетм³/сек.
Следовательно, расход воды в реке, например, 12/1 1948 г. будет равен 120 —1,5 · 9=106,5 м³/сек.
Этот способ применим при устойчивом зимнем режиме и плавном изменении уровней в течение зимы; при этих условиях для получения надежных результатов необходимо производить не менее 3—4 измерений расходов в течение каждого месяца.

1. Способ поправок на уровень. На график кривой Q=f(H) для летнего периода наносят точки зимних измеренных расходов и в дальнейшем для вычисления ежедневных расходов воды используют летнюю кривую подобно тому, как это делается при вычислении расходов в деформируемом русле.

Для каждого измеренного зимнего расхода определяют поправку ΔH, равную разности уровней: измеренного и снятого с кривой расходов для летнего периода. Так как точки измеренных зимних расходов располагаются левее кривой то знак поправки для всех уровней будет отрицательным, за исключением уровней перед ледоставом и в конце ледохода, когда поправка равна нулю. Располагая затем поправки в хронологическом порядке измерения расходов, строят график колебания поправок уровней ΔH. Для каждого уровня в зимний период, взятого из таблицы ежедневных уровней, прибавляется поправка ΔH и по исправленным наблюденным зимним уровням снимаются с летней кривой значения расходов.

1. Способ переходных коэффициентов. Наиболее распространенным способом определения зимнего стока является способ, основанный на использовании летней кривой расходов с применением переходных коэффициентов от летних расходов к зимним. Для вычисления ежедневных расходов по этому способу необходимо располагать следующими материалами: кривой расходов для периода открытого русла, данными об измеренных зимних расходах, таблицей ежедневных уровней воды и графиком переходных коэффициентов от летних расходов к зимним.

Для анализа характера изменения зимних расходов желательно располагать совмещенными графиками колебания уровней воды, толщины льда и температуры воздуха за зимний период.

Величины переходных коэффициентов К в период между измерениями расходов вычисляются интерполяцией по ближайшим их значениям или определяются по графику колебания коэффициентов К.
Ежедневные расходы воды вычисляются следующим образом.
Для каждого уровня воды по летней кривой расходов находится соответствующая ему величина расхода воды при открытом русле;
по хронологическому графику колебания переходных коэффициентов определяется значение К для каждой даты. Величина среднесуточного зимнего расхода Qзим получается как произведение летнего расхода Олет на переходный коэффициент К. Подсчет производится в табличной форме, и на основе результатов вычислений составляется годовая таблица ежедневных расходов воды.
В табл. 25 приведены в качестве примера результаты вычисления расходов воды за 15 суток.
Описанный способ вычисления ежедневных расходов воды в зимний период применим при наличии достаточного количества измеренных зимних расходов, позволяющих построить хронологический график колебания переходных коэффициентов.

Таблица 24

Т а б л п на 25
Вычисление ежедневных расходов воды за зимний период 1948 г.

При недостаточном числе измеренных зимних расходов или при полном отсутствии зимних измерений ежедневные расходы воды определяются приближенно. В этом случае значение переходного коэффициента К принимается для всей зимы постоянным и величина его выбирается в зависимости от климатических условий района расположения створа ГЭС, гидравлических характеристик русла реки и гидрологических условий питания реки в зимний период.
Ориентировочная оценка величин переходных коэффициентов К может быть сделана на основании данных табл. 26.

Таблица 26
Ориентировочные значения переходных коэффициентов К

Для целей проектирования сельских ГЭС при отсутствии зимних наблюдений в расчетном створе наиболее удобным является использование данных о переходных коэффициентах К по рекам-аналогам.
Величины этих коэффициентов, полученные по результатам наблюдений на соседних реках-аналогах, принимаются для расчетного створа с учетом характера ледовых явлений и хода уровней.
Среднесуточные расходы воды, вычисленные по летней кривой для периода открытого русла, и расходы за зимний период, найденные одним из указанных выше способов, вносятся в годовую таблицу колебания ежедневных расходов воды (табл. 27).

Таблица 27
Таблица ежедневных расходов воды р. Салаца — ст. Лагаете за 1948 г.
Площадь водосбора 3310 км²

В этой таблице подсчитываются средние, наибольшие и наименьшие величины расходов за каждый месяц и внизу таблицы выписывается средний годовой расход. Наибольший и наименьший годовые расходы, определяемые по срочным наблюдениям или как среднесуточные, также выписываются внизу таблицы с указанием дат их наступления. Все ледовые явления обозначаются условными знаками против соответствующих дат. Таблицы ежедневных расходов воды составляются за все годы проведенных наблюдений. На основании данных этих таблиц строятся хронологические графики колебания расходов воды — гидрографы. Гидрографы строятся обычно не для всего периода наблюдений, а лишь для характерных годов: маловодного, многоводного и среднего по водности.