При проектировании водохранилищ сельских гидростанций, особенно в лесостепной и степной зонах СССР, большое значение имеет выяснение режима твердого стока и расчет заиления водохранилища. .
В результате создания подпорного сооружения скорости течения в зоне подпора резко снижаются, вызывая отложение наносов в водохранилище. При неблагоприятных условиях этот процесс может протекать достаточно интенсивно, в результате чего не исключается возможность полного занесения водохранилища наносами.
Задачей расчета водохранилища на заиление является определение срока его заиления и установление закономерности распределения наносов по водохранилищу. Этот расчет позволяет обоснованно подходить к выбору мертвого объема водохранилища, определяемого как из условия длительности заиления, так и рядом других факторов: выбором минимальной отметки ГМО для обеспечения работы самотечных оросительных каналов, условиями судоходства в верхнем бьефе и т. п.
Кроме того, важное значение для эксплуатации ГЭС имеют данные о крупности, форме и материале наносов, используемые при разработке мероприятий по эксплуатации гидромеханического оборудования гидроэлектростанций.
Расчет стока наносов является более приближенным, чем расчет характеристик стока воды, вследствие недостаточной изученности этого, вопроса. Отсутствие длительных наблюдений за твердым стоком, даже на крупных реках, не позволяет установить надежно норму твердого стока путем вычисления ее по материалам наблюдений.
Вычисление же величин твердого стока различной обеспеченности и внутригодовое распределение его представляет еще более сложную задачу.
Ввиду этого вычисление характеристик твердого стока производится косвенными методами; при отсутствии наблюдений, что очень часто встречается в расчетах твердого стока на малых реках, используются приближенные зависимости и эмпирические формулы.
Учитывая, что годовые величины стока воды и наносов находятся примерно в прямолинейной зависимости, при наличии короткого ряда наблюдений за стоком наносов можно осуществить приведение наблюденных величин к норме стока наносов. Располагая величинами нормы стока воды Q0 и среднего годового расхода воды Qt за какой- либо год, за который имеются также данные о годовом стоке наносов Ri, норму стока наносов можно определить из соотношения
(155)
При этом если год, за который имеются наблюдения за стоком наносов, ближе по водности к среднему году, то результат расчета получается точнее.
При наличии одновременных наблюдений за стоком воды и наносов за ряд лет указанным способом производится расчет для каждого года, после чего полученные результаты осредняются. В последнем случае приведение короткого ряда наблюдений к длинному можно производить также путем построения графика связи средних годовых расходов воды и наносов; в отдельных случаях такая связь может быть установлена по месячным данным. При отсутствии данных наблюдений за твердым стоком норма стока наносов может быть установлена по карте средней многолетней мутности рек (рис. 83). Следует иметь в виду, что эта карта, составленная Г. И. Шамовым по наиболее полным данным, все же имеет точность, значительно меньшую, чем карты нормы стока воды. Такое положение объясняется недостатком материалов наблюдений за твердым стоком, а также и тем, что норма стока наносов, имея зональный характер распределения по территории, в очень большой степени зависит от азональных факторов, таких, как характер рельефа и почв, степень распаханности полей и т. п. Это имеет особое значение при расчетах твердого стока малых рек, для которых необходимо вносить существенные коррективы в норму стока, найденную по карте.
Так, по данным К. П. Воскресенского, в Курской области и Ставропольском крае мутность малых водотоков с площадью водосбора менее 50 км2 в 5—10 раз превышает мутность, указанную на карте; величины, указанные на карте, могут быть приняты без коррективов лишь для рек с площадью водосбора свыше 200 км2.
Изложенные способы относятся к вычислению нормы стока взвешенных наносов; сток влекомых (донных) наносов изучен еще менее, чем сток взвешенных наносов, поэтому его оценка может быть сделана с грубым приближением.
Рис. 83. Карта средней многолетней мутности рек СССР
Ориентировочно можно считать, что средняя многолетняя величина влекомых наносов составляет примерно 5—10% от нормы стока взвешенных наносов равнинных рек и 10—30% — для горных рек.
Если по гидрометрическим данным имеются сведения о крупности наносов, то для определения расхода донных наносов можно воспользоваться следующей формулой Г. И. Шамова:
Результат вычисления по формуле (160) для малых бассейнов должен быть откорректирован по материалам хотя бы кратковременных наблюдений за стоком наносов.
Использование формулы (158) основано на предположении о полном задержании годового стока наносов в водохранилище. В действительности же ежегодное количество наносов, задержанных в водохранилище, меньше годового стока наносов, и, кроме того, по мере заиления водохранилища количество ежегодно отлагающихся наносов уменьшается. Вначале заиление водохранилища происходит более интенсивно, а затем этот процесс замедляется.
Закономерность убывания величины Wt— объема водохранилища, оставшегося незаиленным по истечении времени t от момента начала заиления, может быть выражена уравнением
Рис. 84. График для определения продолжительности заиления водохранилища.
Вычислим далее по формуле (157) величины предельной скорости Vпр и по формуле (165) — скорости осаждения частиц различных диаметров. Подставляя найденные значения в формулу (164), получим:
По найденным значениям L можно уточнить величины Н, ω и Vср в пределах расчетных участков, пользуясь топографическими характеристиками водохранилища, и вновь вычислить длины участков L.
