§ 47. Регулирование стока половодий и паводков и расчет трансформации гидрографа
Выше были рассмотрены методы расчетов регулирования стока применительно к задачам энергетики.
В том случае, когда на водохранилище возлагается также задача срезки пика половодья с целью уменьшения зоны временного затопления в период пропуска паводка и уменьшения величины максимального сбросного расхода, необходимо производить расчет регулирования с учетом трансформации стока как проектируемым водохранилищем, так и существующими, расположенными выше проектируемого гидроузла. Этот расчет дает возможность оценить трансформирующую способность водохранилища при выбранных его размерах и установить величину срезки максимального расхода, достигаемую при регулировании.
Следует иметь в виду, что регулирование высокого стока в целях сокращения размеров водосбросных сооружений требует другого порядка работы водохранилища, чем регулирование для энергетических целей.
При заданной емкости водохранилища наибольшее уменьшение сбрасываемого в нижний бьеф максимального расхода воды достигается в том случае, когда при ненаполненном водохранилище в нижний бьеф пропускается вся поступающая по реке вода вплоть до момента, когда расход ее достигает наибольшей величины, допускаемой к сбросу.
Для энергетических целей более целесообразным является полная сработка водохранилища к моменту начала половодья. Поэтому работа ГЭС при опорожненном водохранилище до момента наступления максимума половодья вызывает снижение выработки энергии за счет уменьшения напора ГЭС.
Выбор режима регулирования, таким образом, должен производиться с учетом указанных требований.
При проектировании водохранилищ регулирование высокого стока, т. е. срезку максимального расхода воды, следует предусматривать в той мере, в какой это мероприятие оказывается экономически целесообразным. Регулирование высокого стока позволяет сокращать размеры и стоимость водосбросных сооружений и предотвращать наводнения в нижнем бьефе. Вместе с этим возникают дополнительные затраты, связанные с увеличением емкости водохранилища, а также с потерями воды и энергии, вызываемыми ограничениями в использовании емкости.
При назначении режима пропуска половодий и паводков необходимо учитывать не только эти особенности, но и простоту, экономичность и надежность эксплуатации. Если в бассейне реки имеются водохранилища, расположенные выше проектируемого, то при расчетах регулирования высокого стока следует учитывать влияние вышележащих водохранилищ на режим работы проектируемого водохранилища. Влияние это выражается в уменьшении объема притока воды за период половодья или паводка, в смещении календарных сроков продвижения волны высоких вод и в изменении формы гидрографа. Обычно вышележащие водохранилища облегчают условия пропуска половодья или паводка через нижерасположенные сооружения. Однако в отдельных случаях изменения, вносимые подпертыми бьефами в режим половодий и паводков, могут привести к обострению пика и к увеличению максимального расхода воды.
При наличии водохранилищ выше проектируемого гидроузла необходимо произвести поверку размеров их водосбросных сооружений, так как эти размеры могут не соответствовать условиям пропуска высоких вод через сооружения проектируемой ГЭС. При этом возможны два случая: 1) водосбросные сооружения верхового узла способны пропустить расходы большей величины, чем расходы заданной обеспеченности для сооружений низового узла; 2) водопропускные сооружения верхового узла недостаточны для пропуска расходов воды расчетной обеспеченности низового гидроузла.
В первом случае необходимо провести дополнительный поверочный расчет, подтверждающий достаточную пропускную способность водосбросных сооружений низового узла в чрезвычайных условиях эксплуатации, могущих возникнуть при сбросе воды из верхового водохранилища с полным открытием водопропускных отверстий.
Во втором случае при проектировании низового гидроузла необходимо предусмотреть мероприятия, обеспечивающие его безопасность. К числу таких мероприятий следует отнести: увеличение размеров водопропускных сооружений верхового узла; расчет низового узла на пропуск дополнительной волны, которая могла бы образоваться в случае прорыва вышележащего подпорного сооружения; наращивание высоты дамб и плотин и т. п.
Порядок регулирования высокого стока, устанавливаемый при расчете водохранилища, должен обеспечивать срезку максимального расхода воды половодий расчетной обеспеченности до величин, принимаемых при проектировании водосбросных сооружений. Этот порядок закрепляется соответствующими правилами работы водохранилища, составляющими неотъемлемый элемент его проекта и обязательными при эксплуатации водохранилища.
При расчете водохранилища для целей регулирования высокого стока должны быть установлены следующие основные элементы:
а) уровень, до которого водохранилище должно быть опорожнено к началу половодья или паводка;
б) порядок открытия водопропускных отверстий в зависимости от хода наполнения водохранилища и от прогноза стока;
в) уровень форсировки водохранилища в половодье или паводок, соответствующий чрезвычайным условиям эксплуатации;
г) максимальный расход воды, пропускаемый в нижний бьеф в чрезвычайных условиях эксплуатации.
Уровень обязательного предполоводного опорожнения водохранилища определяет нижнюю границу так называемой резервной призмы, используемой для регулирования высокого стока. Эта граница может совпадать с нормальным подпорным горизонтом или располагаться ниже его.
В первом случае для регулирования высокого стока используется емкость форсировки, размещающаяся выше НПГ; во втором случае для регулирования используется также часть рабочей емкости водохранилища, расположенной ниже нормального подпорного горизонта.
Если проектом предусматривается использование верхней части рабочей емкости водохранилища для регулирования высокого стока, то опорожнение водохранилища до соответствующего уровня должно быть обеспечено к началу периода обязательного задержания избытков высокого стока.
Водохранилище опорожняется до заданного уровня к дате наиболее раннего начала половодья; в остальное время года верхняя часть рабочей емкости может быть использована для создания запаса воды, обеспечивающего энергоснабжение. Если высокие паводки могут проходить неоднократно на протяжении сезона, резервная емкость должна оставаться свободной в продолжение всего сезона возможного прохождения высоких паводков. После ее заполнения паводком следует немедленно опорожнить водохранилище для принятия следующей волны высокого стока. При возможности прохождения таких паводков в течение всего года использование резервной емкости для создания запаса воды исключается. Следует иметь в виду, что требованиям регулирования высокого стока, как непосредственно связанным с безопасностью сооружений, отдается безусловное предпочтение перед требованиями других видов использования водохранилища.
Наименьшие размеры водосбросных отверстий получаются при следующем порядке регулирования высокого стока.
Резервная емкость водохранилища должна оставаться свободной до того момента, когда приток воды к водохранилищу начинает превышать заданную величину "срезанного" максимального расхода, подлежащего сбросу в нижний бьеф. Для этого по мере нарастания половодья или паводка сброс увеличивается без повышения уровня верхнего бьефа путем постепенного открытия водосбросных отверстий.
По достижении полного открытия отверстий начинает производиться наполнение водохранилища. Необходимые размеры водосбросных отверстий в этом случае определяются из условия, чтобы при пропуске паводка уровень верхнего бьефа не превосходил допускаемого для него предела. Максимальный расход воды, сбрасываемый в нижний бьеф, устанавливается по этому уровню и по пропускной способности водосбросных сооружений.
Помимо этого основного расчетного случая, возможны и другие задачи, в решении которых возникает необходимость при расчетах трансформации гидрографа половодья или паводка. Эти задачи можно свести к следующим:
- При заданной конструкции и размерах водосбросных сооружений необходимо определить величину трансформированного сбросного расхода q и по этому расходу установить величину напора водосбросных сооружений h и отметку горизонта катастрофического паводка (РКП).
- При заданных типах водосбросных сооружений требуется найти зависимость между их размерами и величиной напора при прохождении расчетного паводка. Эта задача возникает, когда твердо установить отметку ГКП заранее не представляется возможным.
До конца седьмого интервала в водохранилище происходит накопление воды, после чего начинается сработка накопленного объема; к этому моменту величина сбросного расхода достигает максимума.
Помимо изложенного, существуют более точные табличные и другие методы, однако особой необходимости в уточнении расчета при проектировании сельских ГЭС не возникает, учитывая схематичность исходного расчетного гидрографа паводка.
