Сообщение о водохранилищах. Нормативные уровни и составляющие объема водохранилищ. Определение мёртвого объема водохранилища

История строительства водохранилищ

Водохранилища – это искусственные водоемы, созданные для накопления и последующего использования воды и регулирования стока. Первые водохранилища появились на Земле более 4 тыс. лет назад. Их строили для целей орошения земель и борьбы с наводнениями в Древнем Египте, Месопотамии и Китае. Несколько позже началось сооружение водохранилищ в Индии, Сирии, Иране и Египте. Так, например, плотина Карнальбо, была построенная на р. Альбаррегас в Испании во II в. до н.э., а образовавшееся в результате водохранилище объемом в 10 млн. м 3 , существует до сих пор. А сасым древним на Земле является водохранилище с плотиной Садд-эль-Кафара, созданное в древнем Египте в 2950-2750 гг. до н.э. Имеются данные о строительстве водохранилищ ацтеками, майя и инками в доколумбовой Америке. К сожалению, большинство их было разрушено испанскими конкистадорами в XV-XVI вв.

В III-IX и особенно в XII-XIII вв. в Европе широкий размах приобрело строительство мельничных плотин с небольшими прудами-водохранилищами. В XVIII-XIX вв., в эпоху промышленной революции, небольшие водохранилища создавались при горнорудных предприятиях, металлообрабатывающих и лесопильных заводах, прядильно-ткацких фабрик, а также для водоснабжения.

Несмотря на тысячелетнюю историю строительства, водохранилища с полным основанием можно назвать порождением нашего века. Полный объем всех водохранилищ планеты, существовавших к концу XIX в., составлял всего 15 км 3 . Теперь же только одно Братское водохранилище на р. Ангаре имеет объем 169 км 3 , что в 11 с лишним раз превышает объем всех водохранилищ планеты, существовавших на рубеже двух веков.

По данным А. Б. Авакяна массовый и повсеместный характер создание водохранилищ приобрело за последние 50 лет, когда их число возросло на земном шаре в четыре раза, а суммарный объем увеличился в десять раз, в том числе в странах и – в 35 раз, – в 60 раз и Азии – в 90 раз. За это период были построены все самые крупные водохранилища нашей планеты.

Размещение и размеры водохранилищ.

Сейчас в мире эксплуатируется более 60 тыс. водохранилищ и ежегодно появляется несколько сот новых.. Их полный объем превышает 6,6 тыс. км 3 , а площадь водного зеркала – более 400 тыс. км 2 , а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км 2 . Для сравнения это площадь пятнадцати Азовских морей.

Ежегодно в строй вступают от 300 до 500 новых водохранилищ. Многие крупные реки планеты – Волга, Ангара, Миссури, Kолорадо, Парана, Теннеси и др. – превращены в каскады водохранилищ. А по прогнозам ученых через 30-50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем Земли.

В водохранилища превращены некоторые озера (Байкал, Онежское, Виктория, Виннипег, Онтарио и др.) путем повышения уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек.

Водохранилища имеются на всех континентах (кроме Антарктиды), во всех странах, во всех географических зонах (кроме арктической), во всех высотных поясах, вплоть до подножия горных ледников. Однако из-за многообразия природных и социально-экономических условий размещены они по территории земного шара и в пределах большинства государств очень неравномерно.

На территории Европы более 3 тыс. преимущественно небольших водохранилищ. Только в европейской части России, Финляндии, Норвегии, Испании, Греции есть водохранилища объемом более нескольких кубических километров. На территории Северной Америки (Канада, США, Мексика) имеется свыше 3 000 водохранилищ, а на территории Южной Америки их не более 500. На территории Азии, Африки и Австралии существует около 3 700 водохранилищ, самые крупные из них находятся в России, АРЕ, Гане, КНР, Родезии, Ираке и др.

Водохранилища существенно преобразовали ландшафт многих речных бассейнов. Их создание изменило не только облик самих рек, но и природу прилегающих территорий в общей сложности на площади 1,5 млн. км 2 , что равно суммарной площади таких европейских государств, как Франция, Испания, Великобритания и ФРГ.

Хотя водохранилища созданы и эксплуатируются человеком, развиваются они по законам природы, воздействуют на нее, неразрывно с нею связаны и являются ныне ее неотъемлемой частью.

Главная цель создания водохранилищ – регулирование речного стока. Они строятся в основном в интересах энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснабжения, лесосплава, рыбного хозяйства, в рекреационных целях и в целях борьбы с наводнениями. Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдается накопленная вода – в другие.

Среди показателей, характеризующих размеры водохранилищ наиболее важны объем и площадь водного зеркала, поскольку именно этими параметрами определяется в значительной степени воздействие на окружающую среду. Площадь, объем и глубина водохранилищ колеблются в широких пределах. Площадь изменяется от 1-2 км 2 до 5 740 км 2 (Братское) и 8 480 км 2 (Вольта), объем – от 1 млн. м 3 до 169,3 млрд. м 3 (Братское) и 204,8 млрд. м 3 (Виктория), глубина – от нескольких до 300 м и более: Вайонт (262 м) в Италии, Гранд-Диксанс (284 м), Швейцарии, Нурекское (300 м) и Рогунское (306 м) в Таджикистане.

По величине площади водохранилища классифицируются на крупнейшие (с площадью водного зеркала более 5000 км 2), очень крупные (5000-500 км 2), крупные (5000-100 км 2), средние (100-20 км 2), небольшие (20-2 км 2) и малые с площадью зеркала воды менее 2 км 2 . Совсем малые водохранилища, создаваемые на мелких звеньях гидрографической сети, называют прудами, а в земляных выемках – копанями.

Крупнейших водохранилищ (без учета озер-водохранилищ) это водохранилища-гиганты: Вольта, Братское Кариба, и Насер. Очень крупные водохранилища составляют около 1 % всех водохранилищ, крупные – 5 %, средние – 15 %, небольшие – 35 % и малые – 44 %. Как видим, основная масса искусственных водоемов представлена небольшими и малыми водохранилищами.

К наиболее глубоким водохранилищам, помимо упомянутых выше, относятся Барука (260 м) – в Коста-Рике, Мика (235 м) – в Канаде, Саянское (220 м) – в России. Наибольший объем воды имеют такие гиганты, как Братское водохранилище (169 км 3), Кариба (160 км 3), Насер (157 км 3), Вольта (148 км 3), Гури (135 км 3), Красноярское и Вади-Тартар (по 73 км3). К наиболее протяженным относятся следующие водохранилища: Куйбышевское (650 км), Братское (565 км), Волгоградское (540 км) и Насер (500 км).

Крупнейшие водохранилища мира.

Площади водохранилищ и другие морфометрические элементы сильно меняются при наполнении и сработке уровня воды. Так, площади Куйбышевского, Рыбинского и Цимлянского водохранилищ сокращаются в 1,5-2 раза при максимальном снижении уровней по сравнению с наивысшим проектным уровнем, что, естественно, отражается на изменении их гидрологического режима, преобразовании берегов и дна котловины.

Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких пределах – от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ до многих десятков и более 100 м для горных водохранилищ.

Чрезвычайно многообразна форма акваторий водохранилищ. Преобладают водохранилища вытянутой формы с более или менее извилистой береговой линией, но немало также водоемов простой (округлой, овальной) и очень сложной (корневидной, вилообразной, многолопастной и др.) формы.

В странах СНГ в настоящее время насчитывается свыше 4 тыс. водохранилищ объемом более 1 млн м 3 . Их суммарный полный объем превышает 1 200 км 3 , площадь зеркала составляет 87 тыс. км 2 (т;е, больше территории Австрии), а с учетом подпруженных озер – 145 тыс. км 2 . На водохранилища России приходится около 15 % их общего количества в мире и 20 % объема площади. Длина береговой линии водохранилищ превышает длину береговой линии морей, омывающих нашу страну. На берегах водохранилищ проживает 20 млн. человек.

Первые, существующие и поныне, небольшие водохранилища были сооружены в конце XVII – начале XVIII в Карелии, Центральном районе и на Урале. Со второй половины XIX в. водохранилища стали строить на Украине, в Прибалтике, Туркмении и др. Первое водохранилище на Волге, Верхневолжский бейшлот, было создано более 150 лет назад, в 1843 г. Тогда в верховье Волги соорудили плотину, единственным назначением которой было задерживать весенние воды и затем летом спускать их, чтобы увеличить судоходные глубины на Верхней Волге до Рыбинска.

Наиболее интенсивно создание и наполнение водохранилищ происходило в послевоенные годы: в 1955-1960 гг., в 1965-1970 гг. и в 1975-1980 гг. В первый период суммарный объем водохранилищ увеличился на 218 км 3 , во второй – на 338 км 3 и в третий – на 178 км 3 (Авакян).

Большинство крупных и средних водохранилищ имеют комплексное назначение, т.е. удовлетворяют потребности одновременно нескольких отраслей народного хозяйства (энергетики, орошения, водного транспорта, водоснабжения). Малые водохранилища зачастую создаются для решения одной конкретной задачи – либо для энергетических целей, либо для целей орошения и т.д.

По территории России водохранилища размещены неравномерно. Велик удельный вес суммарного объема (45 %) и площади водного зеркала (более 35 %) водохранилищ Восточной Сибири и Дальнего Востока). Большие объемы воды заключены в горных водохранилищах Средней Азии (при относительно малой их площади), в предгорных Казахстана (на реках Иртыше и Или), в водохранилищах Волжско-Камского каскада.

В центральных и северных районах европейской части России водохранилища создаются, как правило, для энергетики и водного транспорта; на Северном Кавказе – для решения задач энергетики и орошения; в южных засушливых районов – в первую очередь для орошения; в Сибири – для энергетики и водного транспорта, а на Дальнем Востоке – еще и борьба с наводнениями.

В целом водохранилища создаются для решения определенных народохозяйственных целей, а развиваются по природным законам.

Методика определения полезной емкости зависит от масштабности проекта и степени ответственности сооружения, режима регулирования стока (сезонного или многолетнего) и стадии проектирования.

В данной работе примем балансовый метод для расчетного года 75% обеспеченности, то есть будем определять емкость водохранилища по разности интегральной кривой стока и водопотребления.

Для расчета используется таблица расчета исполнения водохранилища.

Табл.12. Динамика наполнения водохранилища при регулировании расчетного года

Полезный объем водохранилища

Определение мёртвого объема водохранилища.

Мертвый объем водохранилища назначают из следующих соображений:

Заиление емкости водохранилища в результате отложения наносов должно произойти не раньше установленного периода (T заил = 50 лет);

В соответствии с санитарными требованиями глубина водохранилища должна быть не менее заданной отметки, которая устанавливается из условия предотвращения инфекционных заболеваний;

Недопущение полного промерзания емкости (h > 3м);

При наличии судоходства в ВБ глубина должна соответствовать требованию водного транспорта;

Так как в состав гидроузла входит ГЭС, напор, созданный при отметке МО должен обеспечивать проектную выработку электроэнергии и гарантированную мощность ГЭС.

Из всех видов емкостей выбирается максимальная.

Санитарный объем.

Принимается по величине попуска на разбавление

Объем заиления

Где S – среднемноголетний сток, S=457,27млн.м 3 ;

Мутность реки, кг/м 3 ;

r – доля влекомых насосов, r=0.04(0,05)

T заил – расчетный срок заиления водохранилища, Т заил =50лет;

– объемный вес отложений (насосов), =1100-1200кг/м 3

Требования ГЭС.

– отметка нижнего бьефа,

Для определения отметки нижнего бьефа при расходах нам необходима кривая расходов в нижнем бьефе.

Где t – среднее количество секунд в месяц, t = 2.63 млн.сек/мес;

W ГЭС i – объем воды для ГЭС за один месяц.

Следовательно, Н НБ =131,5 м

Находим объем ГЭС в верхнем бьефе

,

Для = 131,5 м получаем =113 млн.м 3

Общий обьем воды для ГЭС находим по формуле:

При получаем НПУ=168м.

Характерные емкости показаны на батиграфической кривой

Ак же наносим полный и мертвый объемы.

Уточняем площадь зеркала водохранилища при отметке НПУ =444м:

Выводы:

1. В проекте запроектирован ВХК в составе следующих участников: ГКБХ, СКБХ, промышленность, орошение, животноводство (КРС), рекреация, ТЭС, водный транспорт, рыбное хозяйство, ГЭС.

Проведен комплекс специальных водохозяйственных мероприятий по экономии водных и улучшению их качества (применили 5 методов управления):

1) Введение оборотной системы водоснабжения в промышленности;

2) Улучшение качества очистки сточных вод ГКБХ и рекреации;

3) Ограничение водопотребления в орошении и в животноводстве;

4) Снижение нагрузки на водный объект со стороны СКБХ, животноводства и орошения;

5) Повторное использование сточных вод животноводства на орошение;

6) Переброска части стока из смежного бассейна реки.

В результате расчетов ВХБ = 0,53 млн. м 3 . При этом снята необходимость многолетнего регулирования стока.

2. При расчете ВХБ в месячных интервалах времени наблюдаются дефициты воды в отдельные месяцы года (1,2,6,7,8,9,10,11,12), а в остальные месяцы (3,4,5) наблюдаются избытки воды.

3. Запроектировано водохранилище сезонного регулирования для снятия внутригодовых дефицитов водных ресурсов и повышения водообеспеченности с учетом санитарно-экологических требований.

4. В составе гидроузла предусмотрено водохранилище объемом W полн =179,9 млн. м 3 при отметке НПУ = 168 м, земляная плотина, высотой Н плот = 38 м, с открытым береговым водосбором и здание ГЭС руслового типа.

Список используемой литературы:

1. Комплексное использование и охрана природы. Под ред. В.В. Шабанова. – М.: Колос,1994.

2. Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Соколова С.А. Разработка водохозяйственных мероприятий в бассейне реки. – М.: МГУП, 2011. 100 с.

3. Практикум по инженерной гидрологии и регулированию стока. Под ред. Е.Е. Овчарова. – М.: Колос, 1996.

4. Мелиорация и водное хозяйство. Т. 5. Водное хозяйство: Справочник / Под ред. Бородавченко И.И., - М.: Агропромиздат, 1988.

Если внимательно рассматривать карту России, то в разных ее регионах можно увидеть довольно крупные голубые пятна неправильной формы - водохранилища. Судя по их размеру, это настоящие моря, заключенные в глубине материка. Согласно статистическим данным, водохранилища России содержат в себе около 800 кубических километров пресной воды. Впечатляющая цифра.

Что называют водохранилищем? Как оно образуется? Какие функции выполняет в народном хозяйстве? Ответы на все эти вопросы - в нашей статье. Кроме того, вы узнаете о том, какое водохранилище в России самое крупное. Итак, начнем нашу виртуальную прогулку по искусственным морям страны.

Водохранилище - что это такое?

Водохранилищем в гидрологии принято называть довольно крупный водоем искусственного происхождения, образованный подпорным сооружением (дамбой или плотиной ГЭС) с целью накопления и дальнейшего использования воды для нужд хозяйства и населения. Сравнительно небольшие по площади искусственные водоемы также нередко называют прудами или ставками.

Силу текущей воды наши предки использовали с самых древних времен. Так, первые упоминания о водяных мельницах встречаются еще в древнерусских летописях. При таких мельницах, само собой разумеется, создавались небольшие прудики. Именно их и можно считать прототипами современных «искусственных морей».

Первые водохранилища в России начали создавать в начале XVIII века, во время соединения системой каналов Волги с Балтийским морем. В XIX веке искусственные водоемы активно использовались для судоходства, а также снабжали сотни промышленных заводов водой и электроэнергией.

В современной России водохранилища также исправно служат людям. В частности, они:

• Снабжают водой поля и сельскохозяйственные угодья в засушливых районах страны (через оросительные системы).
• Регулируют сток крупных рек и таким образом предотвращают наводнения и подтопления населенных пунктов.
• Создают условия для свободного перемещения крупногабаритных судов.
• Способствуют разведению многих ценных пород ихтиофауны.
• Создают условия для активного отдыха и рекреации местного населения (как летнего, так и зимнего).

Классификация водохранилищ

Существует большое количество классификаций водохранилищ. Их делят по характеру использования, площади поверхности, объему воды, глубине, местоположению и т. д. Так, исходя из строения дна, водохранилища бывают:

• Долинные (те, которые сформировались в речных долинах).
• Котловинные (образованные путем подпруживания озера, морского залива или лимана).

По местоположению водного объекта все водохранилища можно поделить на:

• Равнинные.
• Предгорные.
• Горные.

Наконец, по площади водного зеркала водохранилища делятся на:

• Малые (до 2 км 2).
• Небольшие (2-20 км 2).
• Средние (20-100 км 2).
• Большие (100-500 км 2).
• Очень большие (500-5 000 км 2).
• Крупнейшие (свыше 5 000 км 2).

Самые большие водохранилища России: список и названия

Россия - абсолютный лидер на планете по общему количеству искусственных водоемов. Здесь таковых насчитывается не менее 30 тысяч. Почти все водохранилища России были созданы уже после Второй мировой войны, преимущественно в 50-70-х годах ХХ века. По территории страны они размещены крайне неравномерно. Так, в азиатской части их примерно в десять раз меньше, чем в европейской.

Итак, крупнейшие водохранилища России (по площади):

1. Куйбышевское (6 500 км 2).
2. Братское (5 470 км 2).
3. Рыбинское (4 580 км 2).
4. Волгоградское (3 117 км 2).
5. Цимлянское (2 700 км 2).
6. Зейское (2 420 км 2).
7. Вилюйское (2 360 км 2).
8. Чебоксарское (2 190 км 2).
9. Красноярское (2 000 км 2).
10. Камское (1 910 км 2).

«Жигулевское море»

Площадь: 6 500 км 2 . Объем: 58 км 3 .

Самое большое водохранилище в России (и третье по величине в мире) - Куйбышевское. Его еще часто называют "Жигулевским морем". Оно возникло в 1957 году в результате возведения плотины одноименной ГЭС. Расположено на реке Волге, в пределах нескольких регионов РФ: Самарской и Ульяновской областей, Чувашии, Татарстана и Республики Марий Эл.

Протяженность Куйбышевского водохранилища - 500 км, а максимальная ширина - 40 км. Глубины не превышают сорока метров. Грандиозный водный резервуар находится в сердце крупнейшего промышленного края России. Жигулевская ГЭС ежегодно производит около 10 млрд. кВт-час электроэнергии. Само же водохранилище обеспечивает пресной водой более одного миллиона гектаров сельскохозяйственных угодий. Помимо всего прочего, Жигулевское море является популярной рекреационно-туристической зоной благодаря мягкому климату и живописности береговой линии.

Братское водохранилище

Площадь: 5 470 км 2 . Объем: 169 км 3 .

Братское водохранилище, расположенное на реке Ангаре, уступает Жигулевскому морю по площади, но во многом превышает его в объеме. Соответственно, и глубины водного резервуара относительно велики: в отдельных местах они достигают отметки в 150 метров.

Братская ГЭС, построенная в 1961 году, затопила огромное количество земель (включая знаменитый Братский Острог) и в то же время поспособствовала созданию мощнейшего промышленного кластера в азиатской части страны. В наши дни водоем активно используется для водоснабжения, сплава древесины и вылова рыбы. Его берега чрезвычайно сильно изрезаны. В местах впадения в Ангару других водотоков сформировались достаточно широкие и длинные заливы.

Рыбинское водохранилище

Площадь: 4 580 км 2 . Объем: 25 км 3 .

Второе по размеру водохранилище на Волге - Рыбинское. Оно расположено в пределах трех областей - Ярославской, Тверской и Вологодской.

Водохранилище отличается довольно необычной формой. 17 тысяч лет назад на его месте существовало крупное ледниковое озеро. Со временем оно высохло, оставив после себя обширную низменность. Ее заполнение началось в 1941 году в результате сооружения Рыбинского гидроузла. 130 тысяч человек пришлось переселить в другие места. Более того, создание Рыбинского водохранилища поглотило 250 тысяч гектаров лесов, около 70 тысяч га пашни и 30 тысяч га пастбищ.

Сегодня на берегах псевдоморя действует гигантская научная лаборатория, изучающая воздействие искусственных водоемов на природные комплексы тайги.

На территории России построено более ста крупных объектов - искусственно созданных с помощью плотин скоплений воды. В данной статье рассмотрим подробно, что такое водохранилище, его основные характеристики, роль влияния на экологию.

Водохранилище - что это?

Что такое водохранилище? Это компонент ландшафта, искусственно созданный человеком. Гидрологический речной режим регулируется в соответствии с необходимыми требованиями. Использование накопленных вод в водохранилище определяется хозяйственными потребностями.

Роль искусственных водоемов

Россия занимает огромные площади континента Евразия. Ее территории простираются от берегов Северного Ледовитого океана до южных степей и пустынь. Не везде есть обилие рек и озер, полностью удовлетворяющих запросы человека. Народное хозяйство требует больших расходов пресной воды. Искусственные водоемы с давних пор использовались для бытовых нужд населения и орошения посевов. Древнейшим рукотворным резервуаром считается египетский Садд-эль-Кафара, построенный еще до нашей эры. С начала XX века сооружение таких водоемов стало повсеместным. Сейчас на планете более 60 тысяч искусственно созданных водоемов. Крупнейшими водохранилищами в мире признаны Насер в Египте на реке Нил, Вольта в Гане, в России Куйбышевское на Волге и Братское на Ангаре.

Назначение

Суммарная площадь всех водоемов мира, созданных человеком за всю историю, - более 400 тысяч квадратных километров. Большинство водохранилищ расположено в Европе, Азии и Северной Америке. Что такое водохранилище для людей, кроме больших запасов воды, используемых для основных бытовых и хозяйственных потребностей? Эксплуатация искусственных водоемов позволяет более разумное применение водных ресурсов - накопленные применяют для орошения почвы, водоснабжения населения и промышленности, гидроэнергетики и транспортных путей. Также используются с целью предотвращения наводнений.

Часто водохранилища - это излюбленные места отдыха и рыбной ловли. Однако, несмотря на положительный экономический эффект, строительство плотин нередко вызывает негативные последствия, влияющие на экологию сопредельных территорий.

Категории искусственных резервуаров

Водохранилища могут подразделяться по нескольким признакам:

• структура;
• местонахождение в речном бассейне;
• способ заполнения;
• степень регулирования уровня воды;
• географическое расположение.

По характеру ложа водохранилища делятся на:

1. Долинные - долины, перегороженной плотиной, является ложем. Направление уклона дна от верхней части к плотине - основной признак, определяющий это водохранилище. Глубина увеличивается к плотине. Могут быть русловые и пойменно-долинные.
2. Котловинные - расположены в изолированных от моря с помощью дамб низинах.

По месту в речном бассейне:

1. Верховые.
2. Низовые.
3. Каскад - ступенчатая система на речном русле.

По наполняемости водой:

1. Наливные.
2. Запрудные.

По характеру регулирования уровня воды:

1. Многолетний - заполнение ложа может происходить в течение нескольких лет.
2. Суточный - уровень регулируется постоянно.
3. Сезонный - сброс воды происходит в определенное время года. Сезонные стоки применяются в целях искусственного орошения сельскохозяйственных земель в весенне-летний период и снижения возможной опасности наводнения.

Зимние понижения уровня опасны для растительного и животного мира созданного с помощью плотины водоема. В случае если сезонный сток происходит на водохранилище зимой, пласты льда, оседающие на осушенное дно, придавливают большое количество рыбы.

По географическому положению:

1. Равнинное - широкое водохранилище, высота уровня воды не больше 30 метров.
2. Горное - величина повышения уровня может достигать более 300 метров.
3. Предгорное - показатели находятся в пределах 100 метров.
4. Приморское - напор несколько метров, сооружают в морских заливах.

Что такое водохранилище для рыбака и туриста?

Изменение русла реки оказывает негативное влияние на нерест рыбы. Вследствие изменения кормовой базы и мест скопления популяций постепенно беднеет видовой состав. Ценные породы исчезают. Однако рыбная ловля на водохранилище зачастую бывает удачной.

Крупные водохранилища характеризуются собственным микроклиматом. Нередко крупные пресные резервуары называют морем. На открытом водном зеркале возникают волны, которые из-за отсутствия естественных препятствий в виде островов отличаются большой высотой. Не только жители окрестных берегов предпочитают отдых на водохранилище, живописные ландшафты и богатая фауна привлекают многочисленных туристов и путешественников.

Влияние на окружающую природу

Строительство водохранилищ может неблагоприятно повлиять на природные условия окружающей местности. Самые серьезные негативные последствия строительства крупных водохранилищ - затопление земель, подъем уровня грунтовых вод, заболачивание прибрежных зон. Общая площадь территорий, ушедших под воду, - приблизительно 240 тысяч квадратных километров. Заиление водохранилищ представляет собой процесс формирования крупных наносов на дне, приводит к уменьшению уровня воды. Также предполагается, что дополнительная нагрузка в виде массы накопленных объемов воды может привести к повышению уровня сейсмичности.

Сооружение водохранилищ влечет множество разнообразных последствий. В процессе создания и эксплуатации плотин следует тщательно планировать строительство и учитывать экологические прогнозы.

Лекция 9. Полезный объем водохранилища. Обоснование оптимальнойглубины сработки водохранилища.

9.1 Полезный объем водохранилища годичного регулирования

Основной задачей водохранилища годичного регулирования является увеличение количества энергии и мощности ГЭС в течение маловодного периода года за счет избыточной воды, задерживаемой в водохранилище во время паводка. Первый вопрос, который должен быть нами решен,- это вопрос о разделении всего объема водохранилища годичного регулирования на две части - полезный и мертвый объемы. Имея полный объем водохранилища, необходимо разделить его на эти два объема, т. е. решить вопрос об определении глубины сработки водохранилища или установить отметку УМО. При решении этой задачи мы будем считать, что отметка НПУ водохранилища известна и что водохранилище всегда может быть наполнено во время паводка, за исключением очень редких случаев при наступлении особо неблагоприятных гидрологических условий. Эти случаи пока не будем принимать во внимание.

Задача заключается в том, чтобы найти такую предельную глубину сработки водохранилища, при которой может быть получен наибольший энергетический эффект на ГЭС. Если мы приняли, что водохранилище может быть наполнено в каждом году, то здесь мы можем рассматривать период опорожнения водохранилища отдельно. Общее решение задачи можно получить следующим образом.

C увеличением опорожнения водохранилища увеличивается и количество энергии, которое получается за счет использования водохранилища. Эта энергия зависит только от того, до какой глубины будет сработано водохранилище, и практически не зависит от продолжительности времени, в течение которого производится опорожнение водохранилища, величины транзитного стока или других факторов.

Выработку ГЭС при наличии водохранилища можно представить состоящей из двух частей: выработки электроэнергии за счет транзитного стока реки, протекающего во время сработки водохранилища, и выработки за счет сработки водохранилища

Э ГЭС =Э В +Э ТР (11-2)

Количество транзитной энергии ГЭС зависит, конечно, от объема транзитного стока, т. е. от величины транзитных расходов воды и продолжительности периода опорожнения водохранилища. Но оно зависит также и от напора, т. е. от глубины сработки водохранилища. Наконец, оно зависит от режима сработки водохранилища. При быстрой сработке водохранилища в начале маловодного периода, как, например, показано на рис. 1.1, большая часть транзитного стока проходит при сравнительно малом напоре и потому дает небольшой энергетический эффект. Сработка же главным образом в конце маловодного сезона, показанная на рис. 1.2 , позволяет пропустить почти весь транзитный сток при большом напоре и, следовательно, получить от ГЭС большее количество энергии.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Пусть нам известна гидрологическая характеристика маловодного сезона, в течение которого производится опорожнение водохранилища. Задавшись каким-либо простым условным режимом работы ГЭС (например, при регулировании на постоянную величину расхода воды, пропускаемого через турбины ГЭС), мы можем определить количество энергии, которое вырабатывает ГЭС при различных отметках сработки к концу маловодного сезона. Результаты таких расчетов могут быть представлены графически в виде кривой зависимости транзитной энергии ГЭС от глубины сработки водохранилища, изображенной на рис.2

На этом же графике построена энергетическая характеристика водохранилища. Чем глубже срабатывается водохранилище, т. е. чем большим принимается его полезный объем, тем большее количество энергии получается от водохранилища и тем меньшей становится транзитная энергия. Уменьшение транзитной энергии объясняется уменьшением напора при углублении сработки водохранилища. Суммируя для различных глубин сработки энергию водохранилища и транзитную энергию, мы получим полную величину энергии ГЭС за весь период опорожнения водохранилища. Очевидно, что для данных гидрологических условий и для принятого режима регулирования та глубина сработки водохранилища, при которой ГЭС вырабатывает наибольшее количество энергии, оказывается наиболее выгодной. Дальнейшее углубление сработки водохранилища, хотя и увеличило бы его полезный объем и регулируемый расход, используемый ГЭС, но при этом напор уменьшился бы настолько, что полное количество энергии, вырабатываемой ГЭС, не увеличилось бы, а уменьшилось.

Если изменится характеристика транзитного стока за время опорожнения водохранилища, то кривая зависимости транзитной энергии от глубины сработки водохранилища получит другой вид и займет другое положение на графике. На рис. 2 пунктиром показаны такая кривая, полученная при уменьшенном транзитном стоке, и кривая полной энергии ГЭС для этого случая. Из приведенного графика видно, что в этом случае наиболее выгодная величина полезного объема водохранилища увеличивается. Это очень легко объясняется тем, что при уменьшении транзитного стока энергия водохранилища составляет большую часть всей энергии ГЭС. Отметим здесь, что изменение величины транзитного стока может происходить и при неизменной гидрологической характеристике, но при изменении продолжительности времени опорожнения водохранилища.

Если бы мы, не изменяя объема и распределения транзитного стока, приняли другой режим регулирования, то изменилась бы форма кривой зависимости транзитной энергии от глубины предельной сработки водохранилища к концу маловодного сезона. Вместе с тем изменилась бы и форма суммарной кривой полной энергии ГЭС. Следовательно, мы получили бы другую отметку наиболее выгодной сработки водохранилища. При значительном изменении режима регулирования во время опорожнения водохранилища изменение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища также может быть значительным. Из рис. 1.1 и 1.2 следует, что при раннем опорожнении водохранилища глубокая сработка его менее выгодна, чем при позднем опорожнении.

Выше было рассмотрено влияние различных условий на положение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища, имеющего определенную собственную характеристику. Но сравнивая между собой различные водохранилища, нетрудно убедиться, что предельная глубина их сработки при одинаковых прочих условиях зависит от вида их характеристик - объемных и энергетических. Для примера на рис. 3 построены объемные характеристики двух водохранилищ, имеющих одинаковый полный объем при одинаковой отметке НПУ. Из этого графика видно, что при отмеченной на чертеже глубине сработки полезный объем водохранилища А составляет большую часть всего его объема. Для водохранилища Б при той же глубине сработки полезный объем составляет лишь небольшую часть всего полного объема водохранилища. Дальнейшее углубление сработки заметно увеличивает его полезный объем и, следовательно, дает большой энергетический эффект, в то время как для водохранилища А углубление сработки лишь очень мало увеличивает регулируемый расход воды.

Для смешанной плотинно-деривационной схемы водно-энергетические расчеты для определения наиболее выгодной глубины сработки водохранилища производятся так же, так и для плотинной схемы. В этих расчетах должен, конечно, учитываться весь напор, как создаваемый плотиной, так и создаваемый деривацией. Понятно, что в плотинно-деривационной схеме полезный объем водохранилища составляет значительно большую часть всего его объема, а мертвый объем значительно меньшую, чем в плотинной схеме. Мертвый объем может быть ничтожно малым.

Из всего того, что было сказано выше, остановимся на одном очень важном положении. Для данного водохранилища наиболее выгодная глубина сработки зависит очень сильно от объема транзитного стока. Но в различные гидрологические годы объем транзитного стока в течение маловодного сезона, когда происходит опорожнение водохранилища, неодинаков. Следовательно, также неодинаковой должна быть и глубина сработки водохранилища в различные гидрологические годы.

Если бы мы имели возможность получать достаточно надежный прогноз режима естественного стока реки на предстоящий маловодный сезон, то предварительное определение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища в каждом отдельном году не представляло бы никаких принципиальных трудностей. Однако при отсутствии предварительного прогноза речного стока оно становится невозможным. Но если нельзя практически для каждого отдельного года устанавливать свою особую наиболее выгодную глубину сработки водохранилища, то это значит, что должна быть определена одна одинаковая для всех лет глубина предельной сработки водохранилища независимо от различия гидрологических характеристик во все эти годы.

Особо важное значение имеет использование водохранилища годичного регулирования для увеличения энергии и мощности ГЭС во время опорожнения водохранилища в маловодные годы. Поэтому определение предельной глубины сработки водохранилища должно производиться при малом объеме транзитного стока. В таком случае мы получим, как это видно из рис. 2 , большую глубину предельной сработки водохранилища, которую и будем считать одинаковой для всех гидрологических лет. При таком решении задачи в многоводные годы количество энергии, которую вырабатывает ГЭС, может оказаться несколько меньшим, чем наибольшее возможное. Но, как мы увидим в дальнейшем, потерянная таким образом энергия может быть если не полностью, то частично возмещена, если мы будем применять в различные гидрологические годы неоди­наковый режим регулирования. Действительно, в многоводные годы нет необходимости также быстро опорожнять водохранилище в начале маловодного сезона, как в маловодные годы, так как большая величина транзитного стока позволяет ГЭС работать с необходимой для энергетической системы мощностью, не меньшей, чем гарантированная, забирая при этом из водохранилища лишь сравнительно небольшое количество воды. В конце же маловодного сезона, когда остается неиспользованной лишь небольшая часть транзитного стока, сработка водохранилища может быть быстро доведена до постоянной предельной отметки, в результате чего будет получена дополнительная энергия.

Хотя мы и пришли к выводу, что предельная глубина сработки должна определяться по маловодному году, но этот вывод еще нельзя считать полным, так как нам нужно еще решить, какой же именно год следует выбрать из числа маловодных в качестве расчетного. Выбор расчетного года не может быть, конечно, сделан произвольно, так как расчетный год должен отвечать определенным условиям, т. е. условиям наилучшего использования ГЭС в энергетической системе. Из двух основных требований, предъявляемых энергетической системой к ГЭС, в данном случае наибольшее значение имеет первое - достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы. Способы же для удовлетворения второго основного требования энергетической системы - наибольшего количества энергии, вырабатываемой ГЭС, будут рассмотреныв дальнейшем.

Принимая в качестве исходного условия для определе­ния наиболее выгодной предельной глубины сработки водохранилища достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы, мы вместе с тем решаем вопрос о режиме опорожнения водохранилища, который мы ранее принимали условным. Так как наибольшая обеспеченность, как мы это установили ранее, достигается при работе ГЭС по гарантированному графику мощности, то отсюда следует, что режим регулирования во время опорожнения водохранилища должен соответствовать работе ГЭС по этому графику.

Если известен состав действующей энергетической системы, то гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС всегда может быть построен. Имея достаточно полную гидрологическую характеристику реки, мы можем произвести расчет регулирования за длительный ряд лет при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. В результате этого расчета будет получен график изменения уровня воды в водохранилище за все эти годы. На рис. 4 показаны совмещенные кривые изменения уровня воды в водохранилище за несколько лет, причем здесь выделены только те участки кривых, которые в настоящем случае представляют для нас интерес, т. е. относящиеся ко времени опорожнения водохранилища.

Чем маловоднее год, тем большее количество воды необходимо забирать из водохранилища для получения гарантированной мощности на ГЭС. Поэтому, чем маловоднее год, тем глубже срабатывается водохранилище. Однако в особо маловодные годы никакая самая глубокая сработка водохранилища не даст возможности для ГЭС работать по гарантированному графику в течение всего периода опорожнения водохранилища вследствие значительного уменьшения напора при глубокой сработке. Кривая изменения уровня воды в водохранилище для такого случая изображена па рис. 4 пунктиром. Очевидно, что в такие особо маловодные годы нельзя избежать нарушений нормальной работы энергетической системы. Поэтому мы все такие годы исключаем из дальнейшего рассмотрения.

Из числа оставшихся лет возьмем такой наиболее маловодный год, в котором глубина сработки водохранилища оказывается наибольшей. Если бы мы в этом году использовали водохранилище в меньшей степени, то ГЭС не могла бы работать по гарантированному графику вследствие недостатка воды. Более глубокая сработка водохранилища в этом году не требуется для получения гарантированной мощности и она не может дать дополнительной энергии, так как работа ГЭС с среднесуточной мощностью больше гарантированной привела бы к преждевременному опорожнению водохранилища и чрезмерному уменьшению напора ГЭС. Таким образом, мы приходим к выводу, что полученная нами глубина сработки является тем пределом, до которого может ежегодно опорожняться водохранилище годичного регулирования. Та часть всего объема водохранилища, которая заключена между отметкой предельной сработки и отметкой НПУ, представляет собой полезный объем водохранилища.

При определении предельной глубины сработки водохранилища описанным выше способом мы в качестве исходного условия приняли гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС. Но так как ГЭС, имеющая водохранилище годичного регулирования, одновременно ведет и суточное регулирование, то в часы суточного пика нагрузки энергетической системы она должна развивать мощность, большую, чем среднесуточная. При глубокой сработке водохранилища и значительном уменьшении напора располагаемая по напору мощность ГЭС может быть равной или даже большей гарантированной среднесуточной мощности. В таких случаях, несмотря на то, что ГЭС может работать по обеспеченному графику среднесуточной мощности, все же наступает нарушение нормальной работы энергетической системы. Следовательно, в этом случае предельная отметка сработки водохранилища годичного регулирования, до которой оно должно ежегодно опорожняться, должна лежать выше той, которая была нами определена ранее. По годовому графику гарантированной пиковой мощности ГЭС и по характеристикам установленных на ней турбин нетрудно определить, какой минимальный напор необходимо иметь и, следовательно, какой уровень воды в водохранилище должен поддерживаться на любую календарную дату за все время опорожнения водохранилища. Кривая зависимости необходимого минимального уровня воды в водохранилище от времени построена на рис. 5. На этом же графике нанесена кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. Из всех таких кривых на рис. 5 показаны только две. Одна из них, изображенная в виде сплошной линии, получена в таком гидрологическом году, когда сработка водохранилища к концу маловодного сезона как раз совпадает, как это видно из графика, с. допустимой сработкой по условию получения необходимой пиковой " мощности на ГЭС. Такая глубина сработки водохранилища и должна рассматриваться как предельная, т. е. как такая, до которой ежегодно опорожняется водохранилище. На этом же чертеже пунктиром изображена та кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени, которая ранее была принята для определения глубины сработки по среднесуточной мощности.

Наибольшая нагрузка энергетической системы, когда от ГЭС требуется участие в балансе мощности всей ее полной вытесняющей мощностью, в большинстве случаев не совпадает по времени с наибольшим опорожнением водохранилища. Годовой пик нагрузки энергетической системы обычно проходит в конце декабря и начале января, полное же опорожнение водохранилища происходит в конце маловодного сезона, т. е. весной, перед наступлением паводка. В связи с этим во время наиболее глубокой сработки водохранилища гарантированная пиковая мощность несколько меньше максимальной. Это позволяет увеличить сработку водохранилища к концу маловодного сезона. Такой случай изображен на рис. 5.

Для низконапорных ГЭС, у которых напор и располагаемая мощность ГЭС находятся в зависимости от колебаний уровня воды в нижнем бьефе, при определении предельной глубины сработки водохранилища следует учитывать неустановившийся характер движения воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. Большое, но кратковременное увеличение нагрузки ГЭС не оказывает значительного влияния на величину напора и, следовательно, располагаемой мощности ГЭС. Поэтому для низконапорных ГЭС пиковый режим рабочей мощности и регулирование частоты в энергетической системе представляются более выгодными, так как они позволяют несколько увеличить используемый такими ГЭС полезный объем водохранилища годичного регулирования, а вместе с тем и количество вырабатываемой ГЭС энергии.

Если в составе вытесняющей мощности ГЭС имеется резервная мощность, в частности, если на ГЭС установлен нагрузочный резерв энергетической системы, то его величина должна, конечно, учитываться при определении глубины сработки водохранилища годичного регулирования, допустимой по условию получения необходимой пиковой мощности на ГЭС.

Ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут быть вызваны и другими причинами, кроме той, которая отмечена выше и которая зависит от характеристик установленных на ГЭС турбин. Одной из таких дополнительных причин может быть заиление водохранилища наносами, заполняющими не только мертвый объем, определяемый по энергетическим условиям, но и часть полезного объема водохранилища. Другой пример ограничения глубины сработки водохранилища может встретиться в плотинно-деривационных схемах. Такой случай изображен на рис. 6.

Если плотина такой ГЭС достаточно высока, то водохранилище могло бы иметь очень большой полезный объем, если отметку предельной сработки определять на основании энергетических расчетов, изложенных выше. В этом случае напорный деривационный туннель должен был бы занять по высоте положение, показанное на чертеже пунктиром. Но тогда при большой длине туннеля и при большом уклоне внутреннее давление в его нижней части у соединения с турбинным трубопроводом оказалось бы чрезвычайно большим в то время, когда водохранилище наполнено до НПУ. Это требовало бы усиления и потому удорожания облицовки туннеля, что может оказаться экономически невыгодным. По этой причине для уменьшения внутреннего давления в туннеле его приходится располагать выше, как показано на чертеже сплошными линиями. Так как УМО в водохранилище должен быть выше водоприемных отверстий деривации, то это приводит к уменьшению полезного объема водохранилища.

Также, ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут вызываться условиями работы других потребителей воды.

Наконец, при выборе глубины сработки водохранилища следует учитывать оборудование, которое будет установлено на ГЭС. Не существует турбины одинаково хорошо работающей и при напоре в 100 м и 50 м. В общем случае, отношении минимального напора к предельному турбины для турбин РО - 0,6; для вертикальных ПЛ и ПЛД – 0,5; для горизонтальных ПЛ-0,35. Это значит, если разделить минимальный напор при выбранной глубине сработки на предельный напор предполагаемого оборудования, должно получиться число не меньше указанных. Например, если на напор на ГЭС при НПУ 110 м, то при установке турбины РО115 следует срабатывать водохранилище не ниже чем на 46 м, (115*0,6= 69м), меньше сработать можно (и для жестколопастных турбин чем меньше колебания напоров тем лучше), больше – нет.

9.2 Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища

Выше мы уже рассматривали энергетическую характеристику или кривую выработки электроэнергии за период опорожнения водохранилища в зависимости от глубины сработки водохранилища.

Для удобства восприятия полную энергию получали как сумму двух составляющий: энергии транзитного стока и энергии за счет сработки водохранилища.

Отмечалось, что величина Эсраб растет до определенного предела h о , после чего снижение напора не компенсируется увеличением используемого стока и полная выработка снижается.

Если изменится транзитный сток за период сработки водохранилища, то изменится и положение кривой. Пунктирная кривая соответствует меньшему значению за время сработки транзитного стока. Такое уменьшение может быть следствием как более низкой водности, так и сокращения периода сработки водохранилища. Новое положение заняла и кривая суммарной энергии ГЭС. Максимум выработки в этом случае соответствует другой глубине сработки h о1 .

Аналогичный характер имеет и кривая полной годовой выработки электроэнергии ГЭС на рис. 7

Однако из сопоставления двух упомянутых кривых видно, что максимальная годовая выработка наступает при меньшей конечной глубине сработки, чем выработка за период опорожнения водохранилища. Обусловлено это тем, что в период наполнения водохранилища выработка уменьшается за счет снижения и напора, и расхода.

На рис. 7пунктирными кривыми показана выработка ГЭС с учетом дополнительной выработки на других ГЭС каскада. С учетом эффекта на нижележащих станциях каскада глубина сработки, обеспечивающая максимальную выработку, получается большей.

Итак, каждому сочетанию исходных условий (транзитный сток, режим и длительность сработки, схема каскада и т. д.) соответствует своя глубина сработки водохранилища, при которой будут иметь место максимальные значения обеспеченной годовой выработки электроэнергии ГЭС.

Однако эта глубина сработки не может быть принята окончательно в качестве оптимальной. Анализ представленных выше графиков дает лишь зону, в пределах которой следует искать оптимальную глубину сработки водохранилища. Для обоснования ее кроме изменения энергетических показателей приходится учитывать и другие последствия сработки водохранилища.

Наряду с увеличением выработки, обеспеченной и установленной мощности возрастание полезного объема приводит к росту затрат. Так, более глубокая конечная сработка водохранилища связана с большим заглублением водозабора и удорожанием затворов и гидротехнических сооружений. Увеличение установленной мощности проектируемой ГЭС также связано с дополнительными капитальными вложениями и издержками.. Это затраты на расширение здания ГЭС, увеличение суммарной мощности генераторов, электрическую часть, турбинное оборудование и т. д.

Дополнительные затраты по турбинному оборудованию вызваны увеличением диаметра колеса или числа турбин. Оба мероприятия используются для увеличения установленной мощности и компенсации снижения располагаемой мощности турбин при снижении расчетного напора из-за более глубокой сработки водохранилища. При каскадной схеме использования водотока увеличение полезного объема водохранилища проектируемой ГЭС может привести к целесообразности увеличения установленной мощности на нижних ГЭС каскада. Это также связано с дополнительными капиталовложениями и издержками.

Наконец, при комплексном использовании водотока могут потребоваться дополнительные капиталовложения и издержки по сопутствующим мероприятиям. Таким образом, дополнительные капиталовложения, вызванные увеличением глубины сработки водохранилища при переходе от одного варианта к другому, представляют собой сумму

Аналогично определяются дополнительные издержки и приведенные затраты. Все экономические показатели используются в расчетах с учетом фак­тора времени. Соответственно для варианта проектируе­мой ГЭС рассчитываются заменяющие варианты, для которых также определяются изменения капиталовло­жений, издержек и затрат при последовательном перехо­де от предыдущего варианта к последующему.

В общем случае затраты по заменяемым вариантам или их изменения А3 зам представляют собой сумму за­трат (или приращений) по заменяемым электростан­циям, топливу и сопутствующим мероприятиям

Знак минус при втором слагаемом может иметь место при переходе между вариантами в зоне от /г 0Г од До ha (рис. 7), т. е. когда при увеличении глубины сра­ботки мощность продолжает увеличиваться, а годовая выработка уже начинает снижаться.

Однако надо иметь в виду, что уменьшение выработ­ки не всегда тождественно уменьшению экономии топ­лива. Дело в том, что удельная экономия топлива Ь ш в разные сезоны года различна, в частности, зимой, выше, чем в весенне-летний период. Поэтому при увеличении выработки в период сработки водохранилища (зимой) и уменьшении ее в период наполнения водохранилищ, несмотря на общее уменьшение годовой выработки, суммарная экономия топлива может не снижаться, а возрастать. Для правильной оценки этой составляющей затрат, очевидно, необходимо расчеты по определению экономии топлива производить раздельно по сезонам.

Все показатели по заменяемым вариантам должны определяться соответственно полному эффекту на проектируемой ГЭС и других ГЭС каскада с учетом разновременности получения и использования его.

Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища производится по одному из следующих условий:

по равенству приращения затрат при изменении глубины сработки на величину Δh

по равенству срока окупаемости дополнительных капиталовложений нормативной величины при увеличtнии сработки на Δh

При проектировании гидроузлов с водохранилищами многолетнего регулирования необходимо дополнительно проводить расчеты по определению сроков первоначального его наполнения и режима выхода ГЭС на проектную энергоотдачу.