Полный объем водохранилища. Определение полезной емкости водохранилища. Водохранилища, их классификация и характеристики

Водохранилище - искусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве.

Водохранилища делятся на 2 типа: озёрные и речные. Для водохранилищ озёрного типа (например, Рыбинского) характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Водохранилища речного (руслового) типа (например, Дубоссарское) имеют вытянутую форму, течения в них, обычно, стоковые; водная масса по своим характеристикам близка к речным водам.

Основными параметрами водохранилища являются объём, площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Терминология

В отличие от естественных замкнутых водоемов, которые не используются в качестве водохранилищ, в данном случае существует набор специальных терминов, характеризующих их допустимые водные запасы и уровни уреза воды:
Нормальный подпорный уровень (НПУ) - оптимальная наивысшая отметка водной поверхности водохранилища, которая может длительно поддерживаться подпорным сооружением;
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) или горизонт форсировки - отметка водной поверхности водохранилища, превышающая НПУ, который, при проектировании гидроузла с известной пропускной способностью, определяется, исходя из площади водохранилища и максимально возможного притока воды. Превышение этого уровня может привести к переливу через гребень плотины и к другим аварийным ситуациям;
Уровень мёртвого объёма (УМО) или горизонт сработки водохранилища - отметка водной поверхности, соответствующая наибольшему опорожнению водохранилища. Рассчитывается в соответствии с условиями заиления, необходимым уровнем воды для зимовки рыб, обеспечению экологических условий, технологическими особенностями подпорных сооружений и характеристиками притока в водоем;
Мёртвый объём водохранилища - объём водоёма ниже отметки горизонта сработки водохранилища (УМО);
Полезный объём водохранилища - часть объёма водоема между отметками оптимального наивысшего уровня горизонта (НПУ) и уровнем максимальной сработки водоёма (УМО);
Емкость форсировки или Регулирующая емкость водохранилища - часть объёма водоема между отметками ФПУ и НПУ, предназначенная для уменьшения максимального расхода через гидроузел во время весеннего половодья или дождевых паводков;
Объём или полный объём водохранилища - данная величина равна сумме мёртвого и полезного объёмов.

Типы водохранилищ

Встречаются следующие типы водохранилищ:

Крытые резервуары, устраиваемые из железа, бетона, камня и других материалов. Они располагаются над землей или в земле (полностью или частично) и применяются в водоснабжении как резервуары суточного регулирования или для создания напора.

Открытые бассейны, устраиваемые в земле путем выемки или полувыемки, а также путем обвалования на горизонтальной или слегка наклоненной местности. Такие водохранилища иногда устраиваются при ГЭС деривационного типа в качестве бассейнов суточного регулирования. Они также применяются в орошении для временного задержания высокого стока, который используется затем на нижерасположенных площадках или в самом водохранилище (лиманное орошение)

Водохранилища, создаваемые в долинах естественных водных объектов постройкой подпорных сооружений (плотин, зданий ГЭС, шлюзов и др.). Этот тип водохранилищ имеет наибольшее распространение и значение для экономики. Внутри него выделяют два подтипа:

— речные (русловые) водохранилища, расположенные в долинах рек. Характеризуются вытянутой формой, с преобладанием стоковых течений и характеристиками водной массы, близкими к речным водам

— озёрные, повторяющие форму водоема, находящегося в подпоре, и отличающиеся по своим физико-химическим свойствам от свойств вод притоков.

Крупнейшие водохранилища

Крупнейшими по площади зеркала водохранилищами мира являются:

Озеро Вольта (8482 км²; Гана)
Смоллвуд (6527 км²; Канада)
Куйбышевское водохранилище (6450 км²; Россия)
Озеро Кариба (5580 км²; Зимбабве, Замбия)
Бухтарминское водохранилище (5490 км²; Казахстан)
Братское водохранилище (5426 км²; Россия)
Озеро Насер (5248 км²; Египет, Судан)
Рыбинское водохранилище (4580 км²; Россия)

Крупнейшими водохранилищами по полному объёму накапливаемой воды являются:

Озеро Кариба (180 км³; Зимбабве, Замбия)
Братское водохранилище (169.3 км³; Россия)
Озеро Насер (160.0 км³; Египет)
Озеро Вольта (148.0 км³; Гана)
Маникуаган (141.2 км³; Канада)
Гури (138.0 км³; Венесуэла)
Тартар (85.0 км³; Ирак)
Красноярское водохранилище (73.3 км³; Россия)
Гордон Хрум (70.1 км³; Канада)

Старейшие водохранилища

Первые водохранилища были созданы в Древнем Египте с целю освоения земель в долине реки Нил (более 3000 лет до н. э.).

В России первые водохранилища были созданы в 1701-1709 гг. при строительстве Вышневолоцкой водной системы, соединившей Волгу с Балтийским морем. В 1704 году было построено Алапаевское водохранилище (на среднем Урале) для обеспечения водой и механической энергией завода. Водохранилище Сестрорецкий Разлив было образовано в 1721 году.

Влияние на экологическую обстановку

Создание водохранилищ существенно изменяет ландшафт речных долин, а регулирование ими стока преобразует естественный гидрологический режим реки в пределах подпора. Изменения гидрологического режима, вызываемые созданием водохранилищ, происходят также и в нижнем бьефе гидроузлов, иногда на протяжении десятков и даже сотен километров. Особое значение имеет уменьшение половодий, в результате чего ухудшаются условия нереста рыб и произрастания трав на пойменных лугах. Уменьшение скорости течения вызывает выпадение наносов и заиление водохранилищ; изменяется температурный и ледовый режим, в нижнем бьефе образуется не замерзающая всю зиму полынья.

На водохранилищах высота ветровых волн больше, чем на реках (до 3 м и более).

Гидробиологический режим водохранилищ существенно отличается от режима рек: биомасса в водохранилище образуется интенсивнее, меняется видовой состав флоры и фауны.

Заиление водохранилищ

Заиление водохранилища - это потеря объёма воды за счёт роста абсолютных отметок дна. Причины: поступление с водосбора взвешенных наносов, ветровой перенос летучих песков с суши, выпадение в осадок химических соединений, биомасса водной растительности, размыв берегов волновыми процессами, вымывание торфа из-под плавающих болот, которые условно находятся за границей водохранилища.

Процесс заиления водохранилищ сложный. Детально изучен в работе 1938 года.

строительство водохранилищ не в основном русле, а в боковых балках;
отвод паводка через боковой канал;
устройство в начале водохранилища поперечных донных галерей;
устройство в плотине донных водоспусков;
устройство прудов в реках выше по течению;
создание объёмов для сбора наносов;
рациональный водный режим;
агротехника водосбора.

Основным способом, рекомендуемым «Руководством» в борьбе с заилением, является промывка наносов расходом воды, сбрасываемым из водохранилища. Практикуется оставлять водохранилище на зимний период без воды, если в ней нет потребности. Этого не делают в вегетационный период высшей водной растительности (камыш, тростник и др.), разрастающейся по площади акватории при глубине воды менее 1,5 м.

В монографии сделан анализ около 100 водохранилищ мира, из которых самое раннее было создано в 1814 году.

(Visited 49 times, 1 visits today)

В маловодные, засушливые годы расход воды в реках уменьшается, а потребность в воде для орошения и коммунального водоснабжения возрастает. Уменьшение расхода воды влечет за собой снижение выработки электроэнергии на ГЭС, ухудшение условий водоснабжения, снижение качества воды и другие неблагоприятные последствия. Сезонные колебания стока рек характеризуются резким уменьшением расходов воды в реках зимой, когда потребность в электроэнергии обычно наибольшая; потребность в воде для промышленного водоснабжения зимой обычно не уменьшается. Летнее снижение расходов воды неблагоприятно для орошения, судоходства и других водопотребителей и водопользователей.

Для наиболее полного и экономичного использования водных ресурсов и приспособления режима водоотдачи к потребностям различных отраслей народного хозяйства производят регулирование стока водохр анилищами.

ТИПЫ ВОДОХРАНИЛИЩ

Озера являются естественными водохранилищами. В естественных условиях озеро регулирует сток без участия человека. Максимальный расход реки, вытекающей из озера, в несколько раз меньше, а минимальный намного больше суммарного притока от рек, впадающих в озеро. Если при подпоре озера плотиной повысить его уровень или произвести расчистку русла реки в ее истоке, либо осуществить оба эти мероприятия, то регулирующая способность озера возрастет и можно будет повысить сверх естественного минимальный расход реки, вытекающей из озера.

Чаще всего приходится создавать искусственные водохранилища. Для создания водохранилища в русле реки строят плотину, которая подпирает реку. При этом затапливается пойма и прилежащая территория. При проектировании и строительстве водохранилищ обязательно всесторонне изучить все положительные и отрицательные последствия сооружения водохранилищ. При их размещении необходимо всемерно уменьшать площадь затопления ценных сельскохозяйственных земель. На равнинных реках площадь затопления может оказаться весьма большой. Так, например, площадь Куйбышевского водохранилища на Волге составляет 6450 км 2. На реках равнинного типа вследствие малого уклона реки водохранилища получаются большой протяженности - до 200-300 км. При пологих берегах ширина водохранилища достигает иногда 40-50 км. На горных реках вследствие большого уклона реки и крутых берегов большой объем водохранилища может быть получен только, при большой высоте плотины, что, однако, не вызывает больших затоплений территории.

В гидроэнергетике различают водохранилища по их местоположению относительно данной гидроустановки:

1) верховые, расположенные на реке или ее притоках выше данной гидроэлектростанции;
2) собственные, т. е. образованные сооружениями, входящими в состав данной ГЭС;
3) низовые, расположенные ниже данной ГЭС.

ОБЪЕМ ВОДОХРАНИЛИЩА

Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называют тот наивысший уровень, на который по условиям устойчивости рассчитывается нормальная работа подпорных сооружений (рис. 3-1). НПУ может поддерживаться сколь угодно длительно.

Форсированным уровнем (ФПУ) называется уровень, который может допускаться на короткое время при пропуске исключительно больших паводков или половодий, имеющих вероятность ниже расчетной, которая была принята для нормальных условий эксплуатации.

Уровень наннизшей сработки (УС) водохранилища называют уровнем мертвого объема (УМО).

Объем воды в водохранилище между НПУ и УМО называют полезным или рабочим объемом. Объем воды ниже УМО обычно не используется для регулирования стока и его называют мертвым объемом.

Полный объем водохранилища при НПУ равен сумме полезного и мертвого объемов. Между отметками НПУ и ФПУ размещается резервный объем водохранилища, который используется для приема и трансформации половодий и паводков редкой повторяемости. Сумма рабочего, резервного и мертвого объемов дают полный объем водохранилища при ФПУ. Для определения объема водохранилища по топографическим планам местности планиметрируют площади между соответствующими горизонталями и створом плотины. По этим данным строится кривая площадей F = f(Z), показывающая зависимость площади зеркала водохранилища F от высотной отметки Z. Затем для каждого приращения отметок подсчитывается приращение объема А У и строится кривая зависимости V = f (Z), которая называется статической кривой объемов водохранилища (рис. 3-2). На равнинных реках с большими расходами строятся кривые свободной поверхности воды в водохранилище. Эти кривые подпора при одинаковом уровне воды у плотины будут иметь тем большую кривизну и тем более высокий уровень воды в конце кривой подпора, чем больше расход притока (рис. 3-3). В этих случаях получают кривую динамических объемов воды в водохранилище V = f (Z, Q).

В отдельных случаях учитывается, что пористые грунты берега и ложа водохранилища при подъеме уровня воды впитывают воду и отдают ее обратно при снижении уровня воды, что равносильно увеличению фактической емкости водохранилища.

Наибольший полный объем 205 км3 и наибольшую площадь зеркала 76 тыс. км2 имеет водохранилище Оуэн-Фолс, расположенное на территории Уганды, Кении и Танзании. Крупнейшим является водохранилище на р. Вольта (Гана), полный объем которого 148 и полезный объем 90 км3. По величине полезного объема на третьем месте в мире находится водохранилище Насер на р. Нил (Египет), созданное при технической помощи СССР. В табл. 3-1 приведены данные по крупнейшим водохранилищам СССР с полезным объемом более 10 км3.

ПОТЕРИ ВОДЫ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ

Потери воды из водохранилища происходят вследствие испарения, фильтрации и оседания льда на берегах при зимней сработке водохранилища. Для ГЭС оказывается «потерянной» также вода, забираемая из ее верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и т. п.

Испарение. С созданием водохранилищ увеличивается испарение. Полные потери испарения определяются произведением площади зеркала водохранилища Fв на толщину слоя испарившейся воды hB.

Как видно из табл. 3-2, удельные потери воды на дополнительное испарение в Средней Азии в 15 раз больше, чем на севере Европейской части СССР.

Из всех водохранилищ юга Европейской части СССР потери на дополнительное испарение из водохранилищ составляют в среднем более 10 км3 в год.

Фильтрация. Различают потери, воды вследствие фильтрации через тело плотины, под нею и в обход ее через толщу грунта и через неплотности затворов плотин и направляющих аппаратов турбин.

При сработке водохранилища в зимний период лед оседает на берегах. Весной лед тает и пополняет сток воды. Но для водохранилищ годичного регулирования пополнение стока весной обычно лишь увеличивает объем холостых сбросов через плотину. Таким образом, оседание льда на берегах представляет потери для энергетики.

Различают основные и специальные виды регулирования стока.

1. Основные виды регулирования

К основным видам регулирования стока относят многолетнее, годичное, недельное и суточное.

Многолетнее регулирование позволяет в маловодные годы увеличить расход воды и выработку электроэнергии гидростанциями за счет стока многоводных лет. При многолетнем регулировании водохранилище наполняется избыточным стоком многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных лет. В многолетнем регулировании заинтересованы все водопотребители и водопользователи, но для его осуществления требуется большой объем водохранилища.

Для глубокого многолетнего регулирования необходим полезный объем водохранилища, равный одному - двум среднегодовым стокам реки. Частичное многолетнее регулирование возможно уже при емкости водохранилища порядка 50 % среднегодового стока.

Годичное регулирование перераспределяет сток в течение года в соответствии с потребностями водопользователей и водопотре- бителей. В многоводные сезоны водохранилище наполняется, а в мало-водные- опорожняется. Цикл регулирования составляет один год. Потребный объем в процентах от среднегодового стока составляет от 3-10 % при частичном до 40-60 % при полном регулировании стока.

Для энергетики большое значение имеют недельное и особенно суточное регулирование, производимые в соответствии с недельными и суточными колебаниями нагрузки энергосистем.

Суточное регулирование при сравнительно постоянном притоке воды обеспечивает неравномерное потребление воды гидростанцией, следуя суточным колебаниям нагрузки энергосистемы. Необходимый объем бьефа или бассейна суточного регулирования определяется расчетом (см. § 5-2). Примерный объем составляет от 5 до 10 % от суточной, пропускной способности всех турбин ГЭС. Если на гидростанции проводится только суточное регулирование, то цикл регулирования составляет одни сутки и к концу суток уровень воды в бьефе или бассейне возвращается к исходному положению. При суточном регулировании ГЭС покрывает пики суточного графика нагрузки.

Недельное регулирование позволяет повысить мощность и выработку энергии ГЭС в рабочие дни за счет снижения используемого стока в выходные дни, когда нагрузка в энергосистеме снижается. Для недельного регулирования требуется объем водохранилища 50- 100% от суточной пропускной способности всех турбин ГЭС.

2. Специальные виды регулирования

К числу специальных видов регулирования относят:

а) Компенсирующее регулирование, которое может производиться верховым водохранилищем для того, чтобы компенсировать неравномерность притока с промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС. При малом притоке с промежуточного водосбора даются повышенные попуски из компенсирующего водохранилища и наоборот. Если при большом водохранилище имеется своя ГЭС, то можно проводить компенсирующее годичное и даже многолетнее регулирование выработки электроэнергии нескольких; ГЭС, расположенных на разных водотоках, но присоединенных к общей электрической сети. Так, водохранилище Братской ГЭС производит компенсирующее регулирование выработки энергии Енисейскими и Ангарскими гидростанциями.

б) Трансформация паводков и половодий. Если в водохранилище будет задержана пиковая часть паводка, то максимальный расход, пропускаемый через плотину, будет уменьшен. Это позволит уменьшить водосбросные сооружения гидроузла, уменьшить наводнения на реке ниже водохранилища и т. п.

в) Аварийное использование водохранилища. При аварии в энергосистеме гидростанция может быстро принять на себя дополнительную нагрузку и израсходовать из своего водохранилища специально предусмотренный запас или часть рабочего объема водо-хранилища. После ликвидации аварии дополнительно израсходованный объем восстанавливается путем снижения нагрузки ГЭС или за счет ближайшего половодья.

Водохранилища, их классификация и характеристики

Общие сведения о регулировании стока. Виды и типы

Регулирования

Сток воды в реках в естественном состоянии является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь – от характера питания. На некоторых реках с преимущественно снеговым питанием максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода. Во время паводка наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровня и значительное увеличение глубин, которые полностью не используются для судоходства. В период небольших расходов и низкого стояния уровней глубины резко уменьшаются, особенно на перекатах, что ограничивает пропускную способность рек при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.

Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебания стока воды, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов для различных отраслей хозяйства: энергетики, судоходства, лесосплава, водоснабжения и сельского хозяйства. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и строений.

Для регулирования стока на реке возводится узел гидротехнических сооружений (гидроузел), в состав которого (кроме прочих сооружений) входят одна или несколько плотин. Выше гидроузла уровни воды повышаются, образуется водохранилище, которое позволяет аккумулировать «излишки» воды во время прохождения больших расходов (в период снеговых и дождевых паводков). В меженный период на участок реки ниже гидроузла подается дополнительный расход воды по сравнению с его естественными значениями (производятся попуски воды из водохранилища), уровни воды и глубины при этом повышаются. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности распределения расхода воды по времени.

Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:

ФПУ – форсированный подпорный уровень;

НПУ – нормальный подпорный уровень;

УНС – уровень навигационной сработки;

УМО – уровень мертвого объема.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – это уровень воды выше нормального, временно допускаемый в водохранилище при чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (например, во время прохождения особо высокого паводка).

Нормальный подпорный уровень (НПУ) – это наивысший проектный уровень воды, который поддерживается в водохранилище при нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (до этого уровня водохранилище может наполняться во время обычного паводка).

Уровень навигационной сработки (УНС) – это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.

Уровень мертвого объема (УМО) – это наинизший уровень воды, до которого допускается опорожнение (сработка) водохранилища.

Разница объемов водохранилища при НПУ и УНС называется полезным объемом.

Объем водохранилища при УМО называется мертвым объемом. Величину мертвого объема водохранилища выбирают так, чтобы имелся минимальный напор воды, обеспечивающий нормальную работу турбин гидроэлектростанции. На реках, несущих большое количество наносов, при выборе величины мертвого объема учитывается время заполнения его наносами в процессе эксплуатации. Кроме того, при выборе УМО учитывается необходимость обеспечения надежной работы водоприемников, обеспечивающих подачу воды предприятиям, населенным пунктам и на сельскохозяйственные угодья.

Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, являются различными и иногда противоречивыми. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, чтобы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов большой грузоподъемности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.

Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды, в основном, в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива растений.

Поэтому при проектировании мероприятия по регулированию речного стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов.

В зависимости от продолжительности периода перераспределения стока и от режима работы водохранилища различают следующие виды регулирования речного стока: многолетнее, годичное (сезонное), недельное и суточное.

Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы происходит наполнение водохранилищ, а в маловодные годы, в основном, созданные запасы воды расходуются. Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути с большой обеспеченностью.

Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища, позволяющие аккумулировать большие объемы воды. К таким водохранилищам относятся: Верхне-Свирское на р. Свирь, Рыбинское на р. Волга, Цимлянское на р. Дон, Братское на р. Ангара, Красноярское на р. Енисей и др.

Наиболее простым является годичное регулирование, при котором обеспечивается выравнивание стока только в пределах года. При этом водохранилище наполняется в период паводка, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды резко уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производится к началу следующего паводка. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ, чем при многолетнем регулировании. Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного для судоходства меженного периода.

Необходимость суточного и недельного регулирования стока объясняется неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами. Суточное регулирование обуславливается неравномерностью потребления энергии в течение суток. Обычно наибольшее потребление энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и особенно в вечерние часы, когда работают предприятия и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление – ночью, так как в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение. Поэтому для обеспечения такой неравномерности потребления электрической энергии работает соответствующее количество турбин гидроэлектростанции, и, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.

Недельное регулирование стока обусловливается неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. В субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели.

При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды на участке реки ниже водохранилища, которые прослеживаются на протяжении нескольких десятков километров. Таким образом, суточное и недельное регулирование стока являются характерной особенностью энергетического использования стока, и отличается от остальных видов регулирования. В этом случае происходит не выравнивание стока, а наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени.

Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, так как при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов и иногда нарушается график движения судов.

Для обеспечения суточного и недельного регулирования стока не требуется увеличение емкости водохранилища многолетнего или годичного регулирования.

По методу расходования (отдачи) воды из водохранилища различают два типа регулирования: с постоянной и переменной отдачей воды . На рис. 9.1 показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годичного регулирования: равномерный на протяжении всего года (рис. 9.1, а); равномерный с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода (рис. 9.1, б); ступенчатый с максимумом расхода отдачи в летний (меженный) период (рис. 9.1, в).

Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенсирующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются минимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подается лишь гарантированный расход турбины гидроэлектростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегулированная отдача увеличивается только для покрытия потерь воды на испарение.

Во всех случаях площадь бытового гидрографа w 1 , расположенная выше графика отдачи, представляет собой объем водохранилища V B , а площадь w 2 , расположенная ниже графика отдачи, но выше бытового гидрографа – объем отдачи для обеспечения зарегулированных расходов воды Q З . Для того, чтобы такая отдача была возможна, необходимо соблюдение неравенства w 1 ³ w 2 , т.е. чтобы дефицит стока в летне-зимний период не превосходил избытка стока за период весеннего паводка.

Водохранилища, их классификация и характеристики

По гидрографическому признаку различают три типа водохранилищ: русловые , озерные и смешанные .

Водохранилище, которое образуется в результате преграждения течения реки плотиной и затопления речной долины, называется русловым (рис. 9.2, а). Такие водохранилища обычно имеют большую длину и площадь водного зеркала. Для создания в них больших запасов воды необходимо значительное повышение уровня воды.

Озерное водохранилище образуется в результате преграждения плотиной истока реки, вытекающей из озера (рис. 9.2, б). Вода при этом заполняет озерную чашу. В таких водохранилищах с большой площадью водного зеркала могут создаваться значительные запасы воды при сравнительно небольших повышениях уровня озера.

При возведении плотины несколько ниже истока реки, вытекающей из озера, образуется смешанное водохранилище, которое включает емкости чаши озера и прилегающей к нему долины реки (рис. 9.2, в).

Основными характеристиками любого водохранилища являются его емкость V и площадь водного зеркала F . При этом площадь водного зеркала водохранилища определяют планиметрированием горизонталей по топографическим картам на соответствующей отметке берегового откоса. Объем водохранилища вычисляется путем последовательного суммирования произведений средних площадей водного зеркала F i на приращение высоты уровня воды DZ

Характеристики водохранилища приводятся либо в табличной форме при четырех характерных уровнях воды (ФПУ – форсированный подпорный уровень, НПУ – нормальный подпорный уровень, УНС – уровень навигационной сработки и УМО – уровень мертвого объема), либо в виде кривых зависимости емкости V и площади водного зеркала F от изменения уровня воды в водохранилище (рис. 9.3). На кривые V и F =¦(Z) наносятся расчетные отметки ФПУ, НПУ, УНС и УМО.

Для нижнего бьефа водохранилища основной характеристикой является кривая связи между уровнями и расходами воды. Она строится по данным гидрометрических измерений за многолетний период, предшествующий возведению плотины, а затем корректируется, так как происходит размыв дна реки на участке ниже створа плотины.

При эксплуатации водохранилища, кроме полезного объема, используемого для народнохозяйственных целей, имеются бесполезные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища и на фильтрацию в грунт дна и берегов.

Потери на испарение возникают в результате затопления большой площади долины реки. Величина этих потерь P н определяется разницей между количеством воды, поступающей в атмосферу с водной поверхности водохранилища Z в и объемом воды, который раньше (до затопления) поступал в атмосферу с площади суши, занятой водохранилищем Z с

где: X – количество осадков, выпадающих на занимаемую водохранилищем площадь;

Y – сток воды с указанной площади.

Для определения Z в пользуются картой изолиний среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности, составленной по данным многолетних наблюдений на территории расположения водохранилища.

Непосредственный подсчет величины Z с затруднителен из-за большого разнообразия природной среды (района постройки водохранилища, рельефа местности, растительности и др.). Поэтому эта величина определяется косвенно, как разница между осадками и стоком воды.

Потери воды на испарение в Северо-Западной зоне обычно составляют 1-2 мм в год. В южных районах с засушливым климатом они существенно больше до 0,5-1,0 м и более в год, что учитывается при определении полезного объема водохранилища.

Потери воды из водохранилища на фильтрацию происходят через поры породы, слагающей чашу водохранилища, в соседние бассейны, а также через тело и различные устройства самой плотины в нижний бьеф реки. При этом последний вид потерь на фильтрацию является сравнительно малой величиной и обычно в водохозяйственных расчетах не учитывается.

Потери воды на фильтрацию через дно и берега водохранилища зависят от напора воды, создаваемого плотиной и гидрогеологических условий (пород, слагающих долину реки, их водопроницаемости, характера залегания, положения уровня и режима грунтовых вод).

Фильтрационные потери будут минимальными в том случае, когда ложе водохранилища сложено из практически водонепроницаемых пород (глина, плотные осадочные или массивные кристаллические породы без трещин), а уровень грунтовых вод на примыкающих к водохранилищу склонах расположен выше отметки нормального подпорного
уровня (рис. 9.4, а).

Большие фильтрационные потери наблюдаются у водохранилищ, дно и берега которых сложены трещиноватыми песчаниками, известняками, сланцами или другими водопроницаемыми грунтами, а уровень грунтовых вод на склонах расположен ниже отметки НПУ (рис. 9.4, б).

Наиболее значительная фильтрация из водохранилищ наблюдается в первые годы их эксплуатации. Это объясняется тем, что в период заполнения водохранилища происходит насыщение водой грунта, слагающего ложе, и пополнение запасов подземных вод. С течением времени фильтрация уменьшается и через 4-5 лет стабилизируется. Фильтрация воды из водохранилища через поры породы изучена слабо из-за большого количества определяющих факторов и сложности проведения гидрогеологических исследований. Поэтому часто для оценки таких потерь опираются на опыт эксплуатации уже действующих водохранилищ.

По приближенным нормативам при средних гидрогеологических условиях слой потерь воды из водохранилища на фильтрацию может составить от 0,5 м до 1,0 м в год.

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):

Куйбышевское (6 500 км 2).
Братское (5 470 км 2).
Рыбинское (4 580 км 2).
Волгоградское (3 117 км 2).
Цимлянское (2 700 км 2).
Зейское (2 420 км 2).
Вилюйское (2 360 км 2).
Чебоксарское (2 190 км 2).
Красноярское (2 000 км 2).
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.

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.