Водохранилище, нижний бьеф и их характеристики

Основным назначением водохра­нилищ гидроэлектростанций являет­ся трансформация естественного, обычно неравномерного, режима речного стока в режим, необходи­мый для отдельных отраслей народ­ного хозяйства и, в частности, энер­гетики Кроме того, в некоторых случаях назначением водохранилищ является борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное коли­чество воды задерживается в водо­хранилище, благодаря чему расхо­ды воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими естествен­ных расходов половодий

Водохранилища создаются пу­тем устройства на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необхо­димой емкости водоемы (рис 10 14) На этом рисунке цифрами обозна­чены горизонтали поверхности мест­ности.

Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с со­блюдением нормальных запасов на­дежности, предусматриваемых тех­ническими условиями, носит назва­ние нормального подпорно­го уровня (НПУ) Объем водо­хранилища при этом уровне носит название полного объема и обозначается V_полн.

Нижний предел или уровень мертвого объема (УМО) опре­деляется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Соот­ветствующий объем носит название мертвого V_мо.

Разность между полным и мерт­вым объемами составляет полез­ный объем водохранилища.

V_полезн=V_полн-V_мо

Этот объем используется для ре­гулирования стока

При пропуске катастрофических половодий и паводков обычно допу­скается кратковременное повыше­ние уровня воды в водохранилище до отметки, называемой форсиро­ванным подпорным уровнем (ФПУ).

Объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ является резервным и используется для трансформации (срезки) половодий и паводков

До сих пор принималось, что по­верхность воды в водохранилище по всей его длине устанавливается го­ризонтально, образуя так называе­мый его статический объем. Очевидно, это может быть лишь в том слу­чае, когда приточность в водохранилище отсутствует. Так как в дейст­вительности в водохранилище вceгда имеется приток воды, то, строго говоря, поверхность воды по его длине не будет горизонтальной. Это особенно относится к его «хвостовой части», где кривая сво­бодной поверхности воды представ­ляет собой кривую подпора, ха­рактеризующую изменение уровня поверхности воды по длине водотока Образовавшимся объем называется динамическим объемом водохранилища (рис 10 15). Величина его определяется к основном значением расхода приточности и во время половодий может быть весьма значительной.

В водноэнергетических расчетах широко используются различные графические зависимости, отражающие функциональные связи между различными параметрами водохранилища (так называемые характеристики водохранилищ) К их числу относится прежде всего топографическая характеристика, которая может быть двух видов — статической и динамиче­ской

Статическая характеристика включает в себя две кривые. Пер­вая— зависимость отметок уровня от объема водохранилища Z_нб=Z_нв(V) и обычно называемая объемной. Вторая отражает связь между отметками уровня и площадью зеркала водохранилища Z_нб=Z_нв(F) Эту характеристику на­зывают площадной

Обе характеристики (рис 10 16) получаются в результате обработки топографических планов местности.

При учете динамической емкости, как было показано выше, объ­ем водохранилища при заданной отметке уровня в створе плотины будет определяться приточностью. Вследствие этого зависимость меж­ду значениями уровня и объемом водохранилища будет иметь другой характер, так как будет функцией двух переменных Z_нб=Z_нв(V,Q_прит). Эти кривые (рис. 10.17) называются кривыми динамического объема в отличие от кривой статического объема, изображенной на рис. 10.16, или кривой, соответствующей Q_прит=0.

Имеются и другие характеристи­ки водохранилища, которые мы здесь не рассматриваем. Все они являются основным исходным мате­риалом для проведения водноэнергетических расчетов. В такого рода расчетах одним из решающих усло­вий правильности выполнения их является соблюдение водного ба­ланса водохранилища..

В общем виде уравнение водного баланса водохранилища без холо­стых' сбросов за некоторое время Т может быть представлено следую­щим равенством:

W_рег=W_прит±ΔV— W_заб+W_возвр—W_пот, (10.2)

где W_рег— зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла

(так называемая отдача); W_прит — приток воды в водохранили­ще за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой, т. е. естественный, при­ток, для каскада — приток от выше­лежащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами); Δ V— использованный объем водохранилища за период Т. (В формуле знак минус относится к периоду наполне­ния, знак плюс — к периоду сработки водохранилища); W_заб и W_возвр- величины забираемого из водохра­нилища и' возвращаемого в него участниками водохозяйственного комплекса (см. § 10.6) за время Т объема стока; W_пот — потери воды из водохранилища за время Т и обычно включают потери на филь­трацию, испарение, льдообразование и шлюзование.

Если каждый член этого уравнения разделить на время Т, то усло­вие баланса стока может быть вы­ражено через соответствующие рас­ходы.

Рассмотрим теперь характери­стику нижнего бьефа. Уровень воды в нижнем бьефе ГЭС определяется тем расходом, который пропускается через турбины или какие-либо дру­гие сооружения (шлюзы, водосбро­сы) гидроэлектростанции.

При установившемся равномер­ном движении уровни воды в ниж­нем бьефе однозначно связаны с протекающим расходом. Эта связь обычно определяется с помощью так называемой кривой связи, отражающей в графическом виде зави­симость уровней от расходов Z_нб= Z_нб(Q_нб). Такая кривая представ­лена на рис 10.18

Зимой при переменном расходе ГЭС в ее нижнем бьефе на берегах образуются наледи, которые умень­шают площадь живого сечения. По­этому при одних и тех же отметках уровня зимой будет проходить рас­ход меньше, чем летом, и зимняя кривая связи соответственно будет выше, чем летняя (рис. 10.18 и 10.19).

При каскадном расположении ГЭС, если нижний бьеф рассматри­ваемой ГЭС (обозначим ее № 1) подпирается плотиной нижележащей (ГЭС № 2), то в функциональной зависимости уровня нижнего бьефа от расхода ГЭС № 1 появится до­полнительный аргумент — отметка верхнего бьефа водохранилища вто­рой ГЭС Z_вб2 (рис. 10.19). В этом случае рассматриваемая функция будет иметь вид

Z_нб1=Z_нб1(Q_нб1,Z_вб2). (10.3)

При неустановившемся движе­нии воды в нижнем бьефе однознач­ная связь между отметками уровня и расходом нарушается и определение того или другого требует доста­точно сложных расчетов, которые сейчас проводятся исключительное помощью ЭВМ.