Водохранилище сезонного регулирования и водоотводящий канал

Объем потерь на льдообразование  за i-ый месяц V_лi составляет

 

    (4.7)

 

где   - разность площадей зеркала водохранилища в начале и конце i-ого месяца в период ледостава, км² (гр.8, табл. 4.5);

если  < 0, т.е. , то имеет место подъем уровня и потери на льдообразование в этом месяце не учитывают;

h_{л i} – толщина льда в конце i-ого месяца, м, определяется по формуле

               (4.8)

- модуль суммы среднемесячных  отрицательных температур воздуха  с начала ледостава по i-ый месяц включительно, значения t^o приведены для различных бассейнов рек в табл. 4.4;

- относительная плотность льда  (ρ_л – плотность льда, ρ_в – плотность воды), принимается = 0,916;

К_л – коэффициент постепенности нарастания льда за период сработки воды, равный 0,65.

 

 

Таблица 4.4 – Среднемесячные температуры воздуха в период льдообразования, ^оС

 

Наименование  бассейна реки	Месяц
	XI	XII	I	II	III
Верховье  Днепра	-1,6	-9,2	-9,5	-7,7	-3,6
Березина	-0,1	-4,5	-7,3	-5,8	-1,1
Припять	-0,5	-3,5	-6,0	-4,7	-0,8
Зап. Двина	-0,5	-8,5	-7,1	-5,2	-1,9

 

Рассчитаем толщину льда в конце каждого месяца на основании  данных о среднемесячных отрицательных  температурах по месяцам (река Припять):

 

 

 

 

 

Таким образом, значения объемов  потерь на льдообразование за каждый месяц составят:

 

 

 

Расчеты всех потерь воды из водохранилища сведем в табл. 4.5.

Суммарные потери воды за каждый месяц V_пот.i определим как сумму

V_пот.i = V_исп.i + V_ф.i + V_л.i (гр. 16, табл. 4.5), а потери за год V_пот = SV_потi.

Установим,  какой процент (α,%) от полезного объема составляют различные виды потерь: 

 

 

 

S

 

 

Таблица 4.5 – Потери воды из водохранилища

 

Месяц	Месячный объем воды в водохранилище,     млн.м3			Месячная площадь зеркала водохранилища, км2				Потери на испарение				Потери на фильтрацию Vф.i, млн.м3	Потери на льдообразование		Сумм. потери Vпот.i, млн.м3
	Vср i	Vкi	Vнi	Ωн i	Ωк i	Ωср i	Ωн i- Ωк i	Евi, мм	Ес i, мм	Ед i, мм	Vиспi , млн.м3		hл i, мм	Vл i, млн.м3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
III	62,1750	48,884	48,884	29	29	29	0	-	-	-	-	0,6218	0,4331	0	0,6218
IV	62,1750	48,884	48,884	29	29	29	0	30,4128	18,75	11,6628	0,3324	0,6218	-	-	0,9542
V	61,5065	48,884	47,545	29	28	28,5	1	91,2384	18,75	72,4840	1,8483	0,6151	-	-	2,4634
VI	54,5105	47,545	34,894	28	23	25,5	5	121,6512	30	91,6512	1,7414	0,5451	-	-	2,2865
VII	39,7960	34,894	18,116	23	15	19	8	127,7338	30	97,7338	0,7819	0,3980	-	-	1,1799
VIII	24,2535	18,116	3,809	15	1	8	14	115,5686	30	85,5686	0,0428	0,2425	-	-	0,2853
IX	15,1955	3,809	0	1	0	0,5	1	72,9907	26,25	46,7407	0,2688	0,1520	-	-	0,4208
X	21,0795	0	15,577	0	11.5	5,75	-	36,4956	26,25	10,2456	0,1562	0,2108	-	-	0,3670
XI	32,6350	15,577	23,111	11,5	19	15,25	-	12,1651	26,25	-14,0849	0	0,3264	0,0778	-	0,3264
XII	35,9380	23,111	22,183	19	18,9	18,95	0,1	-	-	-	-	0,3594	0,2200	0,0131	0,3725
I	33,5815	22,183	18,398	18,9	15,5	17,2	3,4	-	-	-	-	0,3358	0,3479	0,7043	1,0401
II	46,9320	18,398	48,884	15,5	29	22,25	-	-	-	-	-	0,4693	0,4217	-	0,4693
Σ								608,2562	206,25	402,0018	5,1718	4,8980	1,5005	0,7174	10,7872

 

 

 

4.2. Расчет полезного объема водохранилища с учетом потерь воды и построение графика его работы

 

Расчет произведем балансовым таблично-цифровым способом. Все расчеты сведем в табл. 4.6. Данные о притоке и общем потреблении воды занесем в гр. 2 и 3 таблицы 4.6 из соответствующих граф таблицы 3.2. Суммарный объем потерь V_пот занесем в гр. 4, табл. 4.6 из гр. 16, табл. 4.5. Установим значения помесячного потребления (отдачу) воды с учетом потерь (U + V_пот) и занесем эти значения в гр.5, табл. 4.6. Расчеты избытков и дефицитов воды произведем аналогично табл.3.2, только с учетом потерь (гр. 6 и 7, табл. 4.6).

 

Таблица 4.6 – Расчет водохранилища  с учетом потерь воды.

 

Месяцы	Расчетный приток Wpi, млн.м3	Потребность в воде (отдача) Ui, млн.м3	Объем потерь Vпотi, млн.м3	Отдача  с учетом потерь Ui+Uпотi, млн.м3	Наполнение с учетом потерь, млн.м3
					Wpi-Ui-Vпотi		Объем воды в конце месяца VKi,	Холостой сброс Vсбi
					Избыток воды Wизб	Дефицит воды Wд
1	2	3	4	5	6	7	8	9
III	109,664	10,720	0,6218	11,3418	98,3222		54,1748	47,7954
IV	328,342	20,202	0,9542	21,1562	307,1858		54,1748	307,1858
V	37,729	20,904	2,4634	23,3674	14,3616		54,1748	14,3616
VI	18,863	20,202	2,2865	22,4885		3,6255	50,5493
VII	8,253	20,904	1,1799	22,0839		13,8309	36,7184
VIII	4,126	20,904	0,2853	21,1893		17,0633	19,6551
IX	5,895	20,202	0,4208	20,6228		14,7278	4,9273
X	17,095	20,904	0,3670	21,2710		4,1760	0,7513
XI	25,937	10,360	0,3264	10,6864	15,2506		16,0019
XII	18,274	10,720	0,3725	11,0925	7,1815		23,1834
I	9,432	10,360	1,0401	11,4001		1,9681	20,8553
II	5,895	9,680	0,4693	10,1493		4,2543	16,6010
S	589,4830	196,0620	10,7872	206,8492				366,0328

 

Предполагая, что в расчетном  маловодном году может осуществляться строительство водохранилища и заполнение его мертвого объема, принимаем объем воды в конце маловодного месяца, в котором полезный объем полностью срабатывается, равным мертвому объему V_мо. Начиная с этого месяца, ходом «снизу вверх» последовательно прибавляем дефициты и отнимаем избытки, в результате чего получаем полезный, и соответственно, полный объем водохранилища с учетом потерь и мертвого объема. Расчет наполнения водохранилища производят также, как и в таблице 3.2 ходом «сверху вниз», заканчивая последним месяцем многоводного периода. Излишки воды направляют на сброс (гр. 9, табл. 4.6).

Правильность вычислений проверяют по составленному уравнению  водного баланса за год: W_p -  U – V_пот – V_cб – V_мо = 0.

 

Расчет выполнен верно.

 

Если  окажется, что воды не хватает для заполнения водохранилища 

W_p < ( U + V_пот + V_мо), то заполнение мертвого объема в расчетный маловодный год не представляется возможным и тогда объем воды в конце маловодного месяца принимают за нуль (полезный объем срабатывается до нуля, а не до УМО). Если после этого окажется ,что W_p < ( U + V_пот), то уменьшают водопотребление и расчеты повторяют.

Выполненный расчет потерь воды из водохранилища следует рассматривать  как первое приближение. Фактические  потери будут несколько выше в  связи с увеличением площади  зеркала и объема водохранилища  за счет учета потерь.

По данным таблично-цифрового  расчета, приведенным в табл. 4.6, строят график работы водохранилища (рис. 4.1). По оси абсцисс откладывают месяцы в хронологической последовательности, начиная с того, который принят за начало водохозяйственного года (полная сработка полезного объема), а по оси ординат – объемы наполнения на конец каждого месяца с учетом  потерь, т.е. данные гр.8.

 

 

 

График 4.1 

4.3 Определение  сопряженных характеристик водохранилища  и показателей регулирования  стока.

 

Рассчитанные с учетом потерь значения объемов V_плн , V_плз и V_мо необходимо нанести на морфометрическую кривую объемов водохранилища (рис. 3.1) и установить сопряженные характеристики:

- отметку нормального  подпорного уровня ÑНПУ, соответствующую полному объему водохранилища V_плн, h_нпу =123,5 м;

- площадь зеркала водохранилища  при данной отметке (величина  затопления) Ω_нпу = 31,5 км²;

- среднюю глубину при  НПУ h_{ср НПУ} = V_плн/ Ω_нпу =54,1748/31,5=1,720 м ;

- отметку уровня мертвого  объема ÑУМО, h_мо = 121,2 м;

- площадь зеркала при  УМО Ω_умо= 10 км²;

- среднюю глубину при  УМО h_{ср мо} = V_мо/ Ω_умо = 1,6601 м ;

Глубину призмы сработки h_сраб =ÑНПУ – ÑУМО = 123,5 – 121,2 = 2,3 (м).

Необходимо также определить следующие показатели регулирования  стока:

1. коэффициент регулирующей емкости β, представляющий собой отношение полезного объема к среднему объему годового стока:

 

(4.9)

где W_o = 31,54.

 

2. коэффициент зарегулированной отдачи α – отношение годовой суммарной потребности в воде к среднему годовому стоку:

 

 ,                                     (4.10)

 

3. удельное затопление ω_уд на 1 млн.м³ увеличения регулирующей емкости – отношение площади зеркала воды при НПУ к полезному объему:

 

                       (4.11)

 

 

4. удельное затопление на 1 м³/с прироста зарегулированных расходов:

 

             (4.12)

где м³/с, (U  в млн.м³).

 

 

Обычно для РБ 4-6 км² на 1 м³/c

 

5 Гидравлический  расчет канала.

5.1 Сечение гидравлически  наивыгоднейшего профиля.

Таблица 5.1 - Исходные данные для проектирования канала:

Q, м3/с	I, ‰	Грунт	d, мм	Ps, Па	mm	n	h, м
12	0,15	МЗ	0,25	1,8	2,5	0,024	2,0

 

В качестве формы поперечного  сечения примем трапецию:

 

Пояснение к исходным данным:

Q – заданный расход воды, м³/с;

I – уклон канала, ‰;

d – диаметр частиц грунта, мм;

Ps – показатель прочности грунта, Па;

m – коэффициент заложения откоса (m=ctg α);

n – коэффициент гидравлической шероховатости;

h – заданная глубина канала, м.

Поперечное сечение русла  гидравлически наивыгоднейшего  профиля характеризуется максимально  возможной средней скоростью u, а следовательно минимальной площадью живого сечения w.

При трапециедальном сечении  для этого профиля должно соблюдаться  следующее соотношение  между шириной по дну b и глубиной h:

                                    (5.1)

 

 

 

Для такого профиля гидравлический радиус русла: .

Основной формулой для  гидравлического расчета канала является формула Шези:

 

преобразуя которую с  учетом (5.1), для наивыгоднейшего  профиля получаем:

 

, при R < 1 м,

, (т.е. ), при R ≥ 1.

 

Вариант расчета гидравлически  наивыгоднейшего сечения по модулю расхода К:

 

где – площадь живого сечения, м²; – коэффициент Шези, м^0,5/с; – гидравлический радиус (), м.

 

Расчет произведем в следующем  порядке:

1. Определим отношение по формуле (5.1):

 

2. Найдем заданный модуль расхода :

 

3. Рассчитаем текущий модуль расхода по формуле (5.3):

 

 

4. Найдем глубину русла, приравняв К = К₀:

 

 

 

 

5. Определим ширину русла по дну как 

 

6. Определим площадь живого сечения как :

 

7. Определим среднюю скорость как 

 

 

8. Сравнивают расчетную скорость с допускаемой скоростью течения воды в канале в заданных грунтовых условиях . Для обеспечения устойчивости русла средняя скорость русла должна быть . Если окажется, что , то устойчивость русла обеспечена, если , то предусматривается крепление каналов. Скорость в канале определяют по формуле Э.И.Михневича:

 

где – показатель прочности грунта, Па;

 – гидравлический  радиус: ;

 – средний диаметр  зерен, м;

 – плотность  воды, кг/м³;

 – коэффициент  условий работы;

 – зависят от расчетной стадии движения наносов:

 для стадии начала  влечения отдельных зерен грунта,

 для стадии грядообразования,

 для стадии начала  взвешивания грунта.

Стадия начала влечения отдельных  зерен грунта:

 

 

Стадия грядообразования:

 

Стадия начала взвешивания  грунта:

 

Выбираем допускаемую  скорость для расчетной стадии движения наносов, которая назначается при  Q < 10 м³/с – первая стадия; Q = 10 – 20 м³/с – вторая стадия; Q > 20 м³/с – третья стадия.

В качестве расчетной выбираем вторую стадию, т.к. Q = 12 м³/с:

 

 

9.  – в нашем случае необходимо предусмотреть крепление канала.

 

5.2 Гидравлический  расчет канала при заданной  глубине русла

Данная задача решается графо-аналитическим  способом. При назначенной глубине  канала h задаются рядом значений (обычно 4-5) ширины по дну b.