«ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Раздел 1. Гидрология. Общие сведения об организации гидрометрических измерений – основы изысканий для составления проектов охрны земель от подтопления 1.1 Уровни воды 1.1.1 Приборы и устройства ...»

Затем перейдите к аналитическому и графическому способам вычисления расходов воды. Обратите внимание на определение расчетного уровня при измерении расхода, а также на точность вычисления расходов. Изучите также измерение расхода воды поверхностными поплавками, гидравлическими способами (водосливами, гидрометрич ескими лотками, порогами и др.), гидравлико-гидрометрическими способами, способом смешения (ионного паводка), ознакомьтесь с применением аэрометодов, с определением расходов в каналах.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 74–106.

1. Какова последовательность гидрометрических работ при измерении расхода воды:

а) вертушкой, б) поверхностными поплавками?

2. Чем отличается детальный способ измерения воды вертушкой от основного? от сокращенного?

3. Как измеряют расходы воды: а) в дренах, б) в трубопроводах?

Зависимость уровней от расхода воды и речной сток Главная цель темы – вычисление объемов стока воды за любой период времени (месяц, год, и т.д.).

Рассмотрение темы начните с построения кривых расходов, площадей живых сечений и средних скоростей. Кривая расходов Q =Q (H) положена в основу определения среднесуточных расходов воды по измеренным среднесуточным уровням; она является также важнейшей гидравлической характеристикой речного потока. Кривая площадей = (Н) характеризует морфометрию русла, кривая средних скоростей U = U(H) отражает изменение средней скорости потока при разном наполнении русла. Кривые взаимосвязаны между собой выражением Q = U. Совместный анализ = (Н) и U = U(H) помогает более точному построению Q = Q(H).

Подробно разберите методы построения кривых при неустановившемся движении, деформации русла, ледовых явлениях и зарастаемости. Далее изучите экстраполяцию кривых за пределы наибольших и наименьших измеренных расходов воды до наивысшего и наинизшего из наблюдавшихся уровней. Затем рассмотрите вопросы вычисления стока за любой период времени и за весь год; при этом особое внимание обратите на подсчеты стока при неоднозначной Q = Q(H), например в зимних условиях. В заключение разберите вопросы переноса кривых расходов в расчетные створы, а также точности вычисления стока.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 106–116; 2, с. 37–45.

1. В каких случаях на кривой расходов Q = Q(H) образуется «паводочная петля» и как тогда производится подсчет стока?

2. Что является причиной разброса точек на зависимости Q = Q(H) и = (Н), если на зависимости U = U(H) точки расположились вблизи кривой? Как в этом случае вычислить сток?

Раздел 2. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ

ЗЕМЕЛЬНООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

2.1 Норма стока Нормой годового стока называется его средняя величина за многолетний период с неизменными ландшафтными географическими условиями, относящимися к современной геологической эпохе, и с одинаковым уровнем освоения реки. Многолетний ряд наблюдений по которому определяется норма стока, должен включать несколько (не менее двух) полных циклов изменения водности реки (цикл состоит из многоводной и маловодной фазы).

Важность знания величины нормы годового стока заключается в том, что она является основной и устойчивой характеристикой водных ресурсов данного речного бассейна или района.

Норма годового стока, как всякая средняя арифметическая величина статистического ряда, может быть определена по формуле (м3/с):

где QqN – норма годового стока, Qi (Q1, Q 2, Q3, Q4, Q5) – годовые величины стока за длительный период (лет), при котором, дальнейшее увеличение ряда наблюдений не меняет или мало меняет среднюю арифметическую величину (QqN).

Вследствие недостаточной длины фактических рядов наблюдений за годовым стоком, которые как правило не превышают 60–80 лет норма стока полученная по формуле (16), отличается от истинного значения QqN на некоторую величину Qn, т. е.

где QQn – средняя величина годового стока за ограниченный ряд наблюдений (n лет), Qn – средняя квадратическая ошибка n-летней средней величины.

Выражая Qn в процентах от QQn, получают относительную среднюю квадратическую ошибку нормы стока, вычисленную по ограниченному ряду лет (n):

где Qn = – коэффициент вариации ряда годовых величин стока за n лет наблюдеQQn ний, принятых для определения нормы стока.

Норма стока может быть выражена в виде различных характеристик.

2.1.1 Характеристики стока. Определение. Единицы измерения Количественными характеристиками стока реки являются:

расход воды Q (м3/c) – количество воды, прошедшее через живое сечение реки за одну секунду;

объем стока W (м3) – количество воды, прошедшее через живое сечение реки за определенный период времени (сутки, месяц или год) где Т – число секунд (в сутках, месяце, году);

модуль стока М (л/с с 1 км2) – количество воды, прошедшее через живое сечение реки за 1 с, отнесенное к площади водосбора F, выраженной в км2.

слой стока h (мм) – количество воды прошедшее через живое сечение реки за определенный период времени и отнесенное к единице (1 км2 ) площади водосбора – это как бы высота слоя воды, полученного при равномерном распределении объема стока по всей площади водосбора.

коэффициент стока – отношение слоя стока h (мм) к слою осадков (мм) за рассматриваемый период 2.1.2 Определение нормы стока при наличии длительного ряда гидрометрических наблюдений Для того чтобы гарантировать требуемую точность определения нормы годового стока, необходимо использовать интегральную кривую стока. Ее строят на миллиметровой бумаге, где по оси времени откладывают годы, а по вертикальной оси – (K–1) в виде точки за каждый год. Соединив линией все точки, получают интегральную кривую стока, по которой выявляют циклы, включающие в себя маловодную и многоводную фазу (каждый цикл). Неполные циклы из расчета исключаются. Оставшиеся циклы, включающие парные фазы, называют характерным периодом (репрезентативным, расчетным). И норма стока рассчитывается отношением суммы расходов за характерный период к числу лет в этом периоде, т. е.

Период времени, для которого участок интегральной кривой имеет подъем вверх относительно горизонтальной линии и значение величины Kср – 1 положительное, соответствует многоводной фазе цикла колебаний водности, а период, для которого участок кривой наклонен вниз и Kср – 1 имеет отрицательное значение – маловодной фазе.

Задание 1. Согласно данным Qср.год max ОГХ (т. 8), за многолетний период рассчитать характеристики и построить интегральную кривую стока и рассчитать норму стока максимальных расходов.

Задание 2. Выбрать расчетный репрезентативный период для определения нормы годового стока р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная) за период наблюдения с 1926 по 1975 г. с помощью разностной интегральной кривой.

Задание 3. Определить норму стока.

Вычисление ординат разностной интегральной кривой годовых модульных коэффициентов производят в табличной форме (таблица 14).

Таблица 14 – Расчет характеристик для построения интегральной кривой Qср=244,06 м3/с.

Рисунок 40 – Интегральная кривая стока реки Большой Зеленчук (ст-ца Исправная) 2.1.3 Расчет нормы годового стока при коротком ряде наблюдений В практике расчета нормы годового стока часто приходится иметь дело с короткими рядами наблюдений, продолжительность которых не обеспечивает получение результата с требуемой точностью. В этих случаях величина среднего годового стока, полученная по имеющемуся короткому ряду, приводится к расчетному многолетнему периоду.

Расчетный период выбирается по рекам-аналогам, которые имеют длинный ряд наблюдений, обеспечивающих требуемую точность.

В качестве аналога для рассматриваемой реки выбираются расположенные вблизи водосборы, обладающие зональной однородностью по географическому и высотному положению. Главное внимание при выборе реки аналога должно быть обращено на то, чтобы климатические условия, залесенность, заболоченность, озерность, геологические условия, освоение территории реки-аналога были те же, что и для рассматриваемого бассейна.

Главным и наиболее объективным критерием правильности выбора аналога является наличие синхронности колебаний годовых расходов и достаточно надежной коррелятивной связи стока за годы одновременных наблюдений рассматриваемого водосбора и его аналога.

Определение нормы стока по графику связи. При коротком ряде наблюдений – не менее 6 лет (таблица 15) – величину нормы стока можно определить по графику связи годовых величин стока в изучаемом бассейне и бассейне-аналоге. На график в системе прямоугольных координат (рисунок 41) наносим средние годовые расходы (модули) за период одновременных наблюдений. По полученным точкам проводят среднюю линию так, чтобы точки равномерно располагались по обе стороны линии связи.

Масштабы для построения графиков связи выбираются так, чтобы линия проходила примерно под углом Таблица 15 – Расходы исследуемой реки Большой Зеленчук – а. Архыз, при коротком периоде наблюдения, восстановленные по графику Qa=f(Qи) и аналогичной реки Большой Зеленчук – ст-ца Исправная за тот же период Большой Зеленчук – ст-ца Исправная Большой Зеленчук – а. Архыз Норма стока в изучаемом бассейне с коротким рядом наблюдений определяется по графику связи непосредственно по норме стока, найденной для бассейна-аналога по многолетним данным Q0 = 294,5 м3/с. Для исследуемой реки она равна 120 м3/с.

При очень коротком периоде наблюдений (5 лет), когда невозможно построить график связи стока в двух пунктах (бассейнах) для приближенного определения нормы стока можно применять аналитический метод приведения стока к многолетнему периоду.

Рисунок 41 – График связи средних годовых расходов воды Qи и Qа за период 1973–1980 гг.

2.1.4 Определение нормы стока при отсутствии гидрометрических данных При отсутствии гидрометрических данных норма стока определена по карте изолиний среднего многолетнего стока (рисунок 42).

1. Для расчета нормы стока по карте изолиний стока в «Указаниях СН 435–72» рекомендуется использовать карту среднего годового модуля стока рек России Госуда рственного гидрологического института (ГГИ) в масштабе 1:5000000 или в масштабе 1:10000000. Могут быть использованы карты стока, составленные для отдельных районов и изданные в справочниках «Ресурсы поверхностных вод».

Точность расчета стока по карте ГГИ оценивается в зависимости от коэффициента изменчивости годового стока.

Средняя многолетняя величина стока по карте определяется для центра водосбора неизученной реки путем прямолинейной интерполяции между изолиниями стока. В случае пересечения водосбора несколькими изолиниями средневзвешенная норма стока вычисляется по формуле:

где М1, М2, М3, …, Мn – среднее значение величины модуля стока между соседними изолиниями пересекающими водосбор, F1, F2, F3 … Fn – соответствующие площади между изолиниями, F – общая площадь водосбора до расчетного створа.

Рисунок 42 – Карта среднего годового стока рек Юга РФ, л/(с·км 2) Оформление расчетно-графической работы:

Задание по определению нормы стока при различной степени изученности бассейна оформляется в виде пояснительной записки с расчетными таблицами и следующими чертежами:

1. Разностная интегральная кривая средних годовых расходов (К–1)=f(T).

2. График связи между стоком в изучаемом и аналогичном бассейне.

3. Карта изолиний нормы стока для изучаемого бассейна.

В пояснительно записке производится краткое описание способов расчета нормы стока с приведением формул, применяемых в этих способах.

2.2 Определение расчетных расходов (расчетно-графическая работа 2.2.1 Внутригодовое распределение речного стока Задание: Рассчитать распределение стока внутри года методом компоновки сезонов с расчетной вероятностью превышения (обеспеченностью Р=80% – для целей орошения, ф-т ВХиМ и Р=97% – для целей водоснабжения, ф-т ВВ).

Производится расчет как межсезонного (по сезонам года), так и внутрисезонного (по месяцам и декадам) распределения стока. Исходными данными служат средние м есячные расходы воды в реке, взятые из основных гидрологических характеристик (ОГХ) по варианту.

2.2.2 Расчет межсезонного распределения стока В зависимости от типа внутригодового распределения стока гидрологический год делится на два периода: многоводный и маловодный. Устанавливается наиболее напряженный период с точки зрения водохозяйственного использования – лимитирующий (межень). В период включается один или два сезона. На реках с весенним половодьем при использовании стока для целей орошения выделяют многоводный период (он же сезон) – весну и маловодный (лимитирующий) период, включающий в себя сезоны лето–осень и зиму (лимитирующим сезоном для орошения является лето–осень).

Расчет выполняется по гидрологическим годам, которые начинаются с многоводн ого сезона. Сроки сезонов принимаются единым для всех лет наблюдений с округлением их до целого месяца. Продолжительность многоводного сезона устанавливается так, чтобы в границах сезона помещалось половодье как в годы с самым ранним сроком его наступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.

В расчете продолжительность сезона рекомендуется принять следующей: весна – апрель, май, июнь; лето–осень – июль, август, сентябрь, октябрь, ноябрь; зима – декабрь и январь, февраль, март следующего года. Величина стока за отдельные сезоны и периоды определяется суммой средних месячных расходов воды (таблица 16).

При расчете внутригодовое распределение стока принимается из условия равенства вероятности превышения стока за год, стока за лимитирующий период и внутри него – за лимитирующий сезон. Поэтому необходимо определить расходы заданной проектом обеспеченности (в примере – 80%) для года, лимитирующих периода и сезона. Расчетные расходы с Р = 80% определяют после расчета параметров кривых обеспеченности для лимитирующих периода и сезона – среднемесячного расхода воды Q0 (м3/с), коэффициента вариации Cv и коэффициента асимметрии Cs.

Таблица 16 – Расчет внутригодового распределения стока методом компоновки (межсезонное распределение) р. Лаба – пос. Псебай

VII VIII IX X XI IV V VI

ляют ординату кривой обеспеченности Kр л–о =0,8 и вычисляют расчетный расход Qр л–о по формуле: Qр л–о = Кр л–о Qл–о = 0,8 332,0 = 265,6 м3/с.

XII I II III

Qр(меж)=Кр(меж) Qср(меж)=0,856 425,8=364,5 м3/с.

Коэффициент изменчивости определяют по данным граф 11 и 26 таблицы 16, используя формулу а коэффициент асимметрии Сs принимают равным 2Сv. Расчетные расходы для годового стока, стоков лимитирующего периода и лимитирующего сезона определяют по формулам (м3/с):

где Кр.год, Кр.меж, Кр.л–о – ординаты кривых трехпараметрического гамма-распределения (взяты из приложения 1 соответственно для Сv годового стока, Сv меженного стока и Сv для сезона лето–осень);

Q0 – среднемесячный расхода воды, м3/с).

Одним из основных условий метода компоновки является равенство Qр.год=Qр.сез.

Однако это равенство нарушится, если расчетный сток за нелимитирующие сезоны определять по кривым обеспеченности (ввиду различия параметров кривых). Поэтому расчетный сток за нелимитирующий период (в задании – за весну) определяют по разности:

а за нелимитирующий сезон (в задании зима) Расчет ведется в табличной форме. Определяют расчетные расходы, используя данные таблицы 16:

2.2.3. Расчет внутрисезонного распределения стока Внутрисезонное распределение стока принимается осредненным по каждой из трех групп водности (многоводная группа, включающая годы с обеспеченностью стока за сезон Р 2,5 м и критерий площади литорали L < 0,35.

Для определения мертвого объема водохранилища используют кривую зависимости hср = hср(Н) (рисунок 46), где минимальная отметка (УМО) при hср =2,5 мм равна 25 м.

Этой отметке соответствует объем равный Vумо=12,0 млн. м 3 (по кривой V = V(Н)). Критерий литорали L устанавливается по кривой L = L(Н) (рисунок 46). При отметке УМО в примере L = 0,41, что превышает норму (L < 0,35). Следовательно, требуется снизить критерий литорали, для этого задаются L = 0,35 и по кривой зависимости V = V(Н) определяют мертвый объем. Он принят равным 34,0 млн. м3. Уровень мертвого объема принят равным 27,5 м.

3.1.3 Экономическая характеристика водохранилища (определение стоимости строительства земляной плотины и сооружений на ней, компенсационных затрат, удельной стоимости) Общая стоимость строительства водохранилища определяется сметно-финансовыми расчетами. Она складывается из капитальных затрат на возведение плотины (с сооружениями) и средств на компенсацию расходов, вызванных подготовкой чаши водохранилища.

Стоимость сооружения гидроузла определяется произведением величины объема тела земляной плотины на приведенную стоимости 1 м3 тела плотины С1 в рублях.

Компенсационные затраты, вызванные подготовкой чаши водохранилища и затоплением территории, определяются произведением укрупненного измерителя этих затрат С2 на величину площади затопления соответствующей отметке Нi.

При проектировании водохранилищ рассчитываются несколько вариантов и оптимальный из них принимается для выполнения. Для оценок их экономической эффективности определяют удельную стоимость водохранилища (стоимость 1 м3 воды, задержанной в водохранилище) делением общей стоимости на величину полезного объема.

Расчеты ведутся в табличной форме. Пример расчета представлен в таблице 26.

При выполнении водохозяйственного расчета приняты следующие условия:

1. Ширина земной плотины по гребню b = 4,5 м, заложение откосов равны: сухого m1=2 м., мокрого m2=4 м. Превышение гребня плотины (Н) над НПУ в водохранилище принять данным таблицы 24.

Таблица 24 – Значения превышения гребня плотины от глубины у плотины Глубина водохранилища у плотины, м 2. Приведенная (с учетом всех работ по гидроузлу) стоимость 1 м3 насыпи в теле плотины С1=1,3 руб.

3. Суммарные затраты на отчуждение и подготовку 1 га площади чаши водохранилища к затоплению С2=140 руб. Определение количества земляных работ по насыпи, т. е. объем тела плотины, выполняют при наличии продольного профиля по оси плотины, упростив его приведением к виду трапеции или параболы.

Для трапецеидального профиля речной долины объем тела плотины определяют по формуле:

Для параболического профиля долины реки по формуле:

где Н – высота плотины, м;

L – длина плотины по гребню, м, l – длина плотины по низу, м;

mср – среднее заложение откосов плотины, равное (m1+m2)/2;

k – коэффициент формы русла, принимаемый по таблице 25.

Таблица 25 – Значения коэффициента формы русла Согласно заданию по приведенному к трапеции профилю по оси плотины: при H = =2,5 м; L = 500 м; ширине плотины по гребню 4,5 м; l = 0,0 м; верховом откосе 1 : 4, низовом – 1 : 2 объем тела плотины определяют после вычисления По формуле (41) рассчитывают объем тела насыпи (в примере для Н=2,5 м) Стоимость строительства плотины с гидроузлом (таблица 26, графа 6) определяют по формуле:

Таблица 26 – Расчет экономической характеристики водохранилища Отметка горизонплотины Wтыс, м та воды Н, м Компенсационные затраты на подготовку чаши водохранилища (таблица 26, графа 7) рассчитываются по формуле:

Удельную стоимость вычисляют по формуле:

Экономическая характеристика водохранилища выражается кривыми зависимости общей K = K(H) и удельной = (H) стоимости от отметки свободной поверхности воды (рисунок 47).

Рисунок 47 – Экономическая характеристика водохранилища 3.2 Водохозяйственный расчет сезонного (годичного) регулирования речного стока балансовым (аналитическим) методом 3.2.1 Расчет сезонного регулирования стока Сезонное регулирование стока позволяет перераспределить сток в течение сезона или года, т. е. накапливать воду в водохранилище в многоводные периоды года и распределять его в маловодные годы и сезоны.

Исходным материалом для расчета служат данные расчетных месячных расходов – стока Q и величин потребления (отдачи) q, таблица 27, графа 2 и 3 за расчетные интервалы (месяцы года), которые берутся из приложения 2 (согласно варианту). Расчет ведется в хронологической последовательности с вычислением объемов наполнения водохранилища, сработки и холостых сбросов на конец расчетного интервала.

Расчетный объем стока за интервал (графа 4) определяется по формуле где Q – (расход) приток в водохранилище, м 3/с;

Т – число секунд в интервале (месяц), равное в среднем 2,59·106с.

Таблица 27 – Расчет водохранилища сезонно-годичного регулирования (объемы стока, отдачи, Месяцы Плановая отдача за интервал (графа 5) рассчитывается из выражения где U – плановая отдача, м /с.

Вычитая из расчетного объема стока Wp за каждый месяц величины плановой отдачи U получают избытки объемов стока, если разность положительна (таблица 27 графа 6) и недостатки – при отрицательной разности (таблица 27 графа 7).

Столбцы избытков Vизб и недостатков Vд следующие без «разрывов», суммируют, получая при этом за Vизб1 следует группа недостатков Vд1 – один такт работы водохранилища, а за Vд1 идет Vизб2 – второй такт, случай двухтактовой работы водохранилища.

Контролем правильности расчетов служит равенство разностей итоговой суммы Wp – U, а также Vизб – Vд (в примере она равна 16,80 млн. м3, 116,84–100,04 и 36,51– 19,71).

В результате анализа полученных данных (графы 6 и 7) установлено, что Vизб 1 = =34,13 млн. м3 больше следующего за ним недостатка (Vд1 = 15.62), а второй избыток Vизб2 = 2,38 млн. м3 меньше последующего дефицита (Vд1 = 4,09 млн. м3). Имеем тот случай двухтактной работы, когда полезный объем определяют суммой двух недостатков минус меньший избыток:

Vплз = Vд 1+Vд 2 – Vизб 2 = 15,62+4,09–2,38 = 17,33 млн. м3.

В других случаях Vплз принимают равным максимальному дефициту Vд 1 = =15,62 м3•106.

3.2.2 Регулирование стока по первому варианту Сущность первого варианта регулирования состоит в скорейшем наполнении водохранилища до VНПУ за счет первых избытков и удержании его наполненным длительное время.

Расчет начинают с даты перехода от лимитирующего маловодного периода к периоду повышенной водности, т. е. с начала водохозяйственного года (перед наибольшим избытком, в примере с начала III месяца). За начальное наполнение принимают мертвый объем или условно нулевое наполнение (Vплз = 0) Расчеты по первому варианту регулирования выполняют в хронологической последовательности с момента опорожн ения водохранилища вперед, по ходу времени прибавляя избытки и отнимая недостатки.

Полученные результаты (конечного наполнения за каждый месяц года) – Vк, записывают в графу 8 таблицы 27. Если сумма избытков будет превышать величину полезного объема Vплз, то на конец этого места в графе 8 пишут величину Vплз (в примере 17,33 млн. м3), а превышение над Vплз [(6,7+27,43)–17,33] заносят в графу 9 (сброс Vсбр – 16,80 млн. м3). В рассматриваемом примере сумма избытков за III и IV месяцы (34, млн. м3 ) превышает полезный объем водохранилища (Vплз =17,33 млн. м3) следовательно, из избытка Vизб на заполнение водохранилища пойдет только 1,33 млн. м3, а остальной объем притока воды идет на холостой сброс. Недостаток притока в V, VI.

VII, VIII месяцах компенсируется из водохранилища, за счет чего объем воды в нем будет убывать и на конец VIII месяца составит лишь 3,22 млн. м 3.

Недостаток притока воды в декабре и феврале будет компенсироваться запасами из водохранилища, и в конце февраля полезный объем окажется равным нулю.

Контролем правильности расчетов служат равенство суммарной величины сброса (графа 9) и разности между суммарным расчетным стоком Wp, (графа 4) и суммарной плановой отдачей (таблица 27, графа 5).

3.2.3 Регулирование стока по второму варианту Сущность его заключается в том, что наполнение водохранилища начинают в возможно более поздний срок. В этом случае в ожидании многоводного периода в первую очередь освобождают от Vплз емкость водохранилища, делают холостой сброс воды, а затем наполняют его во время паводков.

При втором варианте регулирования расчет начинают с VУМО (с III месяца), считая наполнение водохранилища нулевым, и ведут против хода времени, последовательно прибавляя недостатки и вычитая избытки. Результаты расчета заносят в графу 10 таблицы 27. Полезный объем Vплз определяется в примере как сумма недостатков минус меньший избыток. В ходе расчета получится конечное наполнение, равное полезному объему водохранилища. С ходом времени эта величина будет уменьшаться. Когда наполнение станет отрицательным, в этом интервале в графе 10 записывают «0» – нулевой объем воды, а величину отрицательного числа записывают в графу 11 сброса.

Все отрицательные значения объемов также записывают в графу 11 (по абсолютной величине). При этом варианте регулирования нулевые объемы встречаются несколько раз, что указывает на подготовку водохранилища к приему большого объема стока воды. Проверка правильности расчета такая же, как и при I варианте регулирования.

По данным результатов расчета строится график режима работы водохранилища (рисунок 48). На оси ординат располагают величины наполнений на конец интервалов (графы 8 – по первому варианту регулирования и графы 10 – по второму варианту, таблица 27) на оси абсцисс интервалы (месяцы года).

1 – режимы работы водохранилища без учета потерь; 2 – режим работы водохранилища с учетом потерь 3.2.4 Расчет сезонного регулирования стока с учетом потерь на фильтрацию и испарение (по первому варианту) Исходными данными для расчета служат результаты расчета водохранилища сезонного регулирования стока без учета потерь (таблица 27, графа 8).

При расчете принять:

1) мертвый объем водохранилища, соответствующий средней глубине hср=2,5 (по кривой зависимости V V (H ), рисунок 46);

2) испарение с водной поверхности по данным таблицы 28;

Таблица 28 – Величины испарений по месяцам (по данным метеорологического ежегодника)

I II III IV V VI VII VIII IV X XI XII

Слой испарения, мм 3) месячные потери воды на фильтрацию в процентах от среднего объема воды в водохранилище (соответственно варианту по данным таблицы 29).

Таблица 29 – Величины потерь на фильтрацию (по вариантам) В графу 3 таблицы 30 на начало и конец каждого расчетного интервала записывают объемы Vк, (из графы 8 таблицы 27), увеличенные на величину мертвого объема VУМО.

Средний объем за расчетный интервал (таблица 30, графа 4) находит как полусумму объемов наполнений на начало и конец каждого интервала Vср 0,5(VHi VHi ) без учета потерь.

Среднюю площадь водной поверхности ср (графа 5) определяют по батиграфической кривой. Каждому значению Vср, соответствует величина уровня воды (Н). При уровне Н с помощью кривой зависимости (H ) (см. рисунок 46) получают ср. Результаты записывают в графу 5 таблицы 30.

Таблица 30 – Расчет водохранилища сезонно-годичного регулирования с учетом потерь воды Месяцы Принимая значения полезного объема, исправленные на величину потерь по данным последнего приближения (повторения) 25,31 млн. м 3 и прибавляя величину мертвого объема (12 млн. м3), получают полный объем водохранилища:

Согласно данным Vк в последнем приближении уточняют график режима работы водохранилища, т. е. на рисунке 48 наносят уточнение на конец каждого месяца.

Высотную отметку нормального подпорного уровня Н НПУ определяют по кривой зависимости V = V(H) в примере Н НПУ =30,5 м. Умножая величину ср, в каждом интервале на слой испарения h, определяют объем потерь воды на испарение (таблица 28, графа 6).

Величины потерь на фильтрацию рассчитывают, исходя из среднего объема наполнения на конец каждого месяца (графа 4) согласно варианту задания таблица 30. Сумму потерь (на фильтрацию и испарение) записывают в графу 8. Суммируя их с плановой отдачей (таблица 27 графа 5) (Vпот q), получают отдачу с учетом потерь (q брутто), занося в графу 9 таблицы 30. Аналогично расчету водохранилища по первому варианту без учета потерь вычисляют объемы наполнений и сбросов.

Полезный объем водохранилища с учетом потерь воды Vплз определяют в зависимости от режима работы водохранилища (одно-, двух- или многотактного). В примере Vплз = VД1+ VД2 млн. м3. т. е Vплз) равен сумме двух недостатков минус меньший избыток (двухтактный режим).

Если величина полезного объема Vплз увеличилась по отношению к Vплз более, чем на 1–2%, расчет уточняют, т. е. производят повторно. Для этого в графу 3 таблицы 30, (в зависимости от того, сколько будет повторений) записывают данные графы 12 Vк – конечных объемов наполнений водохранилища на конец каждого месяца, увеличенных на объем потерь, определенных от Vк (таблица 30).

Полный объем водохранилища при Vплз =25.31 млн. м3 и VУМО=12,0 млн. м3 составит Vплн Vплз VУМО 37,31 млн. м3. Высотная отметка НПУ при этом объеме воды в водохранилище равна 30,5 м (кривая V = V(H), рисунок 46).

Согласно данным, полученным в ходе расчета, строится график режима работы водохранилища с учетом и без учета потерь (рисунок 48), а также составляется паспорт водохранилища (таблица 31).

Таблица 31 – Паспорт водохранилища 3.3 Расчет водохранилища многолетнего регулирования стока Необходимость в многолетнем регулировании стока возникает в случае, когда год овая потребность в воде (отдача Uизб) больше, чем расчетный сток Wp. При многолетнем регулировании потребность в воде в маловодный год обеспечивается стоком за этот год и сработкой запасов воды из водохранилища, накопленных в многоводные г оды.

Период сработки многолетней составляющей может изменяться от года до нескольких лет. Сезонная составляющая срабатывается ежегодно. Сток, отдачу, объем воды в водохранилище для удобства расчетов принято выражать в долях от среднего мног олетнего объема стока реки W0 в относительных величинах:

сток – модульным коэффициентом стока отдачу – коэффициентом зарегулирования стока объем воды в водохранилище – коэффициентом объема стока:

Расчет выполняют таблично-цифровым способом, отдельно вычисляя многолетнюю Vмн и сезонную Vсез составляющие полезного объема.

Коэффициент емкости вычисляется:

Коэффициент многолетней составляющей емкости водохранилища определяется по 2-му способу С. Н. Крицкого и Н. Ф. Менкеля с помощью графиков Г. Г. Сванидзе (приложение 3) при Cs= 2Сv и коэффициенте корреляции между годовым стоком смежных лет (r = 0,1). Значением мн определяется многолетняя составляющая мн = f (P,, Cv, Cs, r).

При Р= 85%; = 0,91; Cv = 0,16; Cs = 0,32; сез = 0,32; r = 0,1; мн = 0,42. Многолетняя составляющая емкости водохранилища определяется из формулы:

где W0 – средний многолетний приток, млн. м Расчет сезонной составляющей выполняют из условия необходимости покрытия сезонных дефицитов в воде в первый год после окончания маловодного периода, т. е. когда многолетий запас исчерпан, считая в расчетном году равенство стока и отдачи.

где tм – продолжительность межени (в долях от года), которая составляет 0,75 (или 9/12);

mм определяется из отношения где WР меж – расчетный объем стока за меженный период, млн. м 3.

WР год – расчетный годовой объем стока.

Величины WР меж и WР го д определены в расчетах внутригодового распределения стока методом компоновки сезонов.

Величина сезонной составляющей емкости водохранилища определяется по формуле:

Полезный объем водохранилища при многолетнем регулировании стока определен в примере: Vплз Vмн Vсез 49 106 35 106 84 106 м3.

Полный объем водохранилища составит (м 3):

Полному объему соответствует отметка уровня воды водохранилища, равная 34,3 м (рисунок 46).

3.4 Расчет регулирующего влияния водохранилища на максимальный сток Задача регулирования состоит в снижении максимальных расходов, сбрасываемых в нижний бьеф. Выполнение поставленной задачи обеспечивается созданием емкости форсировки Vф, находящейся между отметками НПУ и уровнем катастрофического паводка УКП (форсированным – ФПУ).

Расчет производим по упрощенному методу Д. И. Кочерина, в основу которого п оложены два допущения: гидрограф половодья представляют в виде треугольника и нарастание qсбр происходит по линейному закону. Исходными данными для расчета регулирующего влияния водохранилища являются: гидрограф половодья (паводка), объемная характеристика водохранилища и тип водосбросных сооружений. Конструкция сбросных сооружений – водослив без затворов, отметка гребня водослива совмещена с НПУ (берется из данных расчета сезонного регулирования стока с учетом потерь).

К началу половодья водохранилище наполнено до НПУ. Потери на фильтрацию и испарение не учитываются.

График сбросных расходов принимается в виде прямой линии, а величину сбросного расхода qсбр определяют по формуле:

где Q max – расчетный максимальный расход, равный в примере 113,4 м3/с (Q max взят по кривой обеспеченности годовых расходов при Р = 0,01% из задания по гидрологии);

Wп – объем половодья (паводка), определяемый по формуле:

где Т – продолжительность паводка в секундах – 864000 с tсут (для всех вариантов tсут = 24);

VФ – емкость форсировки, млн. м3.

В примере Wп = 0,5·113,4 · 86 400 ·24 = 117,5 млн. м3.

Схема расчета. 1. Задаются величиной слоя форсировки hф=0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 м.

2. Для каждого слоя hф по кривой зависимости V = V(H) (из рисунка 48) находят величину объема форсировки по формуле.

В примере при hф = 0,5 м Vф = V31,0 – V30,5 = 45,0 – 37,3 = 7,7 млн. м3, где V31,0 и V30,5 – объемы при отметках 31,0 и 31,5 м.

3. Вычисляют qсбр по формуле (56) и полученные значения заносят в таблицу 32.

Строят график сбросных расходов qсбр = qсбр (hсбр) (рисунок 49), используя данные таблицы 32.

Таблица 32 – Расчетная таблица характеристик Определяем расходы через водослив с широким порогом (таблица 33), задаваясь различной шириной водослива b = 100; 200; 300; 400 м, по формуле:

где m – коэффициент расхода водослива, равный 0,42:

b – ширина водослива, м.

Результаты вычислений заносят в таблицу 33.

Таблица 33 – Расчет расходов через водослив В примере при hф= 0,5 м qсбр = 113,4 (1 – 11,5/117,4)=103,2 м3/с. Строят кривые зависимости qв = qв(hф) (рисунок 49) и qсбр = qсбр(hф). Точки пересечения кривых зависимости qсбр=qсбр(hф), с кривой q в = qв(hф) соответствует гидравлически наивыгоднейшему режиму работы водослива. Далее производится технико-экономический расчет обшей стоимости гидроузла (для всех точек пересечений из кривых, т. е. при различных значениях hф и qсбр). В работе для дальнейшего расчета условно принимают точку пересечения, наиболее близкую по величине к hф 2 м. В примере hф = 0,625 м при b=100 м и qсбр = 100 м3/с (рисунок 49).

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) при hф=0,625 м получается: НПУ+hф= =34,3+0,625=34,925 м, что соответствует максимальному объему воды в водохранилище 107,5 млн. м3. Строят расчетную схему гидрографа половодья и емкости форсировки (рисунок 50). Для всех вариантов Qмах приходит на восьмые сутки).

3.5 Расчет многолетнего регулирования стока водохранилища графическим методом (курсовая работа по регулированию стока) В данной работе требуется рассчитать регулирование стока на постоянный расход для создания оптимальных условий работы водохозяйственной установки на протяжении трех характерных лет.

Расчет регулирования стока по хронологическому ряду величин стока выполняется в графической форме с помощью интегральных кривых стока, что дает наглядное представление о процессе его регулирования за длительный период.

Исходными данными для расчета служат величины объемов и соответствующих им отметок воды в водохранилище (таблица 34) и средние месячные расходы реки за три характерных года (таблица 35). Выдаются преподавателем по варианту, например:

а) объемная характеристика водохранилища Таблица 34 – Исходные данные к построению кривой V = f (Н) б) бытовые расходы воды Таблица 35 – Бытовые расходы воды за три характерных года Водность года

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

в) отметка НПУ = 620 м, отметка УМО = 580 м (задаются по варианту) Задание. На основании исходных данных (таблицы 34 и 35) построить график объемной характеристики водохранилища. Определить мертвый, полезный и полный объемы воды в водохранилище. Построить гидрограф и определить время наполнения, холостых сбросов и сработки водохранилища. Построить интегральные кривые объемов стока в косоугольных координатах, провести линию зарегулирования. Построить лучевой масштаб. Определить величину расчетного зарегулированного расхода Qзар. Построить график режима работы водохранилища, позволяющий определять отметку воды в водохранилище на конец каждого месяца регулирования стока.

3.5.1 Объемная характеристика водохранилища. Построение. Определение полезного и мертвого объемов По таблице 34 исходных данных строится кривая, характеризующая зависимость величины объема воды в водохранилище от изменения уровня воды в верхнем бьефе W = W(H в.б) (рисунок 51). С помощью этой кривой определяют величины мертвого, полезного и полного объемов воды в водохранилище согласно заданнм отметкам уровня мертвого объема УМО и нормального подпорного уровня НПУ (пункт «в» в исходных данных).

Рисунок 51 – Объемная характеристика водохранилища Мертвый объем в примере, соответственно отметке 582 м равен 5,2 м 3 ·109, полезный объем равен Wплз= 4,8·109 м3, полный объем Wполн = 10·109 м3.

3.5.2 Расчет регулирования стока графическим методом на постоянный расход При расчетах многолетнего регулирования в качестве гарантированной отдачи, при сработке водохранилища, определяется величина зарегулированного расхода, которая определяется по маловодному году.

Расчет выполняется по данным расходов воды по трем водохозяйственным годам (маловодному, среднему и многоводному – таблица 35 исходных данных).

Порядок расчета представлен на примере:

а) определение средних годовых расходов воды Q I, Q II, Q III для каждого водохозяйственного года:

где Q1, Q2, Q3 – соответственно средние месячные расходы воды за каждый водохозяйственный год, м3 /с.

б) определение среднего многолетнего расхода:

в) определение средних годовых объемов стока за каждый гидрологический год:

где Т – число секунд в году равное 31,536 10 6.

3.5.3 График бытовых расходов. Построение. Анализ График бытовых расходов (рисунок 52) строят по исходным данным таблицы 35 на стандартной миллиметровой бумаге, откладывая в масштабе на оси ординат величины бытовых расходов, а на оси абсцисс интервалы (месяцы).

На гидрограф наносится величина зарегулированного расхода Q зар (см. рисунок 51). Совмещение гидрографов бытовых и зарегулированного расходов дает возможность контролировать правильность выполнения расчета регулирования стока. Этот контроль состоит в сравнении площадей графиков бытовых и зарегулированного ра сходов. В интервалах, где бытовые расходы больше зарегулированного, имеет место сброс или наполнение водохранилища. Там, где бытовые расходы меньше зарегулированного, разность площадей показывает соответствующую сработку водохранилища (см. рисунок 52).

3.5.4 Расчет интегральной кривой стока Интегральные кривые объемов стока строятся по расчетным месячным интервалам и величине суммарного стока. Исходными данными для расчета являются средние м есячные расходы воды (таблица 35). Пример расчета величин объемов стока для построения интегральной кривой представлен таблицей 36.

Таблица 36 – Расчетные данные к построению интегральной кривой стока По данным месячных расходов таблицы 35 определены объемы стока W млн. м3 на конец каждого месяца по формуле где T – число секунд в месяце, принимаемое равным в среднем 2,68106;

Q – расход воды за каждый месяц, м3/с.

Значения объемов стока W, определенных за каждый месяц, помещены в графе таблицы 36. Суммирование объемов стока воды производят последовательно и записывают в графе 6. Так, за май W = 8,168 109 м3, за июнь W = 8,168 + 5,327 = 13, м3 и т. д. до конца трехлетнего периода.

3.5.5 Построение интегральной кривой стока в косоугольной системе координат.

Линия зарегулирования Интегральная кривая стока строится по данным суммарного стока воды к концу каждого интервала (графа 6 таблицы 36) в косоугольных координатах. Масштаб объема стока выбирается таким, чтобы полезный объем занимал на чертеже полосу 3–5 см (вертикальная ось), На горизонтальной оси (фиктивной оси времени) указывают расчетные интервалы (в 1 см – 1 мес). Ниже приводится пример построения интегральной кривой стока (рисунок 53).

Проводят горизонтальную линию 0–0, принимая ее за нулевую линию отсчета W стока. На ней указывают расчетные интервалы (месяцы). Затем назначают масштаб вертикальной шкалы, исходя из крайних величин W стока. В данном случае при максимальной величине W = 46,698 и минимальной W = 8,168 млн. м3 принят масштаб в 1 см – 1 млн. м3. Определяется направление действительной оси времени. Для этого рассчитывают объем стока за любой интервал времени (в примере он взят равным 3 мес):

Эта величина объема откладывается в конце третьего месяца от начала координат вниз от оси 0–0, полученная точка соединяется линией с началом координат. Направление этой линии будет соответствовать действительной оси времени Тд. Параллельно действительной оси времени проводятся от оси объемов линии, образующие косоугольную сетку. Используя данные таблицы 36 (графа 6), на поле графика (рисунок 53) наносят точки, соответствующие объему стока на конец каждого месяца. Соединением точек прямой линией получается график основной интегральной кривой стока – линии мертвого объема.

Ниже построенной основной интегральной кривой на расстоянии, равном по величине полезному объему водохранилища Wплз = 4,6109 м3 (рисунок 51, W– объем при НПУ без мертвого объема), проводятся контрольная интегральная кривая и линия зарегулирования. Последнюю начинают из конца маловодного года, так как в этот период назначается конец сработки и начало наполнения водохранилища (точка А – нижняя точка верхней интегральной кривой). Внутри поля, ограниченного линиями интегральных кривых в маловодном году, проводят общую касательную АВ к интегральным кривым (контрольной и основной). Параллельно линии АВ из точек перелома контрольной интегральной кривой, а также начала водохозяйственного года проводят линию зарегулирования и анализируют работу водохранилища. Вправо от точки А вод охранилище наполняется (II, III, IV мес) до величины W = 1,1·103 м3. Для сохранения баланса стока в течение расчетного периода этот объем откладывается в начале координат (отрезок а, равный ed).

1 - Основная интегральная кривая 2 - Контрольная интегральная кривая Из точки d проводится прямая, параллельная АВ. В точке пересечения с контрольной интегральной кривой (точка N) водохранилище наполнено, при этом ордината объема наполнения равна 4,6 млрд. м3, что соответствует в масштабе времени 15 мая. С 15.05 по 30.08 водохранилище работает с отметкой горизонта воды НПУ, равного 620 м, с холостым сбросом, равным объему Wх.сбр = 11,6109 м3. С 1.09 многоводного года по 15.05 среднего по водности года происходит частичная сработка водохранилища и наполнение до НПУ. С 14.05 по 1.08 объемы превышающие Wполз. сбрасываются величиной Wх.сбр = 4,0·109 м3/с. 1 июля среднего по водности года до 31 декабря водохранилище срабатывается до УМО (точка А).

3.5.6 Лучевой масштаб. Построение. Определение величины зарегулированного С помощью лучевого масштаба и интегральных кривых стока определяют величину зарегулированного расхода Qзар. Для построения лучевого масштаба в поле рисунка проводят вертикальную линию – ось расходов (в масштабе гидрографа, рисунок 52). Из точки, соответствующей среднему многолетнему расходу Q0 = 492 м 3/с, восстанавливают перпендикуляр. От начала оси расходов, т. е. при Q = 0 м3/с, проводят линию, параллельную действительной оси времени Тд. Точка пересечения линии Тд c проведенным ранее перпендикуляром к оси расходов при Q0=492 м3/с будет началом лучевого масштаба и называется полюсом Р.

Линию зарегулирования АВ переносят в полюс Р, сохранив ее направление. На оси расходов лучевого масштаба откладывается величина зарегулированного расхода Qзар.

3.5.7 График режима работы водохранилища. Построение. Анализ.

График режима работы водохранилища (рисунок 54) показывает изменение уровня воды в верхнем бьефе.

HВБ, м Для его построения откладывают величины уровней мертвого объема и НПУ на вертикальной оси (исходные данные) и проводят горизонтальные линии соответственно их отметкам от оси ординат в масштабе объемной характеристики водохранилища (рисунок 51), а время – в месяцах (3 года) по оси абсцисс. Намечаются точки начала и конца наполнения водохранилища. Значения уровней воды в конце каждого месяца в период наполнения и сработки определяют, используя интегральные кривые и объемную характеристику водохранилища. Расстояния по вертикали между интегральной кривой зарегулированного стока (потребление) и основной интегральной кривой в масштабе объемов соответствуют величинам объемов воды в водохранилище в любой момент времени. Откладывают эти объемы, взятые в конце каждого месяца на объемной характеристике в «поле» полезного объема Wплз (рисунок 51) до пересечения с кривой объемов W=W(Н в.б.) и восстанавливают перпендикуляр от точки пересечения с кривой объемов к оси ординат (рисунок 51), при этом получают значения отметок воды в верхнем бьефе соответственно объемам (эти отметки фиксируют точками на поле графика, рисунок 54). Соединяя эти точки прямой линией, получают график режима работы водохранилища в отметках верхнего бьефа.

Вся графическая часть в пояснительной записке выполняется на миллиметровой бумаге в карандаше. Результаты расчетов курсовой работы представляются на листе ватмана формата А1 в карандаше (приложение 4) или выполненные на компьютере с предоставлением электронной версии.

Пояснительная записка оформляется в соответствии с требованиями к курсовым и дипломным работам. Защита курсовой работы проводится в устной форме ведущему преподавателю с оценкой.

3.6 Методика изучения курса «Регулирование стока»

Задачи и виды регулирования стока. Водохранилища.

Цель темы: Усвоение основных понятий, терминов и задач регулирования стока.

Вначале необходимо понять гидрологический и гидротехнический термин «регулирование стока» и предмет изучения данной дисциплины. Обратите внимание на неравномерность распределения речного стока во времени и по территории; на составляющие водохозяйственного баланса; на требования народного хозяйства на воду.

Изучите классификации видов регулирования стока. Необходимо усвоить понятия расчетной обеспеченности плановой годовой отдачи при регулировании стока.

Далее рассмотрите классификацию водохранилищ и определение основных емкостей и нормативных уровней водохранилища; мертвого объема и его уровня; объема полезного и нормального подпорного уровня (НПУ); объема форсировки и форсированного подпорного уровня (ФПУ); минимальных уровней и санитарных расходов.

Разберите порядок водохозяйственного расчета водохранилищ: определение расчетного притока и потребления, построение батиграфических кривых и других характеристик водохранилища. Обратите внимание на экономические затраты при строительстве водохранилищ.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 287–306.

1. Что называется отдачей из водохранилища?

2. Определение задачи регулирования стока?

3. Что такое суточное регулирование стока?

4. Чем отличается сезонно-годичное регулирование стока от многолетнего?

5. От чего зависит расчетная обеспеченность плановой отдачи?

Потери воды из водохранилища. Заиление водохранилища Цель темы: Освоение методов расчета потерь воды из водохранилища и его заиления.

Вначале изучите потери воды на испарение с зоны затопления и подтопления за период, свободный ото льда, и методику учета потерь воды на дополнительное испарение. Затем ознакомьтесь с приближенным учетом фильтрационных потерь воды; обратите внимание на затухание фильтрационных потерь во времени и аккумуляцию воды в подземной емкости водохранилища. Далее рассмотрите потери воды за счет временного оседания льда и покрывающего его снега на береговых откосах при зимней сработки емкости водохранилища. Изучите мероприятия по уменьшению потерь воды на испарение и фильтрацию.

Изучите вопросы заиления водохранилища, составляющие твердого стока, интенсивность заиления и продолжительность работы водохранилища; переработку берегов и мероприятия по уменьшению объема заиления.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 310–328.

1. Какие меры применяют для уменьшения потерь стока на дополнительное испарение на небольших водохранилищах?

2. Как приближенно подсчитать потери воды на фильтрацию водохранилища?

3. Как уменьшают фильтрационные потери на небольших водохранилищах?

Общая методика расчета водохранилища. Сезонно-годичное регулирование стока.

Многолетнее регулирование стока Цель темы: Усвоение сущности сезонно-годичного и многолетнего регулирования стоком и изучение методов расчета водохранилищ.

Материал этой темы включает типы задач при регулировании стока, прямую и обратную задачи, периоды регулирования и расчетные интервалы времени, выбор начала расчета. Рассмотрите возможные сочетания объемов избыточного стока и дефицитов при двухтактной работе водохранилища. Усвойте варианты правил регулирования (накоплений и сработок).

Далее подробно разберите графические методы расчета: построение календарных координат, (разностной суммарной кривой, полной суммарной кривой, сокращенной суммарной кривой), основные свойства кривых и область их применения. Обратите внимание на расчет прямой и обратной задач графическим методом.

Далее изучите расчеты по календарным рядам сезонного и многолетнего регулирования стока.

Рассмотрите расчет многолетней и сезонной составляющих при многолетнем рег улировании стока.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 328–362.

1. Как определяется полезный объем водохранилища в случае однотактной работы; двухтактной работы?

2. Как решается прямая задача – определение емкости при заданных условиях регулирования?

3. Как решить обратную задачу – по заданному полезному объему водохранилищ определить его водоотдачу?

4. Какие существуют правила графического определения полезной емкости водохранилища без учета потерь при различной тактности его работы?

Обобщенные методы расчетов регулирования стока Цель темы: Освоение вероятного подхода к определению характеристик регулирования стока.

Необходимо ознакомиться со всеми вероятностными методами расчета многолетнего регулирования стока. Особое внимание уделить методу Монте Карло для определения обеспеченности плановой отдачи при заданном полезном объеме.

Изучите метод вероятных вариантов А. Д. Саваренского, выясните как используется формула полной вероятности для построения безусловных кривых обеспеченности наполнений, фактической отдачи и сбросов. Необходимо освоить использование ном ограмм Г. Г. Сванидзе для определения величины многолетней составляющей полезного объема водохранилища.

1. Как определить многолетнюю составляющую полезной емкости по номограммам Г. Г. Сванидзе?

2. Как моделируется искусственный гидрологический ряд для расчетов регулирования стока?

3. Какова последовательность расчета многолетнего регулирования стока по методу вероятных вариантов?

Отдельные задачи регулирования стока. Трансформация паводочного стока водохранилищем Изучая регулирование стока на переменные оросительные нормы, обратите внимание на определение многолетней составляющей полезной емкости водохранилища и методику сложения кривых обеспеченностей стока и отдачи.

Затем перейдите к системам водохранилищ. Изучите расчеты компенсирующего регулирования таблично-цифровым и графическим методами.

Важно усвоить и запомнить все необходимые понятия. Ознакомьтесь с каскадным регулированием стока, регулированием стока для борьбы с наводнениями и селевыми потоками.

Переходя к теме «Трансформация паводочного стока водохранилищем», осмыслите задачи регулирования половодного стока и схематизацию расчетных гидрографов во входном створе водохранилища.

Разберите упрощенные методы расчета трансформации паводка. Обратите внимание на пропуск максимальных расходов при различных наполнениях водохранилищ, на особенности упрощенного расчета трансформации максимальных расходов системой и каскадом водохранилищ.

1. Каковы основные особенности расчета регулирования стока на переменные нормы орошения?

2. Запишите уравнение водного баланса водохранилища.

3. Что называется емкостью форсировки водохранилища?

4. Какие допущения лежат в основе расчетов трансформации паводка методом Кочерина?

Эксплуатация водохранилищ. Изменение природных условий и хозяйственной деятельности человека в зоне влияния водохранилищ Изучение темы начните с требований государственного законодательства к эксплуатации водохранилищ и основных правил использования водных ресурсов водохранилищ. Разберите основные задачи и составление планов эксплуатации водохранилища.

Особое внимание уделите гидрологическим прогнозам (прогнозным кривым обеспеченности) и диспетчерским графикам.

Рассмотрите службу наблюдений по учету притока и расходования воды, размещение сети станций и постов.

Строительство водохранилищ влечет изменение природных условий и хозяйственной деятельности человека. Ознакомьтесь с методами оценки ущерба народному хозяйству, вызванного созданием водохранилища (компенсационные затраты). Рассмотрите основные понятия технико-экономических расчетов.

1. Как используются диспетчерские графики?

2. Перечислите основные задачи службы эксплуатации водохранилищ.

3. Каков порядок утверждения основных правил использования водных ресурсов при комплексном их использовании?

4. Какие изменения природных условий и хозяйственной деятельности связаны с созданием водохранилищ?

Раздел 4 РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ КУБАНЬ

4.1 Техническая схема. Современное состояние водохозяйственного комплекса На степень современного использования водных ресурсов в бассейне Кубани большое влияние оказывает сложившаяся техническая схема (приложение 5) регулирования и перераспределения стока.

Использование стока Верхней Кубани (в Республике Карачаево-Черкесия, Ставропольском крае и в части Ростовской области, приложение 9) осуществляется с помощью сложной водохозяйственной системы с водозаборами в створе Усть-Джегутинской плотины и Невинномысского гидроузла.

Система Большого Ставропольского канала (БСК), введенная в эксплуатацию с 1968 г., предназначена для орошения земель площадью 210 тыс. га, обводнения 2600 тыс. га, организации промышленного и питьевого водоснабжения городов и населенных пунктов 18 районов в правобережной части Ставропольского края. Кроме того, сооружения системы обеспечивают сезонное перерегулирование стока реки Кубань, работу каскада ГЭС (на головном участке) и крупной Невинномысской тепловой электростанции.

Головной гидроузел БСК расположен на реке Кубань у г. Усть-Джегута, пропускная способность водозаборного шлюза составляет 180 м3/с.

Канал перебрасывает сток реки Кубань в безводные районы Восточного Предкавказья на северные и северо-восточные склоны Ставропольской возвышенности и северные склоны Манычской впадины, на земли, удаленные от Кубани на сотни километров.

Общая длина магистрального канала превышает 400 км, суммарная длина распределительных каналов – 1700 км.

Канал строится с 1957 г. По состоянию на 1.01.04 закончено строительство магистрального канала 1–3-й очередей общей протяженностью 262 км, введены в эксплуатацию орошаемые земли площадью 100 тыс. га (48% проектных), построены и развиваются водопроводы городов Кавминвод, построены и работают четыре ГЭС и тепловая станция.

Невинномысский канал построен в 1948 г. Узел головного водозабора на реке Кубань состоит из низконапорной щитовой плотины. Класс капитальности сооружения – 1. Невинномысский канал рассчитан на пропуск максимального ра схода – 2200 м3/с.

Подача воды в канал осуществляется с правого крыла шлюза-регулятора. Нормальная пропускная способность шлюза и канала на всем протяжении достигает 75 м3/с.

Питание канала водами НГРЭС осуществляется через сбросные каналы № 1 на ПК4+55 и № 2 на ПК16+00 пропускной способностью соответственно 20,0 и 37,0 м3/с.

Кроме того, воды НГРЭС могут отводиться непосредственно в Кубань перед головным шлюзом канала по зимнему сбросу № 3 расходом до 27,5 м3/с.

Зимний сброс предназначен для теплообогрева затворов шлюза и борьбы с заторами шуги в верхнем бьефе плотины.

Невинномысский канал является трактом магистрального питания КубаньЕгорлыкских оросительно-обводнительных систем и осуществляет самотечную переброску стока р. Кубань на северо-восточные склоны Ставропольской возвышенности в засушливые бассейны маловодных рек Большой Егорлык, Западный Маныч. Зона к омандования тракта охватывает районы Ставропольского края (основной водопользователь), частично Ростовской области и Республики Калмыкия.

Водные ресурсы тракта используют для водоснабжения городов (Ставрополь, Светлоград и др.), большого числа сельских населенных пунктов, обеспечивают обводнение территории 1,8 млн. га, прудовое рыбоводство и санитарное состояние реки Большой Егорлык.

Сток тракта обеспечивает работу каскада четырех гидроэлектростанций установленной мощностью 60,6 тыс. кВт и техническое водоснабжение Ставропольской тепловой станции (СГРЭС) проектной мощностью 2400 тыс. кВт.

Излишки водных ресурсов тракта в настоящее время используют для опреснения и пополнения водных ресурсов каскада трех хозяйственных водохранилищ на реке Западный Маныч Ростовской области (Пролетарское, Веселовское, Усть-Манычское).

В число плановых потребителей бассейна Верхней Кубани Манычские водохранилища не входят.

В пределах Краснодарского края осуществляется внутрибассейновое перераспределение стока. Константиновский, Лабинский каналы в бассейне рек Лаба и Новокубанская с водозабором из реки Кубань подают воду на орошение земель нескольких районов в силу трудности и дороговизны устройства водозаборов на горных реках. Деривационный канал Белореченской ГЭС осуществляет переброску стока реки Белая в реку Пшиш исключительно для нужд энергетики.

Супс-Шебшский канал отводит избыток паводочных вод реки Супс в Шапсугское водохранилище, предотвращая переполнение Октябрьского водохранилища и подтопления а. Тахтамукай. Паводковые воды Крюковского водохранилища с помощью Крюковского соединительного канала отводятся в Варнавинское водохранилище, а затем излишки Варнавинским сбросным каналом – в Кубань.

На степень использования водных ресурсов в бассейне реки Кубань большое влияние оказывают внутрибассейновое перераспределение стока действующими каналами и сезонное перерегулирование водных ресурсов в существующих водохранилищах.

Гарантия водообеспеченности потребителей достигается на базе регулирования стока в двух построенных водохранилищах: Кубанском при головном участке БСК и Сенгилеевском при концевом участке Невинномысского канала, соответственно.

4.2 Методика водохозяйственных расчетов и исходные расчетные положения При решении вопросов, связанных с использованием водных ресурсов бассейна реки Кубань, на протяжении 30 лет регламентирующим документом является «Схема комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна реки Кубани», составленная в 1972 г. институтом «Южгипроводхоз».

Распределение поверхностного стока реки Кубань и закубанских рек в среднемаловодный год 75%-ной обеспеченности между административными районами и водопользователями рекомендовано Постановлением № 21 ГЭК Госплана СССР от 13 ноября 1974 г. «Об экспертизе "Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Кубани"». Постановление № 21 гласит:

«Рекомендовать следующее распределение поверхностного стока реки Кубань и закубанских рек в среднемаловодный год 75%-ной обеспеченности в объеме 12,5 км 3 по административным районам и водопользователям по безвозвратному водопотреблению:

– Ставропольскому краю, Ростовской области и Калмыцкой АССР весь сток в створе Невинномысского гидроузла за вычетом санитарного попуска в нижний бьеф этого гидроузла – 3,6 км3;

– санитарный попуск в нижний бьеф Невинномысского гидроузла – 0,5 км3;

– сток в пределах Краснодарского края – 8,9 км3 ;

в том числе:

– на ирригацию, сельскохозяйственное промышленное водоснабжение – 4,6 км3;

– на нерестовые попуски ниже Краснодарского водохранилища – 3,0 км3;

– санитарные попуски по Кубани ниже Краснодарского водохранилища – 0,45 км3;

– лиманное и прудовое рыбоводство, рыбзаводы – 1,2 км3;

в том числе:

– за счет возвратных вод – 0,35 км3».

С 1995 г. нормативным документом о совместном рациональном использовании, воспроизводстве, охране водных ресурсов и восстановлении водных объектов, а также координации водохозяйственной деятельности в бассейне реки Кубань являлось Соглашение Республики Адыгея, Карачаево-Черкесии, Краснодарского и Ставропольского краев «О совместном использовании и охране водных ресурсов бассейна реки Кубань», разработанное ОАО «Кубаньводпроект» по заданию КБВУ во исполнение постановления Правительства Российской Федерации от 12.08.94 № 951.

Использование водных ресурсов в бассейне производится в соответствии с существующим водохозяйственным комплексом по регулированию стока и согласно действующим нормативным документам.

В основу расчетов водохозяйственных балансов бассейна реки Кубань положены ряды восстановленного стока реки Кубань и ее основных притоков I порядка за период 1926–2002 гг. Расчетные гидрологические характеристики определены согласно СП 33-101-2003.

Расчеты на современном уровне соответствуют уровню развития водохозяйственной обстановки в бассейне р. Кубань на 31.12.02, на перспективу – уровню планируемого развития водохозяйственной обстановки в бассейне реки на 2015 г.

В основу расчетов водохозяйственных балансов заложена структура водохозяйственной системы реки (строение речной сети, водохранилища, водозаборы и прочие сооружения). В состав водохозяйственного комплекса (приложение 8) включены: водоснабжение всех видов, сельское хозяйство, ирригационные системы, рыбное хозяйство, гидроэнергетика, водный транспорт, охрана природы.

При выполнении водохозяйственных расчетов на современном уровне и на перспективу предусмотрено удовлетворение водой потребителей с нормативной обеспеченностью:

– питьевое и хозяйственно-бытовое водоснабжение, в том числе важнейших воспроизводственных рыбных объектов – 95%;

– санитарный попуск – 95%;

– орошение рисовых и нерисовых оросительных систем – 75%;

– рыбонерестовые попуски и лиманные рыбные хозяйства – 75%.

На современном уровне и в расчетной перспективе расчеты располагаемых водных ресурсов в граничных створах выполнены при величинах санитарных расходов:

– в н/б Усть-Джегутинского ГУ (БСК) – 5,0 м3/с;

– в н/б Невинномысского ГУ, подача в Краснодарский край – 17,0 м3/с;

– в н/б Краснодарского водохранилища – 80 м3/с.

4.2.1 Результаты водохозяйственных расчетов на современном уровне На условия регулирования стока реки Кубань большое влияние оказывают ее зарегулированность и степень использования ее водных ресурсов. В зоне Верхней Кубани два главных элемента комплекса водохозяйственных объектов Большого Ставропольского канала: Большой Ставропольский и нижележащий Невинномысский каналы связаны общностью питания и регулирования стока, а также возможностью взаимного перераспределения стока. Система БСК забирает воду для орошения земель площадью 210 тыс. га, обводнения 2600 тыс. га, организации промышленного и питьевого водоснабжения городов и населенных пунктов 18 районов в правобережной части Ставропольского края, в части Ростовской области и Республики Калмыкия. Кроме того, сооружения системы обеспечивают сезонное перерегулирование стока реки Кубань, работу каскада ГЭС и крупной Невинномысской тепловой электростанции.

В связи с отсутствием русловых регулирующих водохранилищ в зоне Верхней Кубани величина водоотбора определяется наличием стока в рассматриваемый период в створе Усть-Джегутинской плотины и Невинномысского гидроузла и возможностью забрать его имеющимися сооружениями. Водохозяйственные балансы Верхней Кубани составлены ОАО «Севкавгипроводхоз» для характерных по водности лет 50, 75 и 95%-ной обеспеченности. При их составлении водохозяйственные расчеты зон влияния Большого Ставропольского и Невинномысского каналов выделены как самостоятельные расчетные участки с учетом их собственных технических схем подачи, сброса и распределения воды.

В водохозяйственных балансах в этих створах приводятся величины, отражающие действия только относительно ствола реки Кубань: приток, забор, сброс, величины безвозвратного водопотребления в БСК и НК в месячных расчетных объемах и расходах.

Из анализа современных водохозяйственных балансов в зоне Верхней Кубани в годы 50, 75 и 95%-ной обеспеченности следует, что:

– забор в БСК составляет 2014 млн. м3 в год, безвозвратное водопотребление из них – 1715 млн. м3;

– забор в Невинномысский канал составляет 980 млн. м 3 в год, безвозвратно – 844 млн. м3.

Эти объемы обоснованы в «Основных положениях Правил использования водных ресурсов Невинномысского канала, Сенгилеевского, Егорлыкского и Ново-Троицкого водохранилищ», утвержденных Минводхозом РСФСР 31 октября 1974 г., и лимиты согласованы с Кубанским Бассейновым водным управлением.

Основные показатели водохозяйственного баланса в годы расчетной обеспеченн ости приведены в таблицах 37– 39.

За критерий достаточной обеспеченности водопотребителей и водопользователей в зоне Верхней Кубани принят бездефицитный водохозяйственный баланс в год 75%-ной обеспеченности по стоку. Согласно материалам таблиц 37–39, суммарный безвозвратный отбор воды из Кубани практически одинаков в годы различной обеспеченности.

Водохозяйственный баланс в год 95%-ной обеспеченности сводится без дефицита для всех расчетных интервалов времени, т. е. урезок водопотребителей в зоне Верхней Кубани не производится; дополнительных водохозяйственных мероприятий на современном уровне не требуется.

Кроме того, в балансах учтен сброс в р. Егорлык, являющийся излишком водных ресурсов тракта Кубань – Егорлыкская осушительно-оросительная система (КЕООС) и зависящий от водности года. Однако он не является плановым водопотребителем.

Таблица 37 – Основные показатели водохозяйственного баланса Верхней Кубани (до границы Краснодарского края) в год 50%-ной

V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV

с учетом переброски Зеленчуков млн. м 4717,00 588, отбор Верхней Кубани, всего млн. м3 2552,54 302,46 336,82 462,80 496,78 334,92 118,13 133,48 60,42 44,29 58,45 74,87 129, Таблица 38 – Основные показатели водохозяйственного баланса Верхней Кубани (до границы Краснодарского края) в год 75%-ной

V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV

с учетом переброски Зеленчуков млн. м3 4366,01 586,87 956,23 857,36 680,51 371,54 222,71 142,45 88,44 69,68 61,00 96,48 232, отбор Верхней Кубани, всего млн. м3 2546,50 302,46 336,82 462,80 496,78 334,92 131,00 104,08 60,42 44,29 58,45 74,87 129, Таблица 39 – Основные показатели водохозяйственного баланса Верхней Кубани (до границы Краснодарского края) в год 95%-ной обеспеченности по стоку с учетом переброски Зеленчуков млн. м3 3886,00 526,91 861,74 771,60 613,51 332,69 198,59 126,91 77,72 61,64 56,12 75,04 183, Объемы сброса Кубанской воды в реку Егорлык составляют:

Величины подачи в Краснодарский край, остаточный сток, притекающий в Краснодарский край, в зависимости от водности года на современном уровне составляют:

В таблице 40 приведены данные об использовании водных ресурсов на современном уровне в зоне Верхней Кубани по отраслям экономики и в разрезе субъектов Российской Федерации.

Водохозяйственные балансы бассейна реки Кубань на территории Краснодарского края и республики Адыгея выше и ниже Краснодарского водохранилища (с учетом отборов Верхней Кубанью) составлены ОАО «Кубаньводпроект» по календарному стоковому ряду за период 1926–2000 гг.

Расчеты выполнены с использованием компьютерных технологий на специально разработанном «Кубаньводпроектом» блоке программ водохозяйственных расчетов водобалансовым способом по среднемесячным объемам водохозяйственного года. О сновное уравнение водного баланса Краснодарского водохранилища имеет вид:

где W – изменение объема воды в водохранилище за расчетный промежуток времени, V – объем притока воды в водохранилище, м 3 ;

W – объем воды, сбрасываемый из водохранилища в нижний бьеф через водосбросные отверстия плотины, м3 ;

S – объем воды, расходуемый из верхнего бьефа водохранилища на нужды всех в одопотребителей в соответствии с расчетным водопотреблением, м 3 ;

P – объем потерь воды из водохранилища на дополнительное испарение, фильтрацию в грунт, м3.

Для начального года принято, что водохранилище должно быть наполнено до отметки НПУ. Для каждого последующего года начальный объем принят равным объему водохранилища в конце предыдущего водохозяйственного года.

Расчеты выполнены с учетом сложившейся водохозяйственной обстановки и современной технической схемы регулирования стока, с соблюдением следующих исходных расчетных положений:

1) Полезная емкость Краснодарского водохранилища в расчетах принята с учетом прогноза заиления на период до 2005 г., до проведения мероприятий по увеличению пропускной способности рек Кубань и Протока, при сниженном НПУ = 32,75 м абс. в объеме 1735 млн. м3.

2) Уровень мертвого объема сохранен на отметке 25,85 м абс.

3) Форсированный уровень сохранен на отметке 35,23 м абс.

Таблица 40 – Безвозвратный отбор Верхней Кубани по отраслям экономики и субъектам Российской Федерации на современном уровне, млн. м 4) Комплексный попуск из Краснодарского водохранилища определен с учетом и спользуемой боковой приточности на нижележащем участке (сбросы из Шапсугского водохранилища, главного Чибийского коллектора, сток по Варнавинскому сбросному каналу) и включает в себя:

– объемы водоподачи на водоснабжение населения и производственных объектов (Краснодарской ТЭЦ, Таманского и Анапского групповых водопроводов) в объемах выделенных лимитов водопользования;

– рыбонерестовые попуски на устья рек Кубань и Протока суммарным объемом 2216 млн. м3 в год;

– санитарный расход в н/б Краснодарского водохранилища – 80 м3/с, который в Раздерах делится 50:50% на устья рек Кубань и Протока и составляет по 40 м3/с. В особенно маловодные периоды допускается снижение санитарного расхода до 60 м3/с;

– объемы водоподачи для объектов рыбного хозяйства, включая опреснение лиманов, в соответствии с Техпроектом Краснодарского водохранилища по письму Минрыбхоза 1966 г., с корректировкой 1976 г. и с уточнением Департаментом биологических ресурсов, экологии и рыбохозяйственной деятельности Краснодарского края на уровень 2010 г. в год 75%-ной обеспеченности (письмо № 398 от 17.03.06) по выделенным лимитам;

– водопотребление на орошение определено расчетным путем, исходя из следующего:

а) нерисовые орошаемые площади при оросительной норме – брутто 3000 м3/га;

б) водопотребление рисовых оросительных систем (РОС) рассчитаны из условия, что насыщение риса составляет 50% в севооборотах;

в) часть потребности в воде рисовых севооборотов удовлетворяется повторным использованием сбросных вод.

5) Регулирование стока Краснодарским водохранилищем произведено с учетом диспетчерского графика, который разработан соответственно уровню развития участников водохозяйственного комплекса в бассейне реки Кубань и строительства водохозяйственных объектов. Соблюдение диспетчерских правил обеспечивает поддержание гарантированной отдачи и снижение глубин дефицитов воды за счет заблаговременных ограничений попусков на 10 и 20% в зонах недостаточных запасов воды, а также работу водохранилища со сниженными уровнями воды в октябре – ноябре до отметок 27,0– 31,0 м абс. с целью выполнения планово-предупредительных ремонтных работ.

6) Распределение расходов воды в узле деления между рукавами Кубани и Протоки принято поровну (50%) от подходящего к узлу расхода по всей амплитуде расходов.

В зоне Средней и Нижней Кубани водохозяйственные расчеты выполнены с целью выявления возможности удовлетворения в нормативных пределах всех участников водохозяйственного комплекса действующим распределением Кубанских водных ресурсов.

При расчетах объема притока к створу Краснодарского водохранилища для расч етов его регулирования и составления водохозяйственных балансов восстановленный сток реки Кубань за расчетный период 1926–2000 гг. уменьшен на величину отборов в зоне Верхней Кубани в объеме 2931 млн. м3, а в Краснодарском крае и республике Адыгея выше Краснодарского водохранилища – в объеме 316 млн. м3 год, т. е. на уровне, достигнутом к 1990 г.

В зоне Средней и Нижней Кубани для выполнения водохозяйственных расчетов на территории Краснодарского края и Республики Адыгея выделены пять расчетных участков:

а) Средняя Кубань 1 – участок бассейна реки Кубань от границы со Ставропольским краем до Краснодарского водохранилища;

2 – верхний бьеф Краснодарского гидроузла (КГУ);

б) Нижняя Кубань 1 – участок бассейна от Краснодарского водохранилища до Раздер, места разделения Кубани на два потока – места Тиховского гидроузла (ТГУ), приложение 7, КГУ– ТГУ;

2 – участок реки Кубань от ТГУ до устья;

3 – участок рук. Протоки от ТГУ до устья.

По каждому расчетному участку определены необходимый объем и режим водопотребления в расчетах, называемых наборами водопотребителей. Суммирование графиков водопотребления и водопользования по всем участкам дает обобщенный объем расходной части баланса и представляет собой сумму заявленных всеми водопотребителями требований на воду. Суммарное водопотребление и обязательные попуски Нижней Кубани на современном уровне составляют объем 8912 млн. м 3.

Водохозяйственная оценка современного использования водных ресурсов, технической схемы регулирования стока и обеспеченности комплексного водопотребления Нижней Кубани (приложение 10) произведена по данным итоговой таблицы 41, в которую сведены результаты выполненных расчетов по 74-летнему ряду водности.

Водохозяйственные расчеты выполнены в условиях:

– уменьшения полезной емкости (за счет увеличения паводковой) Краснодарского водохранилища с целью повышения его надежности;

– увеличения санитарного расхода до 80 м 3/с;

– сохранения существующих рисовых оросительных систем, даже со снижением содержания риса в севообороте до 50% и показывают наличие дефицитов объемов стока.

В водохозяйственных расчетах, согласно принятому диспетчерскому графику работы водохранилища, в перебойные годы включались годы со снижением водопотребления до 10%, а затем – до 20%, а также годы, когда в отдельные месяцы снижение водопотребления более 20% учитывалось особо, как «дефицитные». Согласно данным итоговой таблицы 41, из ряда 74 лет – в течение 34 лет производилась урезка водопотребления, причем в 5 годах она превышала 20%. В перебойные годы урезка водопотребления производилась только для потребителей, питающихся за счет попусков из Краснодарского водохранилища. Период урезок приходится в основном на август – ноябрь.

Из 74-летнего ряда восстановленного стока для водохозяйственных балансов в качестве расчетных выбраны конкретные годы с годовым стоком, близким к стоку ра счетной обеспеченности. Таким образом, приходная часть данных балансов равна годовому объему стока соответствующей обеспеченности, а внутригодовое распределение стока принято по фактическому, выбранному году. Водохозяйственные балансы в годы 50 и 75%-ной обеспеченности для всех расчетных интервалов времени (месяцев) сведены без дефицитов, и только в год 95%-ной обеспеченности в отдельные расчетные интервалы возникают дефициты воды.

Необходимо отметить, что водохозяйственные балансы в годы расчетной обесп еченности для бассейна Кубани имеют чисто иллюстративный характер, так как в зависимости от внутригодового распределения стока 3–5 рассмотренных характерных по водности лет дают разные результаты. Колебания стока внутри года и сезонная неравномерность водопотребления и водопользования обуславливают необходимость выполнения водобалансовых расчетов по календарному ряду лет.

Таблица 41 – Сводная таблица Число урезанных лет – 34. Дефицитных лет – 5. Процент водообеспечения – 54.

4.2.2 Водохозяйственные расчеты в бассейне реки Кубань на перспективу За последние годы водохозяйственная обстановка и техническая схема регулирования стока в зоне Нижней Кубани претерпели изменения:

– в 2004–2005 г.г. экспедицией № 205 ФФГУП «Сев-Кав АГП» была выполнена съемка чаши Краснодарского водохранилища (М 1:5000). По ее данным уточнены параметры водохранилища при основных горизонтах. Полезная емкость составляет 1606 млн. м3, т. е. сократилась на 129 млн. м3 в сравнении с прогнозной величиной;

Таблица 42– Параметры водохранилища при основных горизонтах Характерные уровни воды, м:

Площади зеркала, км2:

Длина водохранилища, км Ширина водохранилища, км Средняя глубина водохранилища, м – ввиду задержки выполнения реконструкции Шапсугского водохранилища, для водообеспечения российской части Афипской оросительной рисовой системы, площадью 5778 га в 62 км ниже Краснодарского водохранилища в 2004 г. построен самостоятельный водозабор из р. Кубани;

– в октябре 2005 г. принята в эксплуатацию затапливаемая часть гидротехнических сооружений Тиховского гидроузла, строительство продолжается. Гидроузел является сооружением многоцелевого назначения, в первую очередь – вододелителем между Кубанью и рукавом Протока, головным водозабором Петровско-Анастасиевской РОС, сооружением решающим вопросы, связанные с обеспечением гарантированного водоснабжения питьевой водой сельских населенных пунктов.

Согласно принятому режиму работа щитовых устройств плотины ТГУ по водорегулированию начинается только после 10 июня, т. е. после завершения миграции осетровых. При таком режиме ТГУ не будет создавать препятствий для миграции, но возникают проблемы с водообеспечение ПАОС в период с конца апреля по 10 июня. Возникающую проблему предложено решать тем же путем, каким она решается в настоящее время: за счет непроизводительных попусков воды из Краснодарского водохранилища на деление по рукавам и создание подстилающего слоя воды, обеспечивающего необходимые командные отметки воды в реке, в створе самотечного водозабора на Петровско-Анастасиевской орасительной системы (ПАОС). В этом случае потребуется непроизводительно сбрасывать в море воды в объеме 204 млн. м 3, но этот объем значительно меньше объема, сбрасываемого на эти цели в условиях отсутствия ТГУ. Это компромиссное решение вопроса устроило всех участников водохозяйственного комплекса.

В зоне Верхней Кубани, по результатам выполненных водохозяйственных расчетов на перспективу определена возможность отбора в объеме 2931 млн. м 3 в год наличием стока в расчетных створах и при отсутствии русловых регулирующих емкостей.

При определении притока к створу Краснодарского водохранилища для расчетов регулирования его и составления водохозяйственных балансов на перспективу восстановленный сток р. Кубани уменьшен на величину отборов в зоне Верхней Кубани в объеме 2931 млн. м3 в год, а в зоне Средней Кубани выше Краснодарского водохранилища – на объем 316 млн. м3 в год, т. е. на уровне, достигнутом к 1990 г.

В составе водохозяйственных расчетов по обеспечению водопотребителей и водопользователей на перспективу выполнены расчеты с целью возможности обеспечения новых водопотребителей – ФГУ «Кубанское ГБУВПиС» и возможности осуществления экологических попусков в расчетных створах р. Кубани. С целью возможности удовлетворения заявки Кубанского государственного бассейнового управления водных путей и судоходства (ФГУ «Кубанское ГБУВПиС») выполнены следующие проработки.

Согласно заявке продолжительность навигации по Кубани должна составлять период с марта по ноябрь (9 месяцев), причем попуски в нижний бьеф КГУ расходами не менее 450 м3/с, за исключением ноября месяца – 240 м3/с. Сравнив нормативные попуски в н/б КГУ на перспективу с заявленными определяем величины и режим дополнительных попусков для судоходства. Нормативные попуски в н/б в мае, июне и июле соответствуют требованиям, в остальные месяцы попуски менее требуемых и получаем, что на весь период навигации необходимые дополнительные попуски составляют объем 3511 млн. м3.

Выполнена серия расчетов с вариантами величин дополнительных регулирующих емкостей и продолжительностью навигации, и по результатам сделаны выводы:

1. Удовлетворение полной заявки (III–XI) судоходства возможно при условии создания емкости многолетнего регулирования полезным объемом 3,5 км 3.

2. При периоде навигации III–IX (210 дней) требуется дополнительная емкость многолетнего регулирования с полезным объемом 2,4 км 3.

3. Для сокращенного периода навигации с III–VIII (180 дней) необходимо создание дополнительной регулирующей емкости сезонного регулирования не менее 1,3 км 3.

4. В условиях состояния водохозяйственного комплекса на период 2015 г. требования судоходства выполняются в период V–VII (90 дней) без специальных затрат, на попусках для других потребителей.

Экологический попуск – расход воды, гарантирующий устойчивость функционирования водной экосистемы, включающий экосистемы водной толщи и поймы. В настоящее время не существует единых методических подходов к оценке допустимых объемов изъятия стока из водных объектов, отсутствует единое толкование характеристик стока, оставляемого в реке, ниже створа регулирования и изъятия водных ресурсов.

Понятие «остаточного стока» ниже гидроузлов и водозаборов определяется (именуется) по разному: минимально допустимые, минимально необходимые расходы воды, рыб охозяйственные попуски, санитарные попуски и др., т. е. все попуски носят отраслевой характер и к сохранению естественных водных экосистем не имеют отношения. Принятый современной практикой «минимальный санитарный попуск не предотвращает резких нарушений в цепи биологических, почвообразующих, геоморфологических и других природных процессов и связей, сложившихся в русле и долине реки».

Согласно «Методическим указаниям по составлению "Схем комплексного использования и охраны водных ресурсов Российской Федерации"» (М., 1997) экологический попуск определяется расчетом ежемесячных расходов 95% и 50% обеспеченности для каждого водного объекта по конкретным створам исходя из естественного, (восстановленного) многолетнего ряда водности. С учетом естественных колебаний водности за верхний (оптимальный) предел экологического попуска принимается расход 50% обеспеченности, за нижний предел – расход 95% обеспеченности для каждого календарного месяца года.

В основу расчетов экологических попусков в створах реки Кубани и рек-притоков I порядка положены ряды естественного стока в среднемесячных величинах. Для каждого календарного месяца, определены расходы 95% обеспеченности, эти величины и приняты за нижний предел экологического попуска. Результаты расчетов сведены в таблицу 43.

Таблица 43 – Результаты расчетов с учетом экологического баланса

VI VII VIII IX X XI XII I II II

Оценка возможности удовлетворения экологических попусков, водопотребителей и водопользователей в расчетных створах выполнена при расчетах водохозяйственных балансов в годы 50, 75 и 95%-ной обеспеченности по стоку. Во всех створах экологический попуск имеет приоритет, т. е. в хозяйственных целях используются только объемы, превышающие экологический попуск. Удовлетворение нужд потребителей и водопользователей в водных ресурсах за счет экологического попуска в створах Верхней и Средней Кубани – не допускается.

Выполненные укрупненные водохозяйственные балансы р. Кубани в створе УстьДжегуты приведены в таблицах 44– 46.

В результате выполненных расчетов получено, что при условии обеспечения сброса в нижний бьеф в объемах экологического попуска резко сокращается отбор в Большой Ставропольский канал и составляет 974,800 и 555 млн. м 3 соответственно в годы 50, и 95%-ной обеспеченности при выданном лимите 2014 млн. м 3. Дефициты водозабора в БСК соответственно составляют 1041, 1221 и 1486 млн. м 3 или 52, 61 и 74%.

Выполненные укрупненные водохозяйственные балансы реки Кубани в створе Невинномысского гидроузла, как пограничного створа между Верхней и Средней К убанью приведены в таблицах 47–49.

В этом створе экологический попуск, попуск который поступит в Краснодарский край, составляет объем 2970 млн. м 3 в год. Согласно расчетам водохозяйственный комплекс Верхней Кубани (Республика Карачаево-Черкесия и Ставропольский край) может отобрать из реки Кубани и ее притоков 1750, 1400 917 млн. м 3 соответственно в годы 50, 75 и 95%-ной обеспеченности. При современном безвозвратном водопотреблении в расчетные годы: 2566, 2560 и 2504 млн. м 3 дефициты водопотребления соответственно составят: 941, 1197, 1587 млн. м 3 или 37, 47 и 63%.

В створе Краснодарского водохранилища водобалансовые расчеты с экологическим попуском выполнены по многолетнему ряду водности (1926–2000). При определении комплексного попуска в нижний бьеф водохранилища с экологическим попуском совмещены санитарные и рыбонерестовые попуски на устья рек Кубани и Протоки.

Таблица 44 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 50% переброски Зеленчуков млн.м3 2576 254,36 537,74 626,07 422,41 285,55 91,98 51,90 45,77 50,52 43,19 66,73 99, Безвозвратный водоотм3/с Таблица 45 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 75% 1 Сток у Коста-Хетагурова м3/с 75,59 90,10 196,98 221,55 149,59 99,48 31,05 17,94 15,29 16,88 15,84 20,40 31, с учетом переброски Зеленчуков головного сооружения 3 Остаточный сток (приток) в створе м /с Усть-Джегутинского гидроузла млн. м3 2386,5 240,45 509,27 593,00 400,16 257,01 82,49 45,82 40,33 44,33 37,77 53,73 82, 4 Экологический попуск м3/с 50,25 69,20 126,00 125,00 104,00 55,00 30,30 20,30 15,00 11,40 10,70 11,40 24, 5 Остаточный сток (приток) в створе м /с Таблица 46 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 95% Остаточный сток (приток) в створе м3/с Усть-Джегутинского гидроузла млн. м3 50,25 69,20 126,00 125,00 104,00 55,00 30,30 20,30 15,00 11,40 10,70 11,40 24, Таблица 47 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 50% обеспеченности в створе р. Кубань – г. Невинномысск 1 Сток в створе Невинномысска м3/с 148,96 219,48 403,72 341,91 269,92 168,45 84,10 59,00 38,00 24,00 30,50 43,58 104, с учетом переброски Зеленчуков 2 Экологический попуск м3/с 93,658 153,00 226,10 218,00 180,00 94,10 58,00 39,10 28,00 18,50 22,20 27,50 59, 3 Остаточный сток в створе м3/с 55,302 66,48 177,62 123,91 8,92 74,35 26,10 19,90 10,00 5,50 8,30 16,08 45, 4 Безвозвратное водопотребление м3/с 80,983 112,98 129,87 172,46 185,41 130,04 44,57 52,19 23,58 17,16 24,61 28,47 50, 5 Удовлетворенное водопотребление м3/с 55,302 66,48 177,62 123,91 8,92 74,35 26,10 19,90 10,00 5,50 8,30 16,08 45, Таблица 48 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 75% 1 Сток в створе Невинномысска м3/с 137,79 218,98 369,20 319,91 253,92 143,45 83,10 55,00 33,00 26,00 25,00 36,00 89, с учетом переброски Зеленчуков 2 Экологический попуск м3/с 93,658 153,00 226,10 218,00 180,00 94,10 58,00 39,10 28,00 18,50 22,20 27,50 59, 4 Безвозвратное водопотребление м3/с 80,763 112,98 129,87 172,46 185,41 130,04 49,37 40,84 23,58 21,07 24,61 28,47 50, 5 Удовлетворенное водопотребление м3/с 44,127 65,98 143,10 101,91 73,92 49,35 25,10 15,90 5,00 7,50 2,80 8,50 30, Таблица 49 – Водохозяйственный баланс на современном уровне для варианта удовлетворения экологического попуска в год 95% 1 Сток в створе Невинномысска м3/с 122,63 196,61 332,72 287,91 228,92 128,45 74,10 49,00 29,00 23,00 23,00 28,00 70, с учетом переброски Зеленчуков 2 Экологический попуск м3/с 93,658 153,00 226,10 218,00 180,00 94,10 58,00 39,10 28,00 18,50 22,20 27,50 59, 4 Безвозвратное водопотребление м3/с 79,019 112,98 129,87 172,46 185,41 130,04 36,32 32,97 23,58 21,07 24,61 28,47 50, 5 Удовлетворенное водопотребление м3/с 28,973 43,61 106,62 69,91 48,92 34,35 16,10 9,90 1,00 4,50 0,80 0,50 11, Расчеты наборов водопотребителей на устья Кубани и Протоки при объеме экологического попуска 7 414 млн. м3 произведены с величины 3 707 млн. м3, распределенной по месяцам (таблица 50).

Объем расчетных водозаборов и обязательных попусков из Краснодарского водохранилища для обеспечения водопотребителей и водопользователей Нижней Кубани с учетом экологического попуска составляет 12 767 млн. м3. Результаты расчетов балансов по определению возможности обеспечения экологического попуска на современном уровне помещены в сводной таблице 51.

Обеспеченность водопотребителей и водопользователей Нижней Кубани в этом случае снижается с 48% до 3%. из 74 – 72 года с урезанным водопотреблением, процент урезки водопотребления колеблется от 1 до 57%. Количество лет с урезкой до 20% – лет, с урезкой до 30% – 59 лет.

Эти результаты говорят о сложившейся напряженной ситуации с использованием воды в бассейне реки Кубани и о невозможности соблюдения удовлетворения экологических попусков на современном уровне и ближайшую перспективу.

4.2.3 Оптимизация регулирования речного стока в низовьях Кубани с применением компьютерного моделирования Многолетняя практика эксплуатации мелиоративного водохозяйственного комплекса Закубанского массива выявила определенные особые закономерности гидрологического режима природных водных объектов – водохранилищ и межхозяйственной оросительной и водоотводящей сети.

В состав водохозяйственного комплекса Закубанского массива входят: Варнавинское, Крюковское, Шапсугское водохранилища, главный Афипский коллектор, Варнавинский сбросной и Крюковский соеденительный каналы, мелиоративные оросительные и сбросные насосные станции – 21 шт.

Закубанские плавни протянулись вдоль р. Кубани с востока на запад длиной 100 км, шириной до 10 км по территории Северского, Абинского и Крымского административных районов Краснодарского края. Территория включает часть русел рек Кубани –от створа Краснодарского гидроузла (КГУ) до устья р.Кубани – и Протоки.

В 2005 г. на первоначальном этапе в состав схемы были включены Федоровский гидроузел (ФГУ) с приплотинными водозаборами (по рр. Кубань и Протока) и места поступления в русло р. Кубани по сбросным и водоотводящим каналам из водохранилищ и насосных станций.

Тиховский гидроузел на этом этапе не был включен в состав Гидродинамической модели (ГДМ).

ГДМ выполнена в двух вариантах:

Первый вариант модели – транзитный режим, в котором работа ФГУ отражалась в транзитном режиме и могла быть использована в не вегетационный период.

Вторая модель с подпорным режимом по ФГУ. ГДМ показала высокую степень достоверности расчетов при прогнозировании развития ситуации прохождения объема стока различной величины.

Отклонения величин характеристик, измеренных на реечных водомерных постах составляет в среднем 4 см, а при изменении гидродинамической картины они были близки к запланированному по ГДМ.

Такая степень точности достигнута за счет введения в одномерную модель интеграционных показателей шероховатости, полученные в результате многократной последовательной калибровке русла по фактическим замерам уровня по всем гидрометрич еским постам от КГУ до Азовского моря по рр. Кубани и Протоке.

Таблица 50 – Расчетные экологические попуски в бассейне р. Кубани по створам

V VI VII VIII IX X XI XII I II II IV

W за месяц 95% 1254,24 1253,56 1050,56 659,28 427,35 308,20 336,70 278,72 297,48 319,44 482,40 745,92 7413,

V VI VII VIII IX X XI XII I II II IV

Таблица 51 – График расчетных водозаборов и обязательных попусков из Краснодарского водохранилища на уровень 2015 г., млн.

В ходе калибровки производилась прогонка фиксированных расходов воды (послойно с интервалом 80, 100, 120 и т.д.), под эти расходы подбирались шероховатость, отражающая особенности рельефа – продольного и поперечного.

Также контролировались величины уровней в каждом интервале расходов, для назначения на их основе упредительных сбросов, стабилизирующих безопасную величину уровней.

Получен интегральный показатель шероховатости. Его тоже испытали послойно для каждого интервала принятых ранее расходов.