Водохранилище сезонного регулирования

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Задание……………………………………………………стр. 2-3

Введение………………………………………………......стр. 4

1. Построение эмпирической кривой обеспеченности

(кривой распределения  ежегодных вероятностей 

превышения) годового стока реки и подбор

сглаживающей ее аналитической кривой………..стр. 5-8

2. Установление необходимости регулирования

стока реки. Построение гидрографа

среднемесячных расходов и потребления………...стр. 9-12

3. Определение параметров водохранилища

сезонного (годового) регулирования………………стр. 13-20

       Заключение……………………………………………..…стр. 21

       Литература………………………………………………...стр. 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

В связи с развитием промышленности, ростом городов, необходимостью интенсификации сельского хозяйства в последние годы уделяется большое внимание рациональному и экономному использованию водных ресурсов страны.

Гидрология – наука, которая изучает свойства воды, процессы, протекающие в водных объектах, к которым относятся с точки зрения водоснабжения реки, водохранилища, озера, моря и подземные источники, зависимость характеристик водных объектов от физико-географических факторов.

 

Естественный режим стока в большинстве случаев не совпадает с требованиями ряда отраслей народного хозяйства, возникающими при использовании водотоков. Целесообразно направленное изменение режима водных объектов для достижения бесперебойного и надежного обеспечения водой населения, промышленности и сельского хозяйства достигается регулированием  речного стока. Искусственное регулирование стока осуществляется с помощью возведения плотин и создания водохранилищ с целью изменения режима естественного стока для удовлетворения нужд различных отраслей народного хозяйства. Сток регулируется путем накопления воды в водохранилище в период половодья и паводков и расходования воды в период превышения потребления над притоком. Важнейшая задача регулирования стока – определение объема водохранилища.

 

Основная задача данного курсового проекта – построение водохранилища сезонного регулирования. Принцип работы которого заключается в перераспределении стока из многоводных сезонов на маловодные внутри года. При этом водопотребление каждого года удовлетворяется стоком этого же года. Такое регулирование обусловлено внутригодовой неравномерностью стока.

Водохранилище наполняется в период наибольшего притока, приуроченного к весенним и летне-осенним половодьям и паводкам, в периоды межени водохранилище сбрасывается. Недостатки воды в маловодные сезоны компенсируются избытками воды в многоводные сезоны.

Сезонное регулирование является наиболее распространенным и применяется практически для удовлетворения запросов различных участников водохозяйственного комплекса.

 

Чтобы непосредственно перейти к расчету водохранилища, сначала мы должны выполнить построение эмпирической кривой обеспеченности (кривой распределения ежегодных вероятностей превышения) годового стока реки и подбор сглаживающей ее аналитической кривой

Затем мы должны произвести установление необходимости регулирования стока реки, включающее расчет гидрографов притока и потребления.

И заключительный и самый важный этап  - это определение параметров водохранилища годового регулирования, который включает в себя следующие пункты:

• расчет морфометрических (батиграфических) кривых водохранилища;
• расчет полезного объема водохранилища годового регулирования таблично цифровым способом без учета потерь воды;
• расчет заиления и мертвого объема водохранилища;
• расчет потерь воды из водохранилища на испарение, фильтрацию, образование льда;
• расчет водохранилища с учетом потерь воды.

 

 

 

 

1. Построение эмпирической кривой обеспеченности (кривой распределения ежегодных вероятностей превышения) годового стока реки и подбор сглаживающей ее аналитической кривой.

 

    1.1. Рекомендуемая  последовательность выполнения  раздела.

 

Образование хронологического ряда изучаемых величин. Преобразование его в убывающий статистический ряд. Проверка однородности включаемых величин. Построение эмпирической кривой. Определение параметров аналитической кривой. Построение аналитической кривой, проверка ее сходимости с эмпирической кривой, установка погрешности определения параметров.

 

1.2. Методика выполнения расчетов.

 

1.2.1. Из задания (приложение 1) заносим в графы 2 и 3 табл.1.1 данные о средних значениях расходов воды за каждый из указанных календарный год. Выявляем пределы изменения годовых расходов воды за рассматриваемый период.

 

1.2.2. Размещаем в графе 4 значения годовых расходов воды (из графы 3) в убывающем порядке от наибольшего к наименьшему.

Находим сумму значений расходов всех n членов убывающего ряда и записывают ее внизу графы 4.

Определяем значение первого параметра данного ряда – его среднего арифметического

                          (1.1)

Выражаем значения всех параметров убывающего ряда в модульных коэффициентах (в долях среднего значения) и записываем в гр.6

    

                                    (1.2)

Для контроля вычислений находим сумму значений (гр.6), она должна быть равна числу членов ряда (n).

 

1.2.3. Значения Ki всех членов ряда являются ординатами точек эмпирической кривой обеспеченности. Их абсциссы определяются по выражению 

,

где pi – обеспеченность рассматриваемого члена со значением Ki в  убывающем ряду;

       n – общее число членов.

 

Заполняем таблицу 1.1 

Расчет эмпирической кривой обеспеченности годового стока реки и исходных данных для определения статистики λ1, λ2, λ3.

 

                                                                            Таблица 1.1

№	Календарный год		Убывающий ряд
	годы	Qгод,м3/с	Qгодi,м3/с	p=m/(n+1)*100%	Ki=Qгодi/Qгод	lgKi	KilgKi
1	2	3	4	5	6	7	8
1	1971	27,20	48,20	3,2	1,67633	0,22436	0,37610
2	1972	24,00	44,80	6,5	1,55808	0,19259	0,30007
3	1973	38,00	44,00	9,7	1,53026	0,18476	0,28274
4	1974	42,80	42,80	12,9	1,48852	0,17276	0,25715
5	1975	44,00	38,00	16,1	1,32159	0,12110	0,16004
6	1976	29,40	37,80	19,4	1,31463	0,11880	0,15618
7	1977	28,00	35,00	22,6	1,21725	0,08538	0,10393
8	1978	25,00	31,20	25,8	1,08509	0,03547	0,03848
9	1979	21,60	30,60	29,0	1,06422	0,02703	0,02877
10	1980	21,20	30,40	32,3	1,05727	0,02419	0,02557
11	1981	22,40	30,00	35,5	1,04336	0,01843	0,01923
12	1982	31,20	29,40	38,7	1,02249	0,00966	0,00988
13	1983	23,80	28,00	41,9	0,97380	-0,01153	-0,01123
14	1984	26,00	27,20	45,2	0,94598	-0,02412	-0,02282
15	1985	30,00	26,00	48,4	0,90424	-0,04371	-0,03953
16	1986	21,60	25,80	51,6	0,89729	-0,04707	-0,04223
17	1987	20,40	25,00	54,8	0,86946	-0,06075	-0,05282
18	1988	20,00	24,60	58,1	0,85555	-0,06775	-0,05797
19	1989	22,40	24,00	61,3	0,83469	-0,07848	-0,06550
20	1990	25,80	23,80	64,5	0,82773	-0,08211	-0,06797
21	1991	35,00	23,20	67,7	0,80686	-0,09320	-0,07520
22	1992	30,40	22,40	71,0	0,77904	-0,10844	-0,08448
23	1993	22,40	22,40	74,2	0,77904	-0,10844	-0,08448
24	1994	37,80	22,40	77,4	0,77904	-0,10844	-0,08448
25	1995	30,60	21,60	80,6	0,75122	-0,12423	-0,09333
26	1996	48,20	21,60	83,9	0,75122	-0,12423	-0,09333
27	1997	23,20	21,20	87,1	0,73731	-0,13235	-0,09758
28	1998	24,60	20,80	90,3	0,72339	-0,14062	-0,10173
29	1999	20,80	20,40	93,5	0,70948	-0,14906	-0,10575
30	2000	44,80	20,00	96,8	0,69557	-0,15766	-0,10966
			∑Qгодi=		∑Ki=	∑lgKi=	∑KilgKi=
			862,6		30,00	-0,45	0,47
			ср.знач.=			λ2=	λ3=
			28,75			-0,015	0,016

 

Под данной таблицей определена сумма Qгодi и среднее значение (Ср.Qгод).

В гр.6 мы получили сумму значений (30), которая равна числу членов ряда (n), что является своеобразным контролем.

В гр.7 и гр.8 найдены суммы, а ниже приведены значения λ2 и λ3, которые рассчитаны по следующим формулам:

 

                                                             (1.6)

 

                                                          (1.7)

Данные  логарифмические статистики вычисляются для построения аналитической кривой обеспеченности. Их значения получились практическими равными по модулю, но различные по знакам, что является контролем.

По специальным монограммам определяем значение параметров CV и CS аналитической кривой обеспеченности трехпараметрического гамма распределения.

C v = 0,3; Cs=6C v .

1.2.4. Пользуясь таблицами ординат кривых трехпараметрического гамма-распределения, выписываем координаты аналитической кривой с соотношением CS/CV, наиболее близко соответствующим значениям найденных выше параметров.  Эту кривую совмещаем на одном графике с эмпирической кривой и визуально оцениваем степень согласования (см. рис. 1.1).

 

Координаты аналитической кривой обеспеченности годового стока.

 

P,%	Ki
0,1	2,8
0,5	2,22
1	2,01
3	1,68
5	1,55
10	1,37
20	1,19
30	1,08
40	1,01
50	0,94
60	0,88
70	0,83
80	0,77
90	0,7
95	0,65
97	0,62
99	0,57
99,9	0,5

 

 

 

 

Из построенного графика кривой обеспеченности годового стока видно, что точки эмпирической и аналитической кривой расположены не далеко друг от друга.

Необходимо визуально убедиться, что не осталось резко отклоняющихся точек, свидетельствующих о неоднородности соответствующих членов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Установление необходимости регулирования стока реки. Построение гидрографа среднемесячных расходов и потребления.

 

2.1. Рекомендуемая последовательность  выполнения раздела.

 

Определение минимального допускаемого расхода по условиям требований охраны природы, определение общих потребностей в воде, определение приточности воды в расчетный маловодный год, построение гидрографа среднемесячных расходов и потребления, подготовка других исходных данных.  

 

2.2 Порядок выполнения  расчетов.

 

2.2.1. Приведенные в задании данные отражают суммарные потребности в воде для различных целей (технического водоснабжения, гидроэнергетики, регулирования водного режима мелиорируемых земель). Кроме того, проверяют, достаточны ли утилитарные пропуски в нижний бьеф для обеспечения требований охраны природы.

 

В условиях РБ необходимо, чтобы расходы воды в реках не допускались ниже минимально допустимых

,

где

,

где Ммин.мес. – модуль минимального месячного стока, л/(с*км2), значения которого возьмем из задания для летне-осенней и зимней межени (приложение 2).

 

       Площадь F = 5160 км2.            

        Межень летне-осенняя  Ммин.мес. = 1,9 л/(с*км2); CV = 0,4; CS = 1,2.

        Межень зимняя Ммин.мес. = 2,3 л/(с*км2); CV = 0,3; CS = 0,4.

        Забор из верхнего бьефа за апрель – октябрь равен 8 м3/с, за ноябрь – март равен 4 м3/с.

        Пропуск  в нижний бьеф за апрель – октябрь равен 6 м3/с, за ноябрь – март равен 2 м3/с.

        Величину Qмин.доп определяют для летне-осенней и зимней межени.

Для определения модульного коэффициента К95 используют соответствующую таблицу координат аналитических кривых обеспеченности при заданных CV и CS для летне-осенней и зимней межени.

 

Летне-осенняя межень:

 

CV = 0,4

CS = 1,2

Примем, что  CS = X*CV , тогда выразим X = 3

Таким образом, CS = 3 CV, CV = 0,4

следовательно, из таблиц принимаем К95 = 0,487.

,

,

.

 

 

 

 

Зимняя межень:

 

CV = 0,3

CS = 0,4

Примем, что  CS = X*CV , тогда выразим X =1,33≈1,5

Таким образом, CS = 1,5CV, CV = 0,3

 следовательно, из таблиц принимаем  К95 = 0,548.

,

,

 

.

  Данные о необходимых расходах воды во все месяцы заносим в соответствующие графы таблицы 2.1 (гр.2,3,4). В гр.5 заносим расчетные значения потребностей в нижнем бьефе (большие из указанных для каждого месяца в гр.3 и 4). Суммарные потребности (суммы гр.2 и 5) в гр.6 выражают в м3/с, а затем переводят в объемы (гр.7).      Продолжительность соответствующих месяцев составляет 2,68 (31день); 2,42 (28 дней) или 2,59 (30 дней) млн.с (в зависимости от числа суток). На основании табл.2.1 строят гидрограф потребления.

 

2.2.2. . Находим средний расход для маловодного года 95% обеспеченности.

Для этого из ранее составленной таблицы 1.2 находим значение Ki для pi=0,95.

Ki=0,65.

Находим значение           (см. построение эмпирической кривой , пункт 2)

Находим годовой расход маловодного года по формуле:

Объем стока за расчетный маловодный год определяют по выражению

                                                         

,                                               (2.2)

где 31,56 – продолжительность года, млн.с.

Для построения гидрографа стока заполняем табл.2.2.

Для заполнения гр.2 используем типовое внутригодовое распределение стока (из приложения 3). Из него в табл.2.2 переносят относительные значения месячного стока wi (в %), а затем абсолютные значения вычисляем по выражению

и записываем эти выражения в гр.3.

Контролем правильности вычисления является совпадение сумм месячных значений за год соответственно со 100% и Wгод.95.

Для нахождения среднемесячных расходов записываем в гр.4 количество секунд в соответствующем месяце, а затем по формуле находим среднемесячный расход (гр.5). По значениям среднемесячного расхода строим гидрограф стока    

 

 

Определение потребностей в воде.

Таблица 2.1

Месяцы	Утилитарные потребности в воде, Q,м3/с		Попуск в н.б. для целей охраны природы,Q,м3/с	Расчетный попуск в  н.б.,   Q,м3/с	Суммарные потребности в воде
	забор из верхнего бьефа	попуск в нежний бьеф			Гр.2+Гр.5, Q,м3/с	U,млн.м3
1	2	3	4	5	6	7
1	4	2	4,875	4,875	8,875	23,78500
2	4	2	4,875	4,875	8,875	21,48
3	4	2	4,875	4,875	8,875	23,79
4	8	6	3,57	6	14	36,26
5	8	6	3,57	6	14	37,52
6	8	6	3,57	6	14	36,26
7	8	6	3,57	6	14	37,52
8	8	6	3,57	6	14	37,52
9	8	6	3,57	6	14	36,26
10	8	6	3,57	6	14	37,52
11	4	2	4,875	4,875	8,875	22,99
12	4	2	4,875	4,875	8,875	23,79

Среднемесячный расход стока.

Таблица 2.2                                                     

Месяцы	Месячный сток от годового стока заданной обеспеченности, wi,%	Объем стока за месяц, Wм, млн. м3	Количество секунд в месяце, t, млн. с	Среднемесячный расход, Qср.мес., м3/с
1	2	3	4	5
I	3,1000	18,2715	2,6800	6,8177
II	2,7000	15,9139	2,4200	6,5760
III	9,8000	57,7616	2,6800	21,5528
IV	33,3000	196,2714	2,5900	75,7805
V	19,1000	112,5761	2,6800	42,0060
VI	5,8000	34,1854	2,5900	13,1990
VII	3,7000	21,8079	2,6800	8,1373
VIII	2,8000	16,5033	2,6800	6,1579
IX	3,4000	20,0397	2,5900	7,7373
X	5,5000	32,4172	2,6800	12,0960
XI	6,5000	38,3112	2,5900	14,7920
XII	4,3000	25,3444	2,6800	9,4569
	Σ	Σ		Σ
	100,0000	589,4038		18,6925

 

 

В итоге строим по всем найденным величинам  гидрограф среднемесячных расходов притока и потребления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определение  параметров водохранилища сезонного (годового) регулирования.

3.1 Последовательность выполнения раздела.

Расчет и построение морфометрических кривых водохранилища. Расчет полезной емкости водохранилища таблично-цифровым способом. Определение мертвого и полного объемов водохранилища. Расчет потерь воды из водохранилища. Определение полезного объема с учетом потерь. Построение графика работы водохранилища.

 

3.2 Методика выполнения  расчетов.

 

3.2.1. Расчет морфометрических (батиграфических) кривых водохранилища.

К основным морфометрическим характеристикам водохранилища относят батиграфические зависимости площади водной поверхности Ω и объема воды V в водохранилище от уровня H или глубины h в нем. Кривую Ω = Ω(H) или  Ω = Ω(h) называют кривой площадей водной поверхности водохранилища; кривую V = V(H) или V = V(h) – кривой объемов водохранилища, а вместе – батиграфическими кривыми.

 

Последовательность заполнения таблицы 3.1. 

Для заполнения гр.2 и 4 используем данные, приведенные в приложении 4.

Гр.3 вычисляем по формуле

       (3.1)

Высоту слоя между соседними горизонталями (гр.4) вычисляют по формуле

                      (3.2)

Объем  слоя находим по формуле

                         (3.3)

Для 1-го природного слоя объем определяем по формуле усеченного параболоида:

Объем водохранилища (гр.6) для первой горизонтали: V=V1, а для последующих V=Vi+Vi+1.

По данным табл. 3.1 строим  кривые объемов и площадей водохранилища. 

H	Площадь зеркала,Ώ10-6,м2	Средняя площадь зеркала,Ώср10-6,м2	Высота слоя,∆Н,м	Объем слоя,∆V10-6,м3	Объем водохранилища,V10-6,м3
1	2	3	4	5	6
117,5	0				0,0
		0,347	2,5	0,9
120,0	1,04				0,9
		8,050	2,5	20,1
122,5	18,7				21,0
		33,267	2,5	83,2
125,0	50,4				104,2
		62,294	2,5	155,7
127,5	75				259,9
		100,327	2,5	250,8
130,0	128				510,7

 

 

 

3.2.2. Расчет полезного объема водохранилища таблично-цифровым способом без учета потерь.

Определение параметров водохранилища можно вести двумя способами: графическим и таблично-цифровым. Графический способ основан на  использовании интеграционных кривых стока и потребления. На практике он применяется редко.

Балансовые расчеты водохранилищ таблично-цифровым способом широко распространены в практике водохозяйственного проектирования. Формы таблиц могут быть различны и отличаются главным образом последовательностью вычислений и способами учета потерь воды при регулировании стока.

Расчет будем вести по форме таблицы 3.2.

Данные об отдаче U и расчетном стоке Wp = Wмес в хронологической последовательности заносим из таблиц 2.1 и 2.2. Сопоставляем помесячно сток и отдачу и вычисляем избытки Wизб = Wp + U и дефициты Wд = Wp - U и записываем их соответственно в гр.4 и 5.

Расчеты выполняем следующим образом. Вначале выбираем месяц на исходе межени (март), в конце которого можно полностью (до нуля) сработать воду в пределах полезной емкости.

Затем, начиная с этого месяца, последовательно прибавляем значения дефицитов и определяем объем воды, который может покрыть все дефициты до конца межени. Этот объем воды, представляющий наибольшую сумму дефицитов, и является полезным объемом водохранилища Vплз (без учета потерь).

Второй этап расчета состоит в проверке возможности заполнения установленной емкости. Он ведется с месяца, следующего за месяцем полной сработки полезной емкости (апрель). Если сумма избытков превышает полезный объем, то в гр.6 записываем установленное выше его значение, а остальную часть избытков воды направляем в холостой сброс и заносим в гр.7.

 

Расчет полезного объема водохранилища без учета потерь воды.

Таблица 3.2

Месяцы	Расчетный сток,Wp,млн.м3	Потребности в воде(отдача),  U,млн.м3	Сток минус отдача,Wp-U,млн.м3		Наполнение без учета потерь
			избыток воды,  Wизб	дефицит воды,    Wд	отдача воды в пределах полезного объема в конце месяца,Uki,млн.м3	холостой сброс,  Vсб,млн.м3
1	2	3	4	5	6	7
1	18,2715	23,785		5,5	5,6
2	15,9139	21,48		5,6	0,0
3	57,7616	23,79	34,0		34,0
4	196,2714	36,26	160,0		71,2	122,8
5	112,5761	37,52	75,1		71,2	75,1
6	34,1854	36,26		2,1	69,1
7	21,8079	37,52		15,7	53,4
8	16,5033	37,52		21,0	32,4
9	20,0397	36,26		16,2	16,2
10	32,4172	37,52		5,1	11,1
11	38,3112	22,99	15,3		11,1	15,3
12	25,3444	23,79	1,6		11,1	1,6
	∑Wp=	∑U=		∑Wд=		∑Vсб.=
	589,4	374,7		71,2		214,8

 

 

 Контролем правильности расчетов таблицы 3.2 является баланс сумм годового притока, годовой потребности (отдачи) и всех холостых сбросов, т. е. [2]=[3]+[7].

[3]+[7]=	589,4
[2]=	589,4

 

 

3.3 Расчет заиления и  мертвого объема водохранилища.

 

Процесс отложения наносов в водохранилище называется заилением. При расчетах заиления в качестве основной характеристики принимают срок службы водохранилища tсл -  время, в течение которого наносами заполняется мертвый объем, но при этом обеспечивается необходимая подача воды потребителям ез регулирующей емкости. При заданном сроке tсл может решаться задача по назначению соответствующего мертвого объема Vмо. Для водохранилищ, сооружаемых для целей водоснабжения, примем tсл = 50 лет.

Среднемноголетний объем наносов Vн реки, впадающий в водохранилище, в общем виде можно представить как сумму объемов взвешенных Vвзв и влекомых (донных) наносов Vвл :

       (3.4)

 

Расчет ведется в следующем порядке:

1. Определяем средний расход взвешенных  наносов Rн по формуле:  

       (3.5)

- среднемноголетний расход воды, м3/с;

ρ0 – среднемноголетняя мутность воды и мы принимаем ее равной 200 г/м3.

Т.о.  

.

 

2. Определяем среднемноголетний объем за год взвешенных  наносов по зависимости:

           (3.6)

- плотность отложений из  взвешенных наносов, которую мы принимаем равной 1000 кг/м3 .

Т.о.

.

3. Определяем объем  взвешенных  наносов, заполняющий ложе водохранилища за tсл лет по зависимости:

,             (3.7)

δ – транзитная часть взвешенных наносов, выносимых в н.б., которую мы принимаем равной 0.3, соответственно (1-δ) – та часть наносов, которая отложится в водохранилище.

Т.о.

.

4. Определяем объем  влекомых по дну наносов, заполняющий ложе водохранилища за tсл лет по зависимости:

        (3.8)

β – отношение массы влекомых наносов к массе взвешенных наносов, принимаемое 0,07.

ρвл – плотность влекомых наносов, равная 1500 кг/м3.

Т.о.

.

5. Определяем объем водохранилища, занимаемый взвешенными и влекомыми наносами, как сумму:

            Принимаем из условия заиления водохранилища мертвый объем            Vмо = Vн.