Водохозяйственный расчет водохранилища

Курсовая работа

Тема:

«Водохозяйственный расчет водохранилища»

Уссурийск, 2010 г.

1. Первичный расчет водохранилища

1.1 Расчет и построение батиграфических характеристик водохранилища

В процессе водохозяйственных расчетов водохранилища использую ряд характеристик. В первую очередь – это батиграфические кривые, по которым: строится график зависимости объема водохранилища от уровня воды в нем V_н=f(H), и график зависимости площади зеркала водохранилища от уровня в нем ω =f(H).

Таблица 1. Расчет координат батиграфических и объемных кривых водохранилища

Порядок расчета таблицы:

1) В 1 колонку записываем расчетные уровни H_i;

2) Во 2 колонку записываем площадь зеркала;

3) В 3 колонку записываем разность расчетных уровней;

4) В 4 колонке определяем частичные объемы, заключенные между расчетными уровнями ΔV, т.е. объемы воды заключенные между сложными уровнями воды, при этом для первого слоя:

ΔV1 = ⅔ *ω₂*ΔH (млн. м³)

Для остальных слоев ΔV считается:

ΔV = ΔH* ωi + ωi+1 (млн. м³)

5) В 5 колонку записываем объем наполнения водохранилища V_н, путем последовательного суммирования 4 колонки (ΔV).

6) 6 колонку рассчитываем значение средней глубины h_ср:

hср=Vнi/ωi (м)

7) Определяем характеристики литорали:

Литораль – это мелководная зона водохранилища, в прибрежной полосе (глубина менее 2 метров).

а) Определяем площадь литорали (7 колонка)

ωLi = ωнi –ωнi-2

б) Рассчитываем значение критерия литорали (8 колонка)

Lωi = ωLi/ ωi

По результатам таблицы строится график (рис. 1.)

По данным 1 и 2 колонок чертим кривую площади зеркала ω =f(H).

По данным 1 и 5 колонок чертим кривую объема воды V_н = f(H).

По данным 1 и 6 колонок строим график средних глубин h_ср = f(H).

По данным 1 и 8 колонок строим график кривой литорали L =f(H).

1.2 Определение мертвого объема водохранилища

Порядок расчета:

1) Определяем параметры мертвого объема исходя из санитарно-технических условий.

Согласно этим условиям средняя глубина должна быть не менее 2,5 метра.

h_ср > 2,5 м

H_мо = 59,75 м

V_мо =3 млн. м³

2) Проверяем установленные параметры мертвого объема на соблюдение условий по качеству воды L_w ≤ 0,35

В нашем случае L_w=0,39

Вывод: При данных параметрах мертвого объема качество питьевой воды не соблюдается и параметры мертвого объема надо пересчитать.

Мертвый объем V′_мо = 3.15 млн. м³, уровень H′_мо = 59.9 м.

3) Проверяем величину мертвого объема на заиление.

Для малых водохранилищ срок заиления мертвого объема должен быть не менее 50 лет.

а) Определяем среднегодовой объем отложений наносов

V_H =

– мутность воды, она равна 600 г./м. куб.

– средний многолетний объем годового стока, она равна 180 млн., м. куб.

– плотность донных отложений, она равна 0,85 т/м. куб.

– доля донных наносов, она равна 0,18

– транзитная часть наносов, она равна 0,25

б) Определяем срок заиления.

t_з = V_MO/V_H = 3,15*10⁶/0,12=26,25 (лет)

При этих параметрах условия на заиление не выполняются и параметры мертвого объема нужно уточнить.

V_мо = V_н *50=0,12*50= 6 млн. м³

Определяем уровень мертвого объема.

H_мо = 62 м.

V_мо = 6 млн. м³

За основу расчета мертвого объема принимаю: H_мо=67,5 м

Vмо =6 млн. м³

1.3 Определение суммарного объема потерь воды из водохранилища

Суммарные потери воды из водохранилища состоят из потерь на фильтрацию и на дополнительное испарение.

П = Ф+E_д, (мм./мес.),

Где Ф – потери на фильтрацию,

Е_д – потери на дополнительные испарения.

Годовая величина дополнительных потерь на испарение (Е_д год).

Е_дг = К_ре* Е_д – К_рх* Х_в (мм/год)

Е_в – средне многолетнее испарение с водной поверхности за год

Х_в – средне многолетнее годовое количество осадков 500 мм.

К_ре и К_рх – модульные коэффициенты испарения и осадков.

Расчет Е_в – производится по формуле: Е_в = Е20*К_н*К_д*К (мм./год)

Е20 – годовое испарение с испарительного бассейна площадью

Эту величину определяем по карте и она равна 500 мм.

К_н – поправочный коэффициент на глубину водоема К_н =0,98

К_д – поправочный коэффициент на защищенность водоема К_д = 0,7

К _ω – поправочный коэффициент на площадь водоема К _ω=1

При обеспеченности осадков К_р%=90%, Кр_х = 731 мм.

Е_в = 500*0,98*0,7*1=343 мм.

Р_е = 100-Рх = 100–90=10%

К_ре=1,19

Е_д = К_ре* Е_в* К_рх* Х_в = 1,19*343 – 0,731 * 500 = 42.67 мм.

П = Ф+Е_д =90+42,67=132,67, мм

Дальнейший расчет ведем в табличной форме, таблица 2.

Таблица 2. Вычисление суммарного слоя воды из водохранилища

Таблица 3. Расчет объемов потерь из водохранилища (Vп)

П = 0,001* П * w, (млн. м³)

По данным этой таблицы чертится график (рис. 2.)

2. Расчет водохранилища сезонно-годового регулирования стока балансовым методом

2.1 Установление режима работы водохранилища

Расчет регулирования по методу прямой задачи начинаем с предварительных расчетов, которые должны установить:

– необходимость и возможность сезонного регулирования;

– режим работы водохранилища и величину полезного объема;

– начало водохозяйственного года.

Установление необходимости, возможности режима работы водохранилища и сезонного регулирования стока.

Для этого строим вспомогательную таблицу 4.

Таблица 4. Данные для определения режима работы водохранилища

1) Устанавливаем необходимость сезонного регулирования стока, так как в январе, феврале, марте, ноябре, декабре отдача превышает сток, то необходимо сезонное регулирование стока.

2) Устанавливаем возможность сезонного регулирования стока

Так как у нас Wг = млн. м. куб.>Uг = млн. м. куб., то сезонное регулировании возможно.

3) Устанавливаем режим работы водохранилища.

В моём случае будет наблюдаться однократный режим работы так как сумма недостатка Δ d=-5 млн. м³ с октября по март и сумма избытка ΔV=27 млн. м³ наблюдается с апреля по сентябрь. Условия Δd< ΔV выполняются.

4) Определяем начало водохозяйственного года. За начало водохозяйственного года берем первый месяц периодов избытка стока «Апрель».

5) Определяем величину полезного объема (V пл) при однотактном режиме.

Величина полезного объема будет равна дефициту стока

V _плз = Δ d=5 млн. м³

2.2 Таблично-цифровой расчет водохранилища без учета потерь

Расчет сезонного регулирования без учета потерь.

Расчеты объемов наполнения и сброса водохранилища ведем в таблице 5.

Расчет по I – варианту правил регулирования стока.

Наполнение водохранилища до V_нпу=11 млн. м³ происходит за счет первых избытков стока.

Расчет ведем в следующем порядке:

а) Объем наполнения водохранилища на начало первого месяца принимаем равному мертвому объему V_мо =6 млн. м. куб.

б) Затем определяем фиктивное наполнение водохранилища на конец месяца

V_ф = V_н + (W_р-U)

Определяем наполнение водохранилища на конец месяца исходя из того, что V_ф находится между объемами V_мо иV_нпу, то есть должно выполняться условие

V_нпу>Vф>Vмо

По этому если полученное значение V_ф соотвецтвует этому условию, то конечный объем V_к=V_ф.

в) Если V_ф>V _нпу, то V_к = V_нпу, а остальной объем уходит на сброс

V_сб = V_ф – V_нпу.

Полученное значение V_к и V_сб записываем в 6 и 7 колонку.

г) Выполняем расчеты последующих месяцев в таком же порядке.

Расчет по II – варианту правилу регулирования стока.

Первые избытки стока сбрасываются, а за счет последующих наполняется водохранилище.

Расчет ведется против хода времени, то есть с последнего месяца:

а) Объемы наполнения водохранилища на конец последнего месяца принимаем V_к = V_мо.

б) Определяем фиктивное наполнение на начало последнего месяца

V_ф = V_к + (W_р – U)

Проверяем условие V_нпу >V_ф >V_мо

1) если это условие выполняется V_н = V_ф и сбросы V_сб = 0

2) если V_ф <V_мо, то объем на V_н = V_мо, а сброс равен V_сб = V_мо – V_ф полученные значение заносим в колонку 8 и 9.

2.3 Таблично-цифровой расчет водохранилища с учета потерь

Расчет будем проводить по II – варианту.

Потери в этом случае определяю по ранее построенном графику потерь (рис. 2) в следующем порядке:

а) Определяем средний объем воды водохранилища за каждый месяц (10 колонка)

V_сб = (V_н + V_к)/ 2

б) По батеграфическим кривым (рис. 1) V_н = f (Н) находим площадь зеркала водохранилища по величине среднего объема ω =f (h) (11 колонка)

в) по соответствующему графику потерь по величине ωср величину потерь Vп и записываем в 12 колонку.

г) Определяем дефицит стока (13–14 колонка) с учетом потерь

W_р – U – Vг

д) Уточняем режим работы водохранилища величину V_плз и полного объема

V_плз = 5 млн. м³

V_нпу = 11 млн. м³

е) Производим перерасчет объемов наполнения и сброса с учетом потерь. В порядке зависящих от варианта правил регулирования стока.

2.4 Графические расчеты водохранилища сезонно-годового регулирования стока

Графические способы применяются для предварительных расчетов регулирования стока без учета потерь.

Различают три способа таких расчетов:

1) С помощью полных интегральных кривых стока и отдачи.

2) С помощью сокращенных интегральных кривых стока и отдачи.

3) с помощью разностных кривых стока и отдачи.

Для выполнения этих расчетов выполняем предварительный расчет в таблице 6.

Таблица 6. Ордината интегральных кривых

Графические способы расчета сезонного регулирования стока

Режим работы водохранилища по I Варианту

1) С 1^го апреля по 6^е мая период заполнения полезного объёма.

2) С 6^го мая по 31^е октября идёт сброс лишней воды при полном заполнении полезного объёма.

3) С 1^го ноября по 31^е марта проходит период сработки полезного объёма.

Режим работы водохранилища по II Варианту

1) С 1^го апреля по 26^е июня наблюдается период сброса.

2) С 27^го июня по 31^е октября происходит процесс наполнения полезного объёма.

3) С 1^го ноября по 31^е марта проходит период сработки водохранилища.

3. Расчет методом Крицкого – Менкеля

В этом методе сезонная составляющая полезного объема так же, как в балансовом методе:

Из исходных данных:

Коэффициент за регулирование стока ά=0,7;

Длительность межени в долях года t_М= 7/12 =0,58;

Доля меженного периода m_М=0,3

β_сез=ά*(t_м – m_м)=0,9*(0,58–0,3)=0,25

W – среднемноголетний объем годового стока = 180 млн. м³.

V_сез = β_сез*Wг =180*0,25=8,05 млн. м³.

Многолетняя составляющая βмн в этом методе определяется с помощью графиков «Сванидзе».

В зависимости от коэффициентов вариации Сv и асимметрии Сs речного стока.

Коэффициент корреляции стока смежных лет r, расчетной обеспеченности Р=90% и коэффициент регулирования стока ά =0,7.

В начале выбирают расчетный график в зависимости от С_v/С_s, r, обеспеченности р%.

Затем по этому графику в зависимости от Cv и ά определяют β мн.

V_мн = β _мн* W_г = 0,56*180=100,8 млн. м³.

βмн = 0,56

V_плз= V_сез + V_мн = 8,05+10= 18,05 млн. м³.

Расчет методом Монте – Карлом.

Он основан на моделирование искусственных гидрологических рядов большой продолжительности (1000 – и более лет).

При этом расчеты обычно выполняют способом обратной задачи.

Зная величину βмн устанавливаем вероятность отдачи Рu%.

Порядок расчетов:

1) По величинам Cs и Cv по заданной реке рассчитываем теоретическую кривую обеспеченности таблица 7.

Таблица 7. Расчет теоретической кривой обеспеченности

И строим теоретическую кривую обеспеченности

1) Моделируем ряд значений обеспеченности годового стока Р%.

Методом генерации случайных чисел.

Дальнейший расчет ведем в табличной форме таблица 8.

2) колонку записываем случайные числа. Они равны обеспеченности.

3) колонка – по кривой обеспеченности определяем модульные коэффициенты Кi и записываем.

4) колонка – для каждого года определяется величина βpi = βнi – ά + Кi

βнi – наполнение водохранилища в начале года. Для первого расчетного года будет равен 0.

Таблица 8. Вычисляем вероятностные характеристики методом Монте-Карло βмн = 0,2 ά = 0,7

Определяем 5 колонку Объем наполнения на конец года βкi, в зависимости от полученного значения βрi:

а) βр > βмн в этом случае наблюдаются избытки воды и принимаем βкi = βмн.

Дефицит стока di = 0, а величина сброса равна βсб = βр – βмн.

б) βмнi > βрi > 0 в этом случае βсб = 0, βdi =0, βкi = βр.

в) βрi < 0 d, в этом случае βкi =0, βdi = βрi, βсб = 0.

Выполнив расчет за первый год, преступаем к расчетам для последующего года.

βр= βн + Кi – ά

βн – принимается βк – за предыдущий год.

Рассчитав полностью таблицу. Определяем обеспеченность отдачи.

Для этого определяем вероятность перебоев по формуле:

Аd =nd/N

где nd – число лет с дефицитом стока. Определяем по 6 колонке

nd = 0

N – Продолжительность ряда равное 30.

Аd = 0/30=0

Находим фактическую обеспеченность по формуле:

Рu = (1 – Аd)* 100%=(1 – 0)*100% = 100%.

Это значение сравнивается с расчетным:

Фактическая обеспеченность Рu =100% больше расчетной обеспеченности Р = 90%, то βмн рассчитано верно.

4. Расчет трансформации паводка водохранилищем способом Качерина

Для предварительных расчетов допускается применять упрасченный способ Качерина.

В этом способе сделано два допущения:

1) Рассчитанный гидрограф max стока представлен в виде треугольника или трапеции.

2) Считается, что увеличение сбросных расходов происходит по линейному закону.

Этот способ применим в случае водослива без затворов с отметкой гребня на уровне НПУ, точность этого способа 5 – 10%, что в полнее достаточно.

Порядок расчетов.

1) Чертится расчетная таблица 9.

водохранилище паводок трансформация сток

Таблица 9. Расчет сбросных расходов

2) заполняем 2 колонку задаваясь значением слоем форсировки hф.

Вычисляем отметку ФПУ по формуле:

ФПУ = НПУ + hф

НПУ – находим по графику батеграфических и объемных кривых

3) По батеграфической кривой объемов, по значениям ФПУ определяем объем водохранилища Vфпу и записываем в 4 колонку.

4) Определяем объем форсировки по формуле:

Vф = V_фпу – V_нпу млн. м.³

Объем V_нпу = 11 млн.м.³ И записываем в 5 колонку.

Определяем слой форсировки и объем форсировки.

Рассчитываем объем паводка по формуле:

Wп = 0,5* Т *Qmax.

Из исходных данных:

Максимальный расход паводка Qmax= 300 м/с;

Продолжительность паводка Т = 14 суток.

Wп = 0,5* Qmax *Т* 86400=0,5*300*14*86400=181440000≈181 млн. м³

Рассчитываем max сбросной расход по формуле:

Qс = Qmax*(1 – Vф/Wп)

Полученный результат записываем в 6 колонку.

Рассчитываем сбросные расходы, пропускаемые водосливом.

qc = m_b*B√2g* h_Ф м³/с

Из исходных данных:

Коэффициент расхода водослива m_b = 0,47;

Ширина водослива B =80

Строится график

По колонке 2 и 6 строится график Qс = f (hф)

По колонке 2 и 7 строится график qc =f (hф)

Точка пересечения графиков дает нам расчетное значение форсировки, и сброс.

По расчетной величине hф определяем отметку ФПУ и Vф.

Слой форсировки hф = 109 м.;

Объем форсировки Vф = 8,8 млн. м³

Литература

1. Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока / Е.Е. Овчаров, Н.

2. Н. Захаровская, И.В. Прошляков и др.; Под ред. Е.Е. Овчарова. – М.: Агропромиздат, 1988. – 224 с.