Определение потенциальных ресурсов рек

Изучить основные гидрологические и гидрографические характеристики рек, а также приобрести навыки определения оптимального створа реки для строительства ГЭС. 3 вариант

Практическая работа № 1

Определение потенциальных ресурсов рек

Цель работы: изучить основные гидрологические и гидрографические характеристики рек, а также приобрести навыки определения оптимального створа реки для строительства ГЭС.

3.1 Общие сведения о гидроресурсах

При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать:

- Теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки) – это суммарный энергетический потенциал речного стока;

- Технический потенциал – часть теоретического потенциала, которая может быть использована с помощью гидроэлектростанций;

- Экономический потенциал – часть технического потенциала, использование которой является экономически целесообразной.

При выборе места строительства гидроэлектростанции в первую очередь производится оценка потенциальных ресурсов реки на различных её участках. Потенциальными энергетическими ресурсами рек являются мощность и энергия потока.

Определению потенциальных гидроэнергоресурсов каждой реки предшествует составление её водного кадастра, включающего общее описание реки, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, топографии и пр.

Потенциальные энергетические ресурсы реки могут быть получены на основе уравнения Бернулли, которое является одним из основных уравнений в гидравлике [6].

Для определения потенциального места строительства ГЭС рассмотрим сечение реки, на котором выделим участок, заключенный между двумя створами 1 и 2, как это показано на рис. 2.

Рис.2. Сечение реки

Полная энергия Э потока жидкости объемом W в створах 1-1 и 2-2 согласно уравнению Бернулли, можно оценить как:

(1)

где Z1 и Z2 – удельная потенциальная энергия положения.

Согласно этому уравнению, потенциальная валовая энергия водотока,

теряемая потоком жидкости W (м3) на участке L1-2 равна разности энергий Э1 и Э2:

(2)

где  – плотность жидкости (кг/м3), g – ускорение свободного падения, (м/с2), Z – удельная энергия положения, измеряемая высотой расположения центра тяжести сечения водотока над уровнем моря, (м), – удельная потенциальная энергия при избыточном давлении p (Па),– удельная кинетическая энергия жидкости,   – коэффициент Кориолиса.

Принимая во внимание близость створов 1-2, уравнение (2) можно записать в виде:

(3)

где H1-2 – удельная потенциальная энергия потока жидкости (напор), численно равная разности уровней поверхности водотока на участке L1-2, υ1 и υ2 – отметки уровней свободной поверхности водотока.

Выражение (3) соответствует физическому положению, согласно которому энергия в любой форме равна произведению факторов экстенсивности и интенсивности. Напор H представляет фактор интенсивности или показатель энергоемкости жидкости, а объем W или расход Q – фактор экстенсивности или количественный показатель потребления энергоресурса.

Коэффициент Кориолиса характеризует отношение действительной кинетической энергии потока жидкости в данном сечении к той кинетической энергии потока, которую он имел бы, если бы все частицы двигались с одинаковой скоростью, равной средней. Диапазон изменения коэффициента: =1,05…2. Речные потоки характеризуются турбулентным течением, особенностью которого является пульсация скорости, т.е. ее изменение во времени в каждой точке по величине и направлению. В этом случае, коэффициент =1,05.

Уравнение Бернулли лежит в основе расчёта многих энергетических характеристик, в частности:

Напор H – удельная потенциальная энергия положения, численно равная падению уровней водотока:

(4)

Мощность – работа, совершаемая потоком текущей воды в течение одной секунды (кВт).

Величина потока жидкости в рассматриваемом створе в течение одной секунды определяется как:

(5)

где Q1- расход воды через 1-ый створ (м3/с).

Расход в реке Q на протяжении всего русла увеличивается при приближении к устью, вследствие бокового притока впадающих в реку ручьев, речек, осадков и т.д. Следовательно, для получения его приближенного значения на участке реки используется среднее значение между 1 и 2 створами :

(6)

Уравнение Бернулли может быть преобразовано в уравнение мощности Ni-j:

(7)

Учитывая, что: 

(8)

В связи с тем, что участки могут иметь разные длины, не всегда представляется возможным определить оптимальный участок, используя полученные значения напора, расхода и мощности.

В этих случаях для сравнения вариантов удобно использовать величину удельной мощности потока Ni-jуд на участке реки, т.е. мощности, приходящейся на единицу длины реки l:

(9)

Полная валовая энергия Эij на каждом участке за годовой интервал времени определяется как:

(10)

где Т=8760 час, количество часов в году.

Задание на практическую работу № 3

Для заданного варианта задачи (табл. 5 и табл. 6) необходимо:

Пользуясь доступными источниками и справочной литературой собрать информацию о гидрологических и гидрографических характеристиках реки;

Рассчитать энергию и мощность на участках реки:

напор на каждом участке реки;

среднее значение расхода для каждого участка;

мощность потока на каждом участке;

удельную мощность на участках;

полную валовую энергию на каждом участке за годовой интервал времени.

Результаты расчетов свести в табл. 7.

Построить кадастровый график, т.е. графическое представление гидроэнергетических ресурсов реки Z=f(L), Q=f(L), Nуд=f(L), N∑=f(L) (рис. 3).

Рис. 3 Кадастровый график потенциальных энергоресурсов реки

На основе всей полученной информации сделать вывод о том, какой створ обладает наибольшим энергетическим потенциалом и какой створ наиболее целесообразно использовать для строительства ГЭС.

4

Таблица 5

Варианты заданий на практическую работу № 1

Таблица 6

Длины участков