Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчёт водохранилища: водохозяйственное обоснование и определение параметров. Расчёт параметров водохранилища

Введение

Решение гарантированного водоснабжения населения, промышленности, промышленности и сельского хозяйства, обеспечение устойчивого и полноценного функционирования крупных экосистем требует выработки оптимальных, или близких к оптимальным, режимов регулирования и территориального перераспределения водных ресурсов. В свою очередь, обоснование соответствующих мероприятий невозможно без проектирования, создания и эксплуатации водохозяйственных систем.

В отношении водохозяйственных сооружений условие благонадежного их обоснования, в интересах безопасности местного населения и сбережения капиталовложений, должно быть поставлено выше прочих предъявляемых к ним требований. Опыт показывает, что каждое напорное сооружение представляет собою, при определенных условиях, угрозу для жизни и имущества местного населения. Однако, эти сооружения являются неотъемлемо необходимыми и поэтому обеспечение их прочности, устойчивости, правильное проектирование, строительство и эксплуатация является общественным делом, а надлежащее техническое наблюдение за ними должно быть безусловно поставлено на должную высоту.

При проектировании и строительстве водохозяйственных сооружений, возведение которых осуществляется, как правило, в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях в целях обеспечения максимальной эффективности капитальных вложений и качества построенных сооружений следует принимать наиболее прогрессивные решения в отношении материалов, конструкций сооружений, их компоновки, технологий и организации производства различных работ.

Устойчивость и нормальная эксплуатация этих сооружений определяются не только их конструктивными особенностями, но и свойствами грунта, условиями взаимодействия сооружения и основания. Оценка прочности и устойчивости оснований, выбор наиболее рациональных конструкций и способов устройства водохозяйственных объектов и их фундаментов является сложной инженерной задачей, необходимость инженерного решения, включающих в себя несколько научных дисциплин, таких как гидротехнические сооружения, методика инженерно-геологических исследований, механика грунтов, основания и фундаменты, организация и технология строительного производства, строительные материалы и конструкции, строительные машины и других.

В рамках рассматриваемой работы прорабатываются некоторые аспекты проектирования и возведения зданий и сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов в различных отраслях народного хозяйства, а также сооружений защищающих территории и населенные пункты от разрушающего воздействия водной стихии.

Водохозяйственное строительство и проектирование водохозяйственных сооружений (ВХС) - дисциплины, ставящие целью изучение:

– этапов проектирования (от разработки технического задания до получения готового проекта);

– порядка разработки документации, правил ее оформления;

– экономических основ проектирования (определение экономического эффекта от внедрения данного проектного решения, выбор наиболее экономически выгодного варианта проекта из нескольких возможных);

– главных принципов проектирования рациональных конструкций, обладающих минимальной массой, материалоемкостью и себестоимостью при достаточной прочности, жесткости и долговечности, удобных в обслуживании);

– особенностей устройства различных типов ВХС, методов, с помощью которых достигаются заданные параметры их функционирования;

– расчетных методик, полученных из рассмотрения физических процессов, характерных для данной системы;

– основных положений строительного дела, технологий работ и средств механизации.

В учебном пособии рассматривается более простая цель - ознакомление с методологией определения основных параметров водохранилища и габаритов плотины. При этом решаются следующие задачи:

– освоение основных принципов проектирования ВХС;

– приобретение навыков перехода от формирования структуры участников водохозяйственного комплекса к проектированию системы сооружений;

– разработка инженерной постановки задачи применительно к проектируемой ВХС;

– математическая постановка задачи проектирования, анализ исследуемых вариантов решения проектной задачи, критерии выбора рекомендуемого варианта проекта;

– правила управления водохранилищами комплексного назначения в эксплуатационных условиях.

В результате изучения рассматриваемых дисциплин студент должен знать:

– основные виды и классификации сооружений;

– требования к их проектированию и строительству;

– навыки компоновки инженерных сооружений на водохозяйственных объектах;

– основные приемы и методы проектирования фундаментов и расчета оснований, установленными государственными и ведомственными нормами и правилами с учетом экологической безопасности;

– общие положения об организации производственных процессов при выполнении строительных работ;

– номенклатуру и свойства грунтов, необходимые для оценки грунтов как оснований фундаментов различных сооружений водохозяйственного назначения;

– основные свойства и характеристики материалов, применяемых в строительных конструкциях;

– законы распределения напряжений в грунтах от их собственного веса и внешних нагрузок;

– основы метода расчета по предельным состояниям;

– технологию механизированных и комплексно-механизированных строительных работ и процессов водохозяйственного строительства.

Студент должен иметь представление о возможных ошибках и их последствиях при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях с целью оценки площадок для строительства сооружений при проектировании фундаментов и расчете оснований, при подготовке оснований перед строительством сооружений; об особенностях проектирования фундаментов в сложных условиях и о методах улучшения свойств грунтов в основаниях сооружений.

Практические работы являются одной из форм приобщения студентов к самостоятельной научно-исследовательской работе и в то же время позволяют на основе конкретного исходного материала приобрести навыки, необходимые в практической деятельности в области водного хозяйства.

1. Обоснование необходимости строительства водохранилища

Достоверное определение составляющих водохозяйственных балансов территорий играет ключевую роль в решении большинства водных проблем, включая водохозяйственное прогнозирование и разработку вариантов водохозяйственных систем и сооружений (ВХС). Целью их составления является установление избытка или дефицита водных ресурсов необходимого качества для обеспечения потребностей реальных или потенциальных водопользователей, определение основных параметров намечаемых мероприятий по охране и использованию вод. Водный баланс, в отличие от водохозяйственного баланса (ВХБ), служит средством анализа природного и антропогенного влагооборота с целью уточнения располагаемых водных ресурсов, определения влияния на них хозяйственной деятельности, раскрытия закономерностей формирования вод суши, выявления соотношений между приходом и расходом воды в пределах территории.

Результаты анализа ВХБ можно обобщить следующим образом. Во-первых, если для некоторого расчетного уровня развития ВХБ сводится без дефицита для всех расчетных интервалов времени по всем рассматриваемым створам, дополнительных водохозяйственных мероприятий на данном уровне не требуется. Во-вторых, возникновение дефицита воды в отдельные расчетные интервалы времени при отсутствии в его балансе маловодного года свидетельствует о необходимости сезонного регулирования стока. В-третьих, отсутствие дефицита лишь в балансе среднего по водности года показывает на необходимость многолетнего регулирования стока или привлечения дополнительных источников. В-четвертых, дефицит в балансе среднего по водности года может быть устранен только путем привлечения вод извне.

В зависимости от решаемых задач и расчетных интервалов времени различают несколько видов ВХБ:

отчетные ВХБ - водохозяйственные балансы, составленные за прошедший период и являющиеся составной частью Государственного водного кадастра в части использования водных ресурсов (ГВК ИВР);

оперативные ВХБ - водохозяйственные балансы, разрабатываемые по данным прогнозов на ближайший период (сезон, месяц) для уточнения режима работы водохозяйственных систем и сооружений и оперативного планирования водораспределения;

плановые ВХБ - водохозяйственные балансы, составляемые на расчетные уровни при планировании развития водохозяйственного комплекса с целью проверки сбалансированности предполагаемых изменений потребности в воде;

перспективные ВХБ - водохозяйственные балансы, используемые в схемах комплексного использования и охраны вод, проектах и технико-экономических обоснованиях (ТЭО) ВХС и служащие для выявления необходимости в проведении мероприятий или комплекса мероприятий по охране и использованию вод и анализа возможности удовлетворения потребности в воде необходимого качества на более или менее отдаленную перспективу (до 15-20 лет и более).

Ниже приведены основные расчетные формулы для определения годичных и месячных ВХБ и методы управления ими согласно методическим разработкам Московского государственного университета природообустройства (МГУП).

1. Структура водохозяйственного баланса. Уравнение годового водохозяйственного баланса (ВХБ) имеет вид:

W_пр-W_расх=W, (1.1)

где W _пр - приходная часть годового ВХБ; W_р - расходная часть годового ВХБ; W - результирующая часть годового ВХБ.

Приходная часть годового ВХБ рассчитывается по формуле:

W_пр=W_ф+W_с+W_вg+W_п+W_поп, (1.2)

где W_ф - годовой объем стока, формирующегося в районе рассматриваемого гидроузла; W_g - объем возвратных вод g-того потребителя, поступающих в водоем выше рассматриваемого створа; W_п - объем пригодных для использования подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком; W_поп - попуск из вышележащего водохранилища (учитывается в том случае, если рассматриваемый гидроузел является элементом каскада гидроузлов); W_с - годовой объем стока, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла (при отсутствии каскада).

Элементы приходной части можно определить следующим образом. Годовой объем стока, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла (при отсутствии каскада):

W_с = Q_it_i, (1.3)

где Q_i - расход стока в i-ом месяце; t_i - продолжительность i - того месяца.

Формирующийся в районе гидроузла полный речной сток R связан с атмосферными осадками следующим образом:

W_ф=R_it_i , (1.4)

где R_i - полный речной сток в районе гидроузла в i-ом месяце.

R=К_сХ, (1.5)

R=Х - E, (1.6)

где Х - объем атмосферных осадков за год; К_с - коэффициент стока; E - суммарное испарение с поверхности водосборной территории.

Суммарный расход определяется как R_i+Q_i=Q, а также по формуле:

Q=W/А, (1.7)

где А - активность водообмена; W - объем водоема или другой части гидросферы.

Объем возвратных вод W_в, поступающих в водоем выше рассматриваемого створа, рассчитывается по зависимости:

W_в=W_gК_вg, (1.8)

где W_g - годовой объем потребления воды потребителем; К_вg - коэффициент возврата водопотребителя.

Объем возможных для использования подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, определяется по формуле:

W_п=Q_{п i}t_i, (1.9)

где Q_пi - расход подземного водозабора в i-ом месяце; t_i - продолжительность i-го месяца.

Объем стока W_с и объем W_п можно рассчитать по формуле:

W_с=Q_сгТ, (1.10)

W_п=Q_спТ, (1.11)

где Q_сг - средний годовой расход стока; Q_сп - средний расход подземных вод; Т - число секунд в году;

Т=t_i, Q_сг=Q_i/12, Q_сп=Q_пi/12.

Расходная часть годового ВХБ рассчитывается по формуле:

W_расх=W_g+W_{раз g}+W_{поп j}, (1.12)

где W_g - годовой объем потребления воды g-м потребителем; W_{раз g} - годовой объем воды, потребный для разбавления возвратных вод g-го потребителя поступающих в верхний бьеф; W_{поп j} - объем попусков в нижний бьеф j-го вида (санитарных, энергетических, судоходных, водоснабженческих, рыбохозяйственных).

Элементы расходной части можно определить следующим образом.

Годовой объем потребления воды потребителем:

W_g=В_gq_gt/_g, (1.13)

где В_g - объем продукции потребителя, определяющий забор воды; q_g - норма потребления воды (на единицу продукции) потребителя; t - продолжительность периода водопотребления; _g - коэффициент полезного действия водоподводящих устройств.

Годовой объем воды, потребный для разбавления возвратных вод потребителя:

W_раз=W_вК_р, (1.14)

где W_в - годовой объем возвратных вод потребителя; К_р - коэффициент разбавления возвратных вод.

Годовой объем попусков в нижний бьеф:

W_поп=Q_{поп i}t _i, (1.15)

где Q _{поп i} - расход попусков в i-го вида; t_i - продолжительность попусков i-го вида.

водохозяйственный баланс сток

2. Методы управления годичным ВХБ

Как указывалось выше, если W - результирующая часть годового ВХБ отрицательна, необходимо применить методы управления водохозяйственным балансом. Методы можно прежде всего разделить на две группы в соответствии с составляющей водохозяйственного баланса (приходной или расходной частью). Естественно стремление к увеличению приходной части ВХБ и к уменьшению расходной.

2.1 Увеличение объема приходной части ВХБ

Речной сток, являющийся основным источником воды, состоит из двух составляющих: поверхностной и подземной:

R=S+U, (1.16)

К_п=U/R, (1.17)

V=U+E, (1.18)

где R - полный речной сток; S - поверхностная составляющая стока; U - подземная составляющая стока; К_п - коэффициент подземного стока; V - общее увлажнение территории.

Основное значение для водоснабжения и общего увлажнения территории имеет подземный сток. Поэтому увеличение приходной части возможно за счет перевода поверхностной составляющей в подземный какими-либо методами (агротехническими, гидротехническими, лесотехническими и т.д.). Другой способ увеличения приходной части ВХБ может заключаться в пополнении стока за счет других водосборов (переброска стока).

2.2 Уменьшение объема расходной части ВХБ

Способы уменьшения расходной части ВХБ базируются на:

1) уменьшении объема водопотребления за счет уменьшения нормы водопотребления q путем введения прогрессивных (менее водоемких технологий), увеличения коэффициента полезного действия водоподводящих устройств ;

2) уменьшении годового объема воды, потребной для разбавления возвратных вод за счет введения прогрессивных систем водоснабжения (оборотной, повторной), лучшей очистки возвратных вод, перенесения места возврата сточных вод в нижний бьеф;

3) уменьшении годового объема попусков в нижний бьеф за счет выбора максимального из единовременных попусков.

Альтернативный способ уменьшения расходной части ВХБ заключается в переносе водопотребителей в другие районы или уменьшении водопотребления за счет уменьшения объема производимой продукции.

3. Методы управления месячными ВХБ. При увязанном годичном водохозяйственном балансе месячные балансы могут иметь отрицательные значения. Если водопотребители должны использовать водные ресурсы в течение всего года, то необходимо применить управляющие воздействия для того, чтобы водохозяйственный баланс был положительным в каждом месяце. При этом можно выбрать:

1) пополнение стока за счет других водосборов (переброска стока);

2) уменьшение водопотребления в отдельные месяцы за счет уменьшения объема производимой продукции;

3) сезонное (годичное) регулирование стока.

Расчет годичного регулирования стока сводится к определению полезных объемов водохранилища и проводится отдельно для маловодного и многоводного периодов следующим образом. Предположим, что результирующие месячных ВХБ представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результирующие месячных ВХБ

Месяц	W, млн. м3
Январь	-W1
Февраль	-W2
Март	+W3
Апрель	+W4
Май	+W5
Июнь	+W6
Июль	-W7
Август	-W8
Сентябрь	-W9
Октябрь	+W10
Ноябрь	+W11
Декабрь	-W12

Для маловодного периода расчет проводится табличным способом. “Ходом назад”, начиная с последнего месяца маловодного периода, определяются диспетчерские объемы V_д, которые равны полезным объемам водохранилища V_пол (табл. 2). Знак минус означает, что баланс в i-ом месяце отрицательный, следовательно, величину W_i в этом месяце необходимо прибавить к величине диспетчерского объема последующего месяца. В противном случае (если W_i положителен) величину W_i нужно отнять от диспетчерского объема предыдущего месяца, т.е.

V_gi=V_gi+1 W_i, (1.19)

где V_gi - диспетчерский объем в i-ом месяце, V_gi=V_полi, где V_{пол i} - полезный объем водохранилища в i-ом месяце; V_gi+1 - диспетчерский объем в i+1 месяце (записанного ниже).

Таблица 2 Расчет полезных объемов для маловодного периода

Месяц	W, млн.м3	Vд, млн. м3
Июль	-W7	W2 +W1 +W12 -W11-W10+W9+W8+W7
Август	-W8	W2 +W1 +W12 -W11-W10+W9+W8
Сентябрь	-W9	W2 +W1 +W12 -W11-W10+W9
Октябрь	+W10	W2 +W1 +W12 -W11-W10
Ноябрь	+W11	W2 +W1 +W12 -W11
Декабрь	-W12	W2 +W1 +W12
Январь	-W1	W2 +W1
Февраль	-W2	W2

Для многоводного периода при расчете полезных объемов водохранилища в многоводном периоде необходимо воспользоваться зависимостью:

V_{пол i} = V_мах - V_{д i}, (1.20)

Многоводный период начинается после окончания маловодного периода (в примере с марта). Диспетчерские объемы также подсчитываются “ходом назад”, начиная с последнего месяца многоводного периода.

3. Определение приходной части водохозяйственного баланса

Цель работы: Научиться проводить расчет приходной части годового водохозяйственного баланса в целях обоснования строительства водохранилища.

Исходные данные:

1. Средний годовой расход воды Q_сг=10 м³/c.

2. Расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, равен нулю (Q_пг=0).

3. Попуск из вышележащего водохранилища отсутствует (W_поп=0).

4. Все потребители расположены в верхнем бьефе (табл. 3).

5. Система водоснабжения - прямоточная.

6. Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать (W_ф=0).

Таблица 3 Данные о водопотребителях

Вариант	Промышленность	Коммунально-бытовое водоснабжение	Орошение
	Wg, млн. м3	Квg	Wg, млн. м3	Квg	Wg, млн. м3	Квg
1	54	0,90	25	0,85	25	0,15
2	59	0,90	24	0,85	32	0,15
3	54	0,90	19	0,85	25	0,15
4	50	0,90	19	0,85	28	0,15
5	60	0,90	23	0,85	27	0,15
6	43	0,90	23	0,85	30	0,15
7	49	0,90	18	0,85	27	0,15
8	47	0,90	15	0,85	31	0,15
9	55	0,90	20	0,85	28	0,15
10	45	0,90	25	0,85	28	0,15
11	46	0,90	17	0,85	31	0,15
12	59	0,90	18	0,85	35	0,15
13	53	0,90	15	0,85	35	0,15
14	57	0,90	17	0,85	31	0,15
15	56	0,90	15	0,85	34	0,15
16	42	0,90	24	0,85	30	0,15
17	49	0,90	21	0,85	32	0,15
18	50	0,90	15	0,85	29	0,15
19	52	0,90	16	0,85	30	0,15
20	46	0,90	16	0,85	30	0,15
пример	50	0,90	15	0,85	30	0,15

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового ВХБ для створа водохранилища.

Ход выполнения работы:

1) по формуле (1.10) рассчитывается годовой объем стока W_с, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

2) по формуле (1.8) рассчитывается объем возвратных вод W_вg, поступающих в водоем выше рассматриваемого створа;

3) по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть ВХБ W_пр.

Пример:

1) W_с=10•60•60•24•365=315,36 млн. м³;

2) W_в=50•0,90+15•0,85+30•0,15=62,250 млн. м³;

3) W_пр=315,36+62,250=377,610 млн. м³.

Цель работы: Закрепить знания по разделам «Методология проектирования водохозяйственных систем» курса «Проектирование водохозяйственных систем». Научиться проводить расчет приходной части годового водохозяйственного баланса в целях обоснования строительства водохранилища.

Исходные данные:

1. Средний годовой расход воды Q_сг=6,3 м³/c.

2. Среднегодовой расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, составляет Q_пс=5,0 м³/с.

3. Попуск из вышележащего водохранилища составляет W_поп=60 млн. м³.

4. Все потребители расположены в нижнем бьефе (табл. 3).

5. Система водоснабжения - прямоточная.

6. Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать (W_ф=0).

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового ВХБ для створа водохранилища.

Ход выполнения работы:

1) по формуле (1.10) рассчитывается годовой объем стока W_с, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

2) по формуле (1.11) рассчитывается годовой объем стока подземных вод W_п, гидравлически не связанных с речным стоком;

3) поскольку водопотребители расположены в нижнем бьефе, объем возвратных вод принимается равным нулю;

4) по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть баланса W_пр.

Пример:

1) W_с=6,3•60•60•24•365=198,677 млн. м³;

2) W_п=5,0•60•60•24•365=157,680 млн. м³;

3) W_в=0 млн. м³;

4) W_пр=198,677+157,680+60,0=416,357 млн. м³.

Цель работы: Закрепить знания по разделам «Методология проектирования водохозяйственных систем» курса «Проектирование водохозяйственных систем». Научиться проводить расчет приходной части годового водохозяйственного баланса в целях обоснования строительства водохранилища.

Исходные данные:

1. Средний годовой расход воды Q_сг=12 м³/c.

2. Среднегодовой расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, отсутствует.

3. Попуск из вышележащего водохранилища составляет W_поп=15 млн. м³.

4. В нижнем бьефе расположены животноводческие фермы с объемом водопотребления 5 млн. м³/год и коэффициентом возврата 0,5. Информация о других потребителях, расположенных в верхнем бьефе, приведена в табл. 3.

5. Все потребители, кроме промышленности, имеют прямоточную систему водоснабжения, промышленность - оборотную.

6. Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать (W_ф=0).

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового ВХБ для створа водохранилища.

Ход выполнения работы:

1) по формуле (1.10) рассчитывается годовой объем стока W_с, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

2) по формуле (1.8) рассчитывается объем возвратных вод W_вg, , поступающих в водоем выше рассматриваемого створа; поскольку животноводческие фермы расположены в нижнем бьефе, объем возвратных вод животноводства равен нулю; также равен нулю объем возвратных вод промышленности;

3) по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть баланса W_пр.

Пример:

1) W_с=12•60•60•24•365=378,432 млн. м³;

2) W_в=15•0,85+30•0,15=17,25 млн. м³;

3) W_пр=378,432+17,25+15,0=410,682 млн. м³.

Размещено на Allbest.ru

...