Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет элементов ледотермического режима нижнего бьефа гидроузла

1.1 Ледотермический режим нижнего бьефа ГЭС

Строительство на реке водохранилища, как правило, является причиной существенного изменения гидрологического, а в его рамках и ледового режима участка водотока ниже гидроузла. В самом водохранилище и в определенной мере в русле реки ниже гидроузла изменяются морфологические и гидравлические условия, которые совместно с климатическими и метеорологическими факторами определяют ледовый режим водотока в нижнем бьефе.

Возникновение и развитие ледовых явлений и процессов в водотоке ниже гидроузла существенным образом зависят от размеров водохранилища и его функционального назначения. В нижних бьефах комплексных и энергетических гидроузлов на характер развития ледовых процессов сильно влияет режим работы гидроэлектростанций, обеспечивающих покрытие пиков графика нагрузки энергосистемы, а также других водосбросных сооружений гидроузла.

В период ледостава сброс воды из водохранилища в нижний бьеф производится через глубинные водоводы, вследствие чего температура воды ниже плотины составляет 1,5-5,0С и для ее охлаждения до температуры замерзания необходимо некоторое время, зависящее от условий теплообмена речного потока с атмосферой. На интенсивность этого процесса влияют метеорологические факторы (температура и влажность воздуха, скорость ветра), а также скорость течения и колебания глубины вследствие энергетических попусков воды ГЭС. Поэтому в нижнем бьефе гидроузлов практически всех водохранилищ России зимой существует открытый участок водной поверхности реки (полынья), протяженность которой изменяется в зависимости от расхода воды и интенсивности ее теплоотдачи. Зимой в морозную погоду полыньи являются "фабриками" шуги и туманов. Шуга, образовавшаяся на переохлажденном участке открытой водной поверхности перед кромкой ледяного покрова, при определенных условиях может подныривать под лед и скапливаться ниже по течению реки, формируя зажор, приводящий к повышению уровня воды и выходу ее на лед с последующим образованием наледей и развитием зимних наводнений. К отрицательным последствиям приводит и туман, вызывающий в морозную погоду обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.

Отмеченные ледотермические явления характерны особенно для сибирских (в условиях устойчивого зимнего антициклона) и горных рек. Так, на Енисее ниже Саяно-Шушенского гидроузла длина полыньи (до сооружения Майнской ГЭС) достигала 140 км, ниже Красноярской ГЭС в разные годы она колебалась от 40 до 220 км и более (до 500 км). На Новосибирском гидроузле длина полыньи колеблется от 10 до 30 км, на Хантайском - от 10-15 км (в суровые зимы) до 30-35 км (в теплые зимы), на Курейском - от 4 до 20 км, на Усть-Илимском - более 40 км, на Вилюйском - от 30 до 80км. Сооружение Иркутского водохранилища создало условия для замерзания естественной полыньи, всегда существовавшей в истоке Ангары. После строительства гидроузла размеры полыньи в нижнем бьефе Иркутской ГЭС колеблются от 4 до 49 км, что намного меньше прежде формировавшейся в истоке Ангары. В тоже время после заполнения Воткинского водохранилища на Каме полынья в нижнем бьефе Камской ГЭС сократилась с 13-30 до 1,5-15 км, и у г. Перми восстановился устойчивый ледостав.

Нередко ниже основной кромки льда образуются вторичные полыньи, например, на перекатах. Ниже Вилюйских ГЭС вторичная полынья при больших скоростях течения на перекатах располагается в 200 км от плотины.

Участок нижнего бьефа, находящийся в зоне пульсации кромки ледяного покрова, характеризуется неустойчивым ледовым режимом. Под влиянием суточного и недельного регулирования стока ГЭС здесь в течение зимнего периода происходит смена ледовых явлений - чередование ледостава с ледоходом и шугоходом. Кроме того, во время повышенных попусков на ГЭС в результате нарушения гидродинамической устойчивости и срыва кромки ледяного покрова в нижнем бьефе может происходить образование заторов льда, сопровождающееся подъемом уровня воды и возможным развитием зимнего наводнения.

Согласно рекомендациям [10,30] следует различать три основных ледотермических режима водотока:

· в период зимних похолоданий, когда происходит перемещение кромки ледяного покрова вверх по течению (режим наступления кромки); режим имеет место, когда створ нулевой изотермы расположен выше кромки льда, и сопровождается уменьшением длины полыньи;

· в период зимних оттепелей или весенних потеплений, когда происходит отступление кромки ледяного покрова; режим имеет место, когда к кромке подходит вода с положительной температурой, и сопровождается увеличением длины полыньи;

· в стабильных метеоусловиях, когда кромка ледяного покрова не перемещается (режим стабилизации кромки).

С точки зрения влияния водохранилища на термические условия и развитие ледовых явлений и процессов в нижних бьефах гидроузлов водоток ниже плотины можно разделить на характерные участки.

В режиме наступления кромки нижний бьеф можно разделить на следующие участки: 1 - охлаждения воды от сброса до створа нулевой изотермы; 2 - от створа нулевой изотермы до створа начала внутриводного ледообразования; 3 - от створа начала внутриводного ледообразования до створа максимального переохлаждения; 4 - от створа максимального переохлаждения до створа наибольшей интенсивности шугообразования; 5 - от створа наибольшей интенсивности шугообразования до створа полного покрытия поверхности воды шугой и повышения температуры воды до 0С; 6 - от створа полного покрытия поверхности воды шугой до створа формирования устойчивого ледяного покрова.

В режиме стабилизации кромки сохраняются участки 1 и 6. В режиме отступления кромки имеются три участка: 1 - охлаждения воды от сброса до температуры воды у кромки (0С); 2 - охлаждения воды под ледяным покровом до 0С; 3 - от створа нулевой изотермы вниз по течению. К основным элементам ледотермического режима нижнего бьефа относятся: температура воды, расход шуги, длина полыньи, толщина льда. Практический интерес представляет расчет этих элементов, а также определение координат характерных створов. Из формулы (6.6) при t=0С можно найти условие для определения координаты створа нулевой изотермы

X_o = c_вв Q/ (₁b) ln (1 - t_НБэ), (1.1)

полученное решением уравнения теплового баланса движущегося отсека жидкости (6.1) для установившегося гидравлического режима и постоянных морфометрических характеристик русла. В формуле (1.1) ₁ - коэффициент теплообмена воды с воздухом, _э - эквивалентная температура воздуха, b - ширина потока в нижнем бьефе, t_НБ - температура воды, поступающей в нижний бьеф. Если по длине нижнего бьефа имеются забереги, то вместо ширины русла b в формулу (1.1) подставляется величина b_НБ:

b_НБ = b-b_З, (1.2)

где ширина заберегов b_З рассчитывается по формуле Р.А. Нежиховского

b_З = b (1-m), (1.3)

в которой m=0,42^0,2+К; коэффициент К для русел с мелководными зонами и пологими берегами равен 0,525, при отсутствии мелководных зон и крутых берегах К=0,465. На шугообразующем участке, когда имеет место всплытие шуги, дифференциальное уравнение теплового баланса для определения средней по глубине температуры воды имеет вид

c_вв Qdt/dx=₁b (t _{- э}) (1-_ш) - _шVh_шш, (1.4)

где h_{ш -} толщина шуговых скоплений, определяемая по (1.5), _ш - коэффициент покрытия водной поверхности шуго-ледяными образованиями, _ш - плотность шуги, - удельная скрытая теплота ледообразования.

h_ш=h_нш, (1.5)

где h_н - минимальная устойчивая толщина льда на кромке.

Координата створа наибольшей интенсивности шугообразования определяется из условия

dS_ш/dx=0, (1.6)

где S_ш - интенсивность шугообразования

S_ш=₁b (t _{- э}) (1-_ш). (1.7)

В случае, когда кромка льда в режиме ее стабилизации совпадает с положением нулевой изотермы, длину полыньи (расстояние от створа гидроузла до кромки льда) следует рассчитывать по формуле (1.1). Для режимов наступления и отступления кромки, в том числе с учетом воздействия тепловых стоков и снегопадов, расчет длины полыньи производится согласно методике [30, 31], а в условиях суточного и недельного регулирования мощности на ГЭС - [46].

Для действующих ГЭС начальное положение кромки льда определяется по данным натурных наблюдений.

Для проектируемых ГЭС или в случае отсутствия данных о начальном положении кромки при проведении поверочных расчетов для действующих ГЭС начальное положение кромки льда рассчитывается по формуле

X_{к. н.} =2 h_{нл ш} V/ (₁ (-_э)) Х_Н + X_o, (1.8)

где Х_Н - безразмерный параметр, определяющий соотношение между интенсивностью теплообмена воды с атмосферой и объемной скрытой теплотой кристаллизации, которая выделяется при образовании шуги, формирующей кромку, при толщине льда на кромке h_н, в единицу времени; параметр Х_Н находится по графику на рис.1.4 либо по известному предледоставному расходу шуги Q_ш.0, либо по ширине заберегов в предледоставный период b_З, измеренной у створа, ближайшего к кромке льда.

Если задан предледоставный расход шуги Q_ш.0, то следует рассчитать параметр

П_Q = Q_ш.0/ (b_НБ V h_н) (1.9)

и по известному значению параметра П_Q и по графику Q_ш (Х) найти Х_Н. Если задана ширина заберегов b_З, то следует определить степень покрытия шугой водной поверхности вблизи кромки льда в предледоставный период

_ш.0 = 1 - b_З / b (1.10)

и по известному значению _ш.0 и графику _{ш. (}Х) на рис.1.4 найти параметр Х_Н.

Условия существования того или иного режима движения кромки ледяного покрова представлены в табл.1.1.

Таблица 1.1

Режимы движения кромки льда

Примечания: Х_{о -} положение (координата) створа нулевой изотермы;

Х_{к. о} - положение кромки в начале расчетного периода.

В течение зимы кромка льда в нижнем бьефе меняет свое положение в зависимости от режима регулирования стока и погодных условий зимнего периода. Скорость перемещения кромки льда на различных гидроузлах и участках нижнего бьефа может изменяться от одного до нескольких десятков километров в сутки (например, на Братской ГЭС от 0,9 до 22 км/сут, Волжской ГЭС от 1 до 35 км/сут).

Со второй половины зимы кромка льда начинает постепенно отступать вниз по течению со скоростью 2,3-30 км/сут.

В зависимости от метеорологической обстановки и гидродинамических условий в зоне кромки ледяного покрова могут наблюдаться три типа ледовой обстановки:

Первый - при скорости потока v u_v, когда шугоход имеет тенденцию к постоянному затуханию перед кромкой льда.

, (1.11)

где - пористость шуги, h_{к -} глубина воды на кромке. При этом вся шуга, участвующая в шугоходе, оказывается сплоченной на поверхности воды.

Второй тип ледовой обстановки характеризуется наличием интенсивного шугохода и резко очерченной кромки льда. Шуга легко заносится течением под лед и лишь в небольшом количестве задерживается на поверхности, где она идет на приращение ледяного покрова. Процесс характеризуется состоянием потока, для которого справедливо условие v u_v. Повышенные сбросные расходы в створе плотины и наличие в полынье и ниже ее шуги нередко приводят к формированию зажоров в зоне кромки льда и к разрушению ледяного покрова ниже кромки с последующим образованием заторов.

Третий тип ледовой обстановки соответствует случаю отсутствия шуги в полынье. Границы участков при этом типе ледовой обстановки находятся в постоянной динамике, изменяясь в зависимости от развития метеорологических и гидравлических условий в нижнем бьефе.

Существенное влияние на интенсивность ледовых явлений и процессов на участке реки ниже гидроузла может оказать выпавший на водную поверхность снег, наличие которого может привести к образованию снежуры и снежного льда.

Разрушение льда и вскрытие участка нижнего бьефа гидроузла начинается с наступлением теплой весенней погоды и сопровождается снеготаянием, а иногда и выпадением дождевых осадков. По сравнению с периодом зимней межени повышение водности реки вследствие снего - и ледотаяния на водосборном бассейне и в водохранилище приводит к формированию в водотоке паводковых расходов, требующих большей пропускной способности водосбросных сооружений гидроузла. Интенсивность разрушения льда и возникновение ледохода в нижнем бьефе зависят от объемов и характера попусков воды из водохранилища, а также физико-механического состояния ледяного покрова.

Вскрытие нижних бьефов происходит на 1-2 мес. раньше, чем вскрытие реки в естественных условиях.

1.2 Тепловой расчет полыньи в нижнем бьефе ГЭС