Комплексное использование водных ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексное использование водных ресурсов

План

1. Каскадное освоение водных ресурсов

2. Основные схемы использования водной энергии

3. Каскады гидроэлектростанций и водохранилищ

4. Комплексное использование водных ресурсов

1. Каскадное освоение водных ресурсов

Развитие гидроэнергетики осуществляется главным образом за счет каскадного освоения водных ресурсов. В этих условиях гидроэнергетические ресурсы отдельных рек используются не одной гидроэлектростанцией, а несколькими, последовательно расположенными друг за другом.

При этом в каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные гидроэлектростанции. Как показывает практика, каскадные схемы позволяют полнее и экономичнее использовать энергетический потенциал реки, поскольку они, в частности, уменьшают энергетические потери водотока. Энергоэкономическая эффективность каскада при проектировании определяется количеством ступеней и месторасположением каждого гидроузла, определяющего размеры водохранилища, напора, мощности и капитальных вложений. Особое значение при этом приобретают экологические аспекты.

Энергоэкономическая эффективность действующих каскадов при заданном естественном режиме речного стока определяется исключительно оптимальным распределением нагрузки между отдельными электростанциями системы и характером требований на воду со стороны других отраслей народного хозяйства, которые при этом должны выполнять отдельные ГЭС.

Кроме повышения энергетической эффективности каскадные схемы позволяют существенно повысить эффективность использования стока и другими отраслями народного хозяйства.

Использование водных ресурсов одновременно несколькими отраслями народного хозяйства называется комплексным. Комплексное использование обеспечивает от данного гидроузла больший экономический эффект, чем использование их какой-либо одной отраслью народного хозяйства.

Участники (компоненты) комплексного использования образуют водохозяйственный комплекс. Те из компонентов водохозяйственного комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении некоторого времени, иногда достаточно длительного, может вновь поступить в водооборот, но уже в другом створе или даже в другом бассейне.

При этом многие водопотребители возвращают воду существенно худшего качества. Те же участники комплекса, которые полностью или почти полностью возвращают после использования воду того же качества (например, ГЭС) или совсем ее не изымают из водотока (например, водный транспорт), называются водопользователями.

Каждый вид водопользования предъявляет свои требования к качеству воды. Наиболее разнообразные требования, диктуемые технологическими процессами производства, предъявляет промышленность. Для некоторых технологических процессов к качеству воды предъявляются более высокие требования, чем к питьевой.

2. Основные схемы использования водной энергии

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

1) плотинная схема, когда напор создается плотиной;

2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией.

Плотины имеются во всех трех схемах.

Плотинная схема (рисунок 1а) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах А и В равна HoДh. Часть общего падения Дh будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е., напор будет равен Н0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рисунок 2а).

Где:

1 - лес, вырубаемый для очистки ложа водохранилища;

2 - завод, эвакуируемый из зоны затопления;

3 - эвакуируемые жилые помещения;

4 - плотина.

Далее…

Где:

1 - здание ГЭС;

2 - водосливная плотина;

3 - глухая земляная плотина;

4 - кран для подъема и опускания затворов.

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре. При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды. Подвод воды к турбинам ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, прокладываемыми в обход плотины.

Где:

1 - водосливная плотина;

2 - кран для подъема и опускная затворов;

3 - станционная плотина;

4 - здание ГЭС;

5 - турбинный водовод.

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации.

На рисунке 4а приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор.

Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

Дальше…

При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рисунок 5), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деривация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рисунок 5). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рисунок 4).

Где:

1 - русло реки;

2 - плотина;

3 - водоприемник;

4 - напорный тоннель;

5 - уравнительный резервуар;

6 - помещение затворов;

7 - турбинные трубопроводы;

8 - подпорные стены;

9 - однотурбинная ГЭС;

10 - ЛЭП.

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рисунок 4а). Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда - шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной. Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больших уклонах свободной поверхности воды в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е., может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рисунок 6).

Где:

1 - поверхность воды в естественных условиях;

2 - водохранилище;

3 - плотина;

4 - деривация;

5 - гидростатический уровень;

6 - пьезометрическая линия;

7 - турбинный водовод;

8 - здание ГЭС;

Н0 - падение давлений в устье А-В;

Нпл - падение давлений от пункта А до плотины;

Ндер - падение давлений от плотины до здания ГЭС;

hА-В - потери напора в реке и в сооружениях.

На используемом участке реки А-В при неизменной отметке верхнего бьефа ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота.

При этом уменьшается размер водохранилища, т. е., уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

3. Каскады гидроэлектростанций и водохранилищ

Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад, в котором могут быть плотинные и деривационные ГЭС. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек. Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п., выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов.

При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические условия.

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.

4. Комплексное использование водных ресурсов

По запасам водных ресурсов Казахстан не уступает никому в мире. Для многих районов вода определяет развитие и специализацию народного хозяйства. Особую остроту приобретает проблема пресной воды для коммунального и промышленного водоснабжения и потребность в воде для орошения и обводнения земель.

Использование водотока только в энергетических целях возможно лишь в тех случаях, когда потребность других отраслей народного хозяйства или более экономично удовлетворяется без использования данного водотока. Чаще всего водоток выгодно использовать в интересах нескольких отраслей народного хозяйства. Можно выделить основные направления использования водных ресурсов России:

1) водоснабжение (коммунальное, промышленное, водоснабжение тепловых электростанций) с последующим отводом воды (канализация);

2) орошение (ирригация) и обводнение земель;

3) гидроэнергетика (использование механической энергии водных потоков);

4) использование водной среды для транспорта и лесосплава;

5) использование водной среды для рыбного хозяйства;

6) использование рек и водоемов для отдыха населения и спорта.

Водотоки и водоемы используются также в качестве приемников избыточной воды, отводимой с осушаемых территорий, приемники промышленных и хозяйственных бытовых стоков, которые предварительно должны быть почти полностью очищены согласно требованиям санитарной охраны водоемов.

Водотоки и водоемы могут быть использованы для биохимической самоочистки воды, загрязненной этими, в известной мере очищенными стоками. Наряду с использованием водных источников приходится вести борьбу с вредными воздействиями - с наводнениями, селевыми (грязевыми) выносами, оползнями, образованием оврагов, размывом берегов водохранилищ, эрозией почв, заключающейся в смыве ценных почв и т. п.

В водном хозяйстве выделяют водопотребителей и водопользователей. Водопотребители использует большую часть воды без возврата ее в водный источник, как например, при орошении полей.

Водопользователь полностью или почти полностью возвращает воду того же качества.

Например, вода, использованная для выработки электрической энергии на ГЭС, снова возвращается в реку.

Использование водных ресурсов для удовлетворения потребностей нескольких отраслей народного хозяйства называют комплексным. В комплексном гидроузле плотина и создаваемое ею водохранилище служат для удовлетворения потребностей нескольких отраслей народного хозяйства.

В состав гидроузла входят также отраслевые (специфические) сооружения участников комплексного использования данного водотока, например здание гидроэлектростанции, судоходный шлюз, водоприемник для водоснабжения, водоприемник для орошения земель, сооружения для пропуска мигрирующих рыб и т. п.

Для реализации эффекта комплексного гидроузла необходимо построить сопутствующие сооружения - повышающую подстанцию и линию электропередачи от ГЭС до приемной подстанции, ирригационный канал, трубопровод, туннель или канал для водоснабжения и т. п.

Комплексный гидроузел вместе с сопутствующими сооружениями называется комплексной водохозяйственной системой или сокращенно водохозяйственным комплексом. При объединении водного хозяйства нескольких комплексных гидроузлов образуется объединенная комплексная водохозяйственная система.

Состав участников и параметры водохозяйственного комплекса должны быть экономически обоснованны. В комплекс не должны включаться те водопотребители и водопользователи, потребности которых более экономично удовлетворяются вне данного водохозяйственного комплекса. Эффективное решение проблемы комплексного использования водных ресурсов, выбор оптимальных параметров и режима работы комплекса возможны только на основе глубокого и всестороннего анализа большого круга вопросов с учетом перспектив развития народного хозяйства и отдельных его отраслей. Важнейшими вопросами являются определение экономической эффективности комплекса и согласование часто противоречащих друг другу требований отдельных участников комплекса к использованию водных ресурсов.

Для большинства основных водопотребителей и водопользователей требуется сооружение водохранилищ. В повышении расхода рек в маловодные сезоны и в маловодные годы заинтересованы ирригация, водоснабжение, гидроэнергетика, органы санитарной охраны рек т. п.

Однако для гидроэлектростанций вода требуется в большей мере зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая, а для орошения земли вода необходима летом.

Благодаря высоким маневренным качествам гидроэлектростанции используются для покрытия утреннего и вечернего пиков электрической нагрузки. В период ночного и дневного (обеденного) снижения электрической нагрузки гидроэлектростанции работают с меньшей мощностью или совсем останавливаются. При этом в нижнем бьефе ГЭС в течение суток происходят резкие колебания расходов и уровней, а для орошения полей обычно требуется равномерная подача воды. Для судоходства также желательны, возможно, более постоянные уровни. Оптимальным считается удовлетворение требований отдельных водопользователей и водопотребителей, который дает наибольший суммарный эффект. гидротехнический производственный водохранилище

При комплексном использовании водотока для ирригации и энергетики целесообразно в верховьях рек сооружать энергетические водохранилища, вода из которых используется в период больших электрических нагрузок (зимой) на возможно большом напоре. В среднем и нижнем течении реки может потребоваться сооружение ирригационного водохранилища, которое заполняется зимой и дает воду для орошения полей летом.

Если ирригационный водозабор размещается в нижнем бьефе гидроэлектростанции, работающей с суточным регулированием, то ниже ГЭС может потребоваться сооружение бассейна обратного суточного перерегулирования расхода воды для того, чтобы обеспечить для орошения полей равномерную подачу воды в течение суток.

Промышленное и коммунальное водопотребление характеризуется сравнительно ровным годовым графиком.

Для водоснабжения промышленности и тепловых электростанций применяется прямоточная или оборотная циркуляционная система.

В прямоточной системе вода забирается из реки, используется в технологическом процессе промышленного предприятия и после соответствующей очистки большая часть воды снова возвращается в реку.

При оборотной системе водоснабжения отработавшая вода после очистки снова используется в технологическом процессе промышленности. Из реки или из другого водного источника восполняется лишь объем воды, использованный в качестве сырья, воды, потерянной на испарение и фильтрацию, и особо загрязненной воды, требующей очень дорогой очистки. На тепловых электростанциях вода используется для охлаждения конденсаторов. В случае оборотной системы отработавшая вода поступает в пруды-охладители и охлаждается в градирнях.

Для водного транспорта необходимо обеспечить судоходные глубины, построить шлюзы, судоподъемники или судовозные дороги для перехода судов из верхнего в нижний бьеф и обратно. Для поддержания глубин на мелких участках реки, не перекрытых подпором от плотин, производится дноуглубление и выправление русла.

Отработка водохранилищ в навигационный период ограничивается по условиям обеспечения необходимых судоходных глубин. По этим причинам иногда приходится ограничивать колебание уровней в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. В крупных водохранилищах устраиваются порты - убежища для отстоя судов во время больших штормов.

При плотинах в необходимых условиях строятся рыбопропускные сооружения (рыбоходы, рыбоподъемники) для пропуска проходных рыб в верховьях рек к местам их нерестилища. Необходимо также обеспечивать условия прохода мальков из верхнего в нижний бьеф. В ряде случаев оказывается нецелесообразной постройка рыбозаводов и устройство искусственных нерестилищ ниже плотин. Для заполнения нерестилищ должны производиться весной пропуски воды из водохранилищ и ограничиваться суточное регулирование расходов вышерасположенной ГЭС с тем, чтобы икринки всегда были в воде. Рыбное хозяйство предъявляет жесткие требования к очистке сточных вод промышленности и коммунального хозяйства. Водохранилища с достаточно чистой водой могут эффективно использоваться для разведения соответствующих пород рыб.

Акватории и берега водохранилища могут быть использованы для спорта и отдыха населения.

Размещено на Allbest.ru