Водохозяйственная система с водохранилищем многолетнего регулирования стока и каналом межбассейновой переброски - Курсовая работа

Оценка водных ресурсов реки и характеристика их использования Водный режим, параметры стока, его изменение по длине реки, внутригодовое распределение Определение свободных водных ресурсов бассейна реки-донора Расчетная схема вариантов мероприятия для удовлетворения требований, развивающегося ВХК Постановка задачи оптимизации и определение оптимального варианта параметров водохозяйственной системы.

1. Цели и задачи проектирования

Цель: обоснование параметров водохозяйственных систем в бассейне реки Рыбница в условиях перспективного развития существующего водохозяйственного комплекса. Динамическое развитие одной из отраслей создает необходимость многолетнего регулирования стока с привлечением дополнительных водных ресурсов смежного речного бассейна. В составе перспективных задач следующее: 1. подготовка гидрологической информации, включая основные гидрологические характеристики на основе данных наблюдений, а также моделирование стока для усиления репрезентативности расчетных данных

2. постворные водохозяйственные балансы с учетом водохозяйственного районирования

3. построение анализирующей зависимости «емкость водохранилища - гарантированная водоотдача» с использованием обобщенного метода расчета, то есть по обобщенным параметрам стока и водопотребления

4. выбор варианта емкости регулирования и объема переброски на основе оптимизационных методов (динамическое программирование)

5. разработка правил управления водохранилища многолетнего регулирования стока

6. определение противопаводочной емкости водохранилища и пропускной способности водосбросных сооружений

7. фрагменты инженерных сооружений в составе водохранилищного гидроузла

8. технико-экономические показатели и качественная оценка влияния водохозяйственного комплекса на окружающую среду

2. Оценка водных ресурсов реки и характеристика их использования

Бассейн реки Рыбница расположен в Орловской области. Длина реки составляет 59км, площадь водосборной площади 709км2. Основными притоками являются Малая Рыбница, Путимец, Вишневец и Стишь. Рассматриваемая река является одним из притоков реки Оки. Питание у реки грунтовое, снеговое, дождевое, то есть мешанное. Климат формируется под влиянием атлантических и континентальных воздушных масс, таким образом он является умеренно континентальным. Зима умеренно холодная с частыми оттепелями. Средняя температура января около -10° С. Наиболее низкие температуры воздуха в Орле достигают

-44,4° С. Весной нередки возвращение холодов, иногда сопровождающиеся выпадением снега. Лето теплое. Средняя температура воздуха самого теплого месяца - июля составляет 18- 19° С. Продолжительность вегетационного периода 170 - 185 дней.

Осадков больше всего выпадает в центральных районах области, количество которых составляет 450 - 580мм в год. За летний период выпадает 35 - 40% годовой суммы осадков, а зимой в виде снега 24 - 31%. В данной области преобладают выщелоченные черноземы. Они занимают до 40% территории. На светлосерые, серые и темносерые лесные оподзоленные почвы приходится около 25%, а на типичные черноземы - 5 - 6%.

В таблице 1 представлено внутригодовое распределение осадков, испарения и температуры воздуха.

Таблица 1. Среднемноголетние величины осадков, испарения и температуры воздуха

Фактор Месяцы Год

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ос, мм 23 29 32 39 56 73 77 52 46 47 33 36 549

Ес, мм

Ев, мм 55 100 120 105 95 65 40 30 610 t°, С -10,1 -9,7 -4,7 4,4 12,8 15,9 18,2 17,0 11,3 5,0 -1,3 -7,2 4,3

Область расположена в подзонах смешанных и широколиственных лесов и в зоне лесостепи. Основная часть территории области распахана. Леса и кустарники занимают около 8% всей площади области. Наибольшее количество лесов находится в западных районах. Основной лесообразующей породой является дуб обыкновенный; сопутствующие виды: липа, клен, ясень и вяз. Кроме того, растут дикая яблоня, дикая груша, черемуха, рябина, клен полевой, крушина ломкая, бересклет бородавчатый, бересклет европейский, жимолость лесная, калина, шиповник, барбарис, барышник, а восточных и юго-восточных районах - терн и степная вишня. Степная растительность сохранилась главным образом в местах, мало доступных для распашки и выпаса скота - по крутым берегам рек и оврагов. Количество видов степной растительности резко увеличивается с запада на восток. Из характерных представителей северных луговых степей встречаются ковыль узколистный, ковыль перистый, козелец пурпурный, астра дикая. Луговая растительность связана с многочисленными речными долинами, оврагами и балками. Под лугами занято 7% площади, в том числе под заливными 1,2%.

2.1 Поверхностные водные ресурсы

Поверхностные водные ресурсы представлены рекой Рыбница и ее притоками.

2.1.1 Водный режим, параметры стока, его изменение по длине реки, внутригодовое распределение

Водные ресурсы используются для нужд водоснабжения города, сельской местности, рекреации, промышленности, орошения, животноводства.

Модуль среднемноголетнего стока составляет 3,7л/сек.км2, минимальный расход 95% обеспеченности - 1480м3/сек, общий уклон реки - 0,0013, уклон территории водосбора 21‰, норма стока (среднемноголетний объем стока реки) составляет 82,74км3, среднегодовые расходы: · Q95%=1,480м3/сек

· Q75%=2,05м3/сек

· Q50%=2,54м3/сек

Среднегодовые объемы для тех же лет составляют: · W95%=46,56млн.м

· W75%=64,52млн.м3

· W50%=79,65млн.м3

Площадь угодий составляет: · fозер<1%

· fболот<1%

· fлеса=4%

· fпашни=75%

Назначение расчетных балансовых створов

В результате предварительного водохозяйственного районирования в проекте определены границы водохозяйственных участков, которые ограничиваются расчетными водохозяйственными створами (рис. 1).

Оценка водообеспеченности в данном проекте выполняется на основе постворного ВХБ. В ответственных масштабных проектах расчет выполняется по многолетним гидрологическим рядам стока и водопотребления. С целью сокращения объемов расчетов используются расчетные маловодные годы с 75% и 95% обеспеченностью. В привязке вышеуказанного хозяйственного участка определены показатели водопотребления и расчетные гидрологические характеристики.

Таблица 2. Водохозяйственные показатели

ВХУ Водопотребители

КБХ Промышленность Орошение Животноводство Рекреация Итого

ПВ БВ ПВ БВ ПВ БВ ПВ БВ ПВ БВ ПВ БВ

0 - 3 0,97 0,316 0,05 0,05 1,02 0,366

3 - 2 0,97 0,316 0,05 0,05 0,35 0,105 1,37 0,471

2 - 1 0,97 0,316 0,05 0,05 6,205 5,58 0,09 0,09 0,35 0,105 7,665 6,141

Таблица 3. Основные гидрологические характеристики

№ водохозяйственного створа Fводосбора, км2 L, км , млн.м3CVRAОБЕСПЕЧЕННЫЕ объемы стока

10 25 50 75 95

3 204,3 17 23,84 0,3 0,4 33,38 28,13 23,12 18,69 13,47

2 314,8 26,2 36,74 0,3 0,4 51,44 43,35 35,64 28,80 20,76

1 709 59 82,74 0,29 0,4 115,84 97,63 80,26 64,87 46,75

В реальном проекте для определения гидрологических параметров используются аналоги для тех створов, в которых отсутствуют или недостаточно наблюдений. Экспертная оценка гидрологических характеристик может выполняться на основе зависимости или , но обязательно опираясь на какой-то известный створ данной реки или реки-аналога.

В учебном проекте будем считать, что модуль стока не меняется по длине реки.

Для определения Cv в промежуточных створах используем формулу Воскресенского:

Коэффициент автокорреляции характеризует внутрирядную связь между стоками смежных лет. Принимаем ra в зависимости от модуля стока. Так как q=3,7 л/с км2, то ra=0,4.

По данным таблицы строим совмещенный график кривых обеспеченности в расчетных створах.

Таблица 4. Расчетное внутригодовое распределение стока лет характерной водности.

№ ВХС P Календарные месяцы водохозяйственного года

4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3

3 50 23,1 14,2 3,1 0,8 0,4 0,5 0,6 0,5 0,6 0,7 0,5 0,4 0,8

75 18,7 10,1 3,6 0,7 0,2 0,3 0,4 0,3 0,4 0,5 0,3 0,3 1,6

95 13,5 7,4 2,7 0,4 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,4 0,2 0,2 1,3

2 50 35,6 21,9 4,8 1,2 0,7 0,8 0,9 0,8 0,9 1,0 0,7 0,6 1,3

75 28,8 15,5 5,6 1,1 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7 0,5 0,4 2,7

95 20,8 11,5 4,1 0,6 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,6 0,4 0,3 1,9

1 50 80,3 49,4 10,8 2,6 1,5 1,8 2,0 1,8 1,9 2,5 1,6 1,3 3,1

75 64,9 34,9 12,6 2,3 0,7 1,0 1,2 1,1 1,4 1,7 1,1 1,0 5,9

95 46,7 25,7 9,3 1,4 0,4 0,6 0,7 0,7 0,8 1,3 0,8 0,7 4,3

Внутригодовое распределение стока несколько различается даже для лет одной обеспеченности, а для разных по водности лет оно различается очень существенно.

2.1.2 Моделирование расчетного гидрологического ряда

Используется искусственная гидрологическая информация в следующих случаях: · наблюденных данных недостаточно для получения репрезентативной базы данных, а аналоги отсутствуют

· проектируемые ВХС охватывают значительную территорию, поэтому надежная водохозяйственная оценка возможна при учете всех функциональных и корреляционных связей между водотоками, которые затрагиваются в проекте

Для моделирования искусственных рядов стока используются различные стохастические модели, в частности для моделирования годового стока существует несколько модификаций простой цепи Маркова. Эта цепь предусматривает линейную корреляцию между объемами стока смежных лет, либо между их нормализации, либо между их обеспеченностями.

В данном проекте рассматривается методика моделирования отдельного стокового ряда на основе авторегрессии первого порядка между обеспеченностями стока смежных лет. Используется уравнение:

Pi 1 - искомая обеспеченность

Pi - обеспеченность предшествующего года

- случайная независимая равномерно распределенная величина

Моделирование выполняется для замыкающего створа по бассейну.

Таблица 5.

№ года Обеспеченность года Р Объем стока Календарные месяцы водохозяйственного года

4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3

1 49,51 80,3 49,4 10,8 2,6 1,5 1,8 2,0 1,8 1,9 2,5 1,6 1,3 3,1

2 3,13 135,7

3 24,96 97,6

4 20,80 102,6

5 83,59 61,6 33,1 12,0 2,2 0,7 0,9 1,2 1,0 1,3 1,6 1,0 0,9 5,7

6 32,86 93,5

7 6,53 127,4

8 67,03 68,1

9 65,30 74,3

10 93,57 46,7 25,7 9,3 1,4 0,4 0,6 0,7 0,7 0,8 1,3 0,8 0,7 4,3

11 99,84 26,4

12 68,15 68,1

13 96,35 42,8

14 1,85 150,6

15 42,43 86,9

16 73,39 64,9

17 95,34 46,7

18 83,96 61,6

19 59,62 74,3

20 57,11 74,3

21 85,52 53,0

22 76,84 61,6

23 75,29 64,9

24 72,54 64,9

25 64,91 74,3

256 9,15 115,8

27 27,9 93,5

28 33,76 93,5

29 24,34 97,6

30 59,98 74,3

Продолжительность расчетных гидрологических рядов определяется из условия не превышения среднеквадратичных ошибок среднего и коэффициента вариации. При этом сам ряд должен быть репрезентативным, то есть содержать примерно одинаковое число маловодных и многоводных циклов. Среднеквадратичная ошибка среднего:

Тогда n?33,6. Наш расчетный ряд должен иметь длину в 34 года.

Как видно из рисунка 6 замоделированный ряд располагает как маловодными, так и многоводными циклами, и является репрезентативным.

3. Определение свободных водных ресурсов бассейна реки-донора

При обосновании водохозяйственных проектов, содержащих элементы перераспределения стока, необходимо оценивать реальные возможности бассейна-донора: · водохозяйственная способность бассейна и реальные объемы изъятия, не вызывающие истощения и деградацию этого водного объекта

· исследование возможностей технического водозабора

· пропускная способность тракта-переброски, трактом может быть канал, туннель

В данном проекте будем считать, что параметры стока реки-донора по среднему стоку в 2 раза превышают ресурсы нашего водотока, а все остальные параметры аналогичны.

Таблица 6.

ВХП Календарные месяцы водохозяйственного года

4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 Год

Сток года 75% 69,8 25,2 4,6 1,4 2,0 2,4 2,2 2,8 3,4 2,2 2,0 11,8 129,8

РВ 13,96 5,04 0,92 0,28 0,40 0,48 0,44 0,56 0,68 0,44 0,40 2,36 25,96

СЭП 34,9 12,6 2,3 0,7 1,0 1,2 1,1 1,4 1,7 1,1 1,0 5,9 64,9

Резервуар для переброски 20,94 7,56 1,38 0,42 0,60 0,72 0,66 0,84 1,02 0,66 0,60 3,54 38,94

8,1 2,8 0,5 0,2 0,2 0,3 0,2 03, 0,4 0,2 0,2 1,3 14,7

БП ВЗБ 13,96 5,04 0,92 0,28 0,40 0,48 0,44 0,56 0,68 0,44 0,40 2,36 25,96

ПВ ВЗБ 20,94 7,56 1,38 0,42 0,60 0,72 0,66 0,84 1,02 0,66 0,60 3,54 38,94

Таким образом, потенциальный объем стока для водопотребления в зону проектирования ВХС составляет в случае бесплотинного водозабора 25,96 млн.м3, а при плотинном водозаборе - 38,94 млн.м3.

4. Расчетная схема вариантов мероприятия для удовлетворения требований, развивающегося ВХК

Цель проекта может быть достигнута при разных схемах водообеспечения, например: · независимое регулирование с переброской извне

· компенсированное регулирование на притоке

·

каскадное регулирование

· подпитка ВХС с подземных водозаборов во время глубоких дефицитов

Водоподача из других бассейнов в сочетании с регулированием собственного стока.

В результате технико-экономического обоснования в качестве основного варианта схемы ВХС принята ВХС в составе водохранилищного гидроузла многолетнего регулирования стока в сочетании с переброской из внешнего речного бассейна.

Предварительный ВХБ привязки к расчетной схеме водохозяйственных участков.

Постворные предварительные балансы выполняются с целью выявления дефицитов воды по длине реки и общего анализа водообеспеченности в средне-маловодных условиях.

Таблица 7. Предварительный ВХБ маловодного года 75% обеспеченности водохозяйственных участков 0 - 3

Календарные месяцы года Приток сверху Сток, формирующийся на участке Подземный водозабор ? ресурсов Расчетные требования Дефицит ВР Резерв ВР Проектный сток

БВ Комплексные попуски Ущерб РС ? Отраслевой Попуска ?

4 0 10,1 0,081 10,181 0,0305 7,4 0,011 7,4415 0 0 2,74 2,74 10,14

5 0 3,6 0,081 3,681 0,0305 2,7 0,011 2,7415 0 0 0,94 0,94 3,64

6 0 0,7 0,081 0,781 0,0305 0,4 0,011 0,4415 0 0 0,34 0,34 0,74

7 0 0,2 0,081 0,281 0,0305 0,1 0,011 0,1415 0 0 0,14 0,14 0,24

8 0 0,3 0,081 0,381 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,14 0,14 0,34

9 0 0,4 0,081 0,481 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,24 0,24 0,44

10 0 0,3 0,081 0,381 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,14 0,14 0,34

11 0 0,4 0,081 0,481 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,24 0,24 0,44

12 0 0,5 0,081 0,581 0,0305 0,4 0,011 0,4415 0 0 0,14 0,14 0,54

1 0 0,3 0,081 0,381 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,14 0,14 0,34

2 0 0,3 0,081 0,381 0,0305 0,2 0,011 0,2415 0 0 0,14 0,14 0,34

3 0 1,6 0,081 1,681 0,0305 1,3 0,011 1,3415 0 0 0,34 0,34 1,64

Год 0 18,7 0,972 19,672 0,366 13,5 0,132 13,998 0 0 5,68 5,68 19,18

Таблица 8. Предварительный ВХБ маловодного года 75% обеспеченности водохозяйственных участков 3 - 2

Календарные месяцы года Приток сверху Сток, формирующийся на участке Подземный водозабор ? ресурсов Расчетные требования Дефицит ВР Резерв ВР Проектный сток

БВ Комплексные попуски Ущерб РС ? Отраслевой Попуска ?

4 10,14 5,4 0,11 15,65 0,039 11,5 0,011 11,55 0 0 4,1 4,1 15,6

5 3,64 2,0 0,11 5,75 0,039 4,1 0,011 4,15 0 0 1,6 1,6 5,7

6 0,74 0,4 0,11 1,25 0,039 0,6 0,011 0,65 0 0 0,6 0,6 1,2

7 0,24 0,1 0,11 0,45 0,039 0,2 0,011 0,25 0 0 0,2 0,2 0,4

8 0,34 0,1 0,11 0,55 0,039 0,2 0,011 0,25 0 0 0,3 0,3 0,5

9 0,44 0,1 0,11 0,65 0,039 0,3 0,011 0,35 0 0 0,3 0,3 0,6

10 0,34 0,2 0,11 0,65 0,039 0,3 0,011 0,35 0 0 0,3 0,3 0,6

11 0,44 0,2 0,11 0,75 0,039 0,4 0,011 0,45 0 0 0,3 0,3 0,7

12 0,54 0,2 0,11 0,85 0,039 0,6 0,011 0,65 0 0 0,2 0,2 0,8

1 0,34 0,2 0,11 0,65 0,039 0,4 0,011 0,45 0 0 0,2 0,2 0,6

2 0,34 0,1 0,11 0,55 0,039 0,3 0,011 0,35 0 0 0,2 0,2 0,5

3 1,64 1,1 0,11 2,85 0,039 1,9 0,011 1,95 0 0 0,9 0,9 2,8

Год 19,18 10,1 1,32 30,6 0,470 20,8 0,132 21,4 0 0 9,2 9,2 30

Таблица 9. Предварительный ВХБ маловодного года 75% обеспеченности водохозяйственных участков 2 - 1

Календарные месяцы года Приток сверху Сток, формирующийся на участке Подземный водозабор ? ресурсов Расчетные требования Дефицит ВР Резерв ВР Проектный сток

БВ Комплексные попуски Ущерб РС ? Отраслевой Попуска ?

4 15,6 19,4 0,118 35,118 0,047 25,7 0,028 25,775 0 0 9,343 9,343 35,043

5 5,7 7,0 0,118 12,818 0,605 9,3 0,028 9,933 0 0 2,885 2,885 12,185

6 1,2 1,2 0,118 2,518 1,554 1,4 0,028 2,982 0 0,464 -0,464 0 0,936

7 0,4 0,4 0,118 0,918 1,275 0,4 0,028 1,703 0 0,385 -0,385 0 0,015

8 0,5 0,6 0,118 1,218 1,442 0,6 0,028 2,07 0 0,452 -0,452 0 0,148

9 0,6 0,7 0,118 1,418 0,939 0,7 0,028 1,667 0 0,249 -0,249 0 0,451

10 0,6 0,6 0,118 1,318 0,047 0,7 0,028 0,775 0 0 0,543 0,543 1,243

11 0,7 0,8 0,118 1,618 0,047 0,8 0,028 0,875 0 0 0,743 0,743 1,543

12 0,8 1,0 0,118 1,918 0,047 1,3 0,028 1,375 0 0 0,543 0,543 1,843

1 0,6 0,6 0,118 1,318 0,047 0,8 0,028 0,875 0 0 0,443 0,443 1,243

2 0,5 0,6 0,118 1,218 0,047 0,7 0,028 0,775 0 0 0,443 0,443 1,143

3 2,8 3,2 0,118 6,118 0,047 4,3 0,028 4,375 0 0 1,743 1,743 6,043

Год 30 36,1 1,416 67,516 6,14 46,7 0,336 53,18 0 1,55 14,336 15,136 61,836

5. Водохозяйственное обоснование выбранного варианта схемы ВХС

В результате предварительного ВХБ получены следующие данные: 1. резерв стока по участкам: · ВХУ 0 - 3 резерв ВР=5,68

· ВХУ 3 - 2 резерв ВР=9,2

· ВХУ 2 - 1 резерв ВР=15,136

2. дефициты по ВХУ: · ВХУ 0 - 3 Д=0

· ВХУ 3 - 2 Д=0

· ВХУ 2 - 1 Д=1,55

3. современный ВХБ сводится без дефицита с учетом комплексных водохозяйственных мероприятий по экономии водных ресурсов и регулирования качества воды

4. названные выше резервы используются при проектировании дальнейшего перспективного развития доминирующей отрасли - орошения

5. водохозяйственные расчеты выполняются для створа размещения гидроузла в привязке к расчетным объемам водопотребления (таблица 2)

Используется методика расчета по обобщенным параметрам стока и водопотребления. После завершения водохозяйственного обоснования выполняется: · ВХБ рекомендуемого варианта с учетом оптимизации проектных решений

· Разрабатываются правила управления запроектированного водохранилища для условий нормальной эксплуатации и в течение пускового периода

· Определяется пропускная способность тракта - переброски

· Технико-экономическая оценка запроектированной ВХС

· Разрабатываются элементы инженерных сооружений в составе ВХС (конструкция гребня плотины, грунтовая плотина)

5.1. Определение расчетной зависимости «емкость водохранилища - гарантированная водоотдача»

Расчет проектного водопотребления обобщенным методом.

Таблица 10. Минимальные расчетные требования Амин, предъявляемые в створе №2 , млн.м3

Месяцы 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 Год

Попуски 25,7 9,3 1,4 0,4 0,6 0,7 0,7 0,8 1,3 0,8 0,7 4,3 46,7

БВ 0,047 0,605 1,554 1,275 1,442 0,939 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 6,144

Амин 25,747 9,905 2,954 1,675 2,042 1,639 0,747 0,847 1,347 0,847 0,747 4,347 52,85

Под Амин понимается суммарное расчетное водопотребление, которое понимается, как базовая величина для дальнейшего развития отрасли.

Определяем возможности максимального развития отрасли по объему Амакс.

Таблица 11.

Cv ?0,3 0,3 - 0,5 >0,5

? 0,95 0,85 - 0,9 0,8

Расчетное водопотребление любой ВХС складывается из полезного водопотребления и потерь стока на дополнительное испарение, фильтрацию как самого водохранилища, таки на сооружения ВХС. Суммарные потери складываются вместе с полезной отдачей, определяя будущую ситуацию хозяйственного использования вод.

Таблица 12. Результаты водохозяйственных расчетов обобщенным методом

Полезная отдача Потери из водохранилища Отдача Брутто Относительная отдача Брутто абр Приведенная обеспеченность P , % Составляющие емкости водохранилища

Сверх Амин ? Фильтрация Дополнительное испарение ? Многолетняя Vмн Сезонная Vсез Полезная Vплз Мертвый объем Vmo Полная емкость Vполн

0 52,85 0,5 0,5 1,0 53,85 0,65 77,1 0 1,99 1,99 0,9 2,89

5,15 58,0 1,0 1,0 2,0 60 0,73 78,5 0 6,70 6,70 0,9 7,60

10,3 63,15 1,5 1,5 3,0 66,15 0,80 79,6 12,4 13,24 25,64 1,0 26,64

15,45 68,3 2,0 2,0 4,0 72,3 0,87 80,6 16,5 18,72 35,22 1,5 36,72

20,6 73,45 2,5 2,5 5,0 78,45 0,95 81,4 37,2 22,79 59,99 2,0 61,99

25,75 78,6 3,0 3,0 6,0 84,6 1,02 82,1 74,5 27,01 101,51 2,5 104,01

17,5 70,88 2,4 2,4 4,8 75,38 0,91 80,0 26,85 20,76 48,00 1,75 50,00

Потери на фильтрацию обусловлены: 1. фильтрация через тело плотины и другие сооружения в составе напорного фронта

2. потери через уплотнение затворов

3. фильтрация через основание и береговые примыкания водохранилищного гидроузла

Фильтрационные потери рассчитываются на основе гидрогеологических изысканий и специальных расчетов с учетом гидромеханических свойств грунтов основания. Исходной зависимостью для последующих расчетов является зависимость для момента стабилизации гидравлического режима.

В проекте фильтрационные потери определим в зависимости от свойств основания экспертным методом.

Таблица 13.

Гидрогеологические условия Величина потерь, см/год благоприятные условия 50 суглинки 50 - 100

Неблагоприятные условия >100

Потери на льдообразование определяется по толщине льда, нарастающего в период намерзания. Кроме того, лед, осевший на берегах, сокращает и саму величину регулирующей емкости, снижая эффект регулирования.

Потери на дополнительное испарение.

В практике расчет дополнительного испарения в ряде случаев заменяют расчетом видимого испарения.

i - индекс отрасли

Рі - расчетная обеспеченность i-го потребителя

Определение емкости водохранилища обобщенным методом.

при t - водопотребление лимитирующего периода в долях годового стока m - объем стока лимитирующего периода в долях годового стока

По данным таблицы 12 строим график зависимости суммарной полезной гарантированной отдачи и ее перспективного прироста от полного объема водохранилища.

5.2 Постановка задачи оптимизации и определение оптимального варианта параметров водохозяйственной системы

В соответствии с постановкой проектной задачи определяется оптимальное сочетание регулирования стока и дотации воды из внешнего бассейна. При этом возможны следующие варианты: 1. вода подается из внешнего бассейна в равномерном режиме, в этом случае требуется буферное водохранилище для перерегулирования графика водопотребления

2. переброска ведется в графике водопотребления

3. вода перебрасывается по каналу

4. вода подается по трубопроводу в соответствующей пропускной способности

Потери по трассе водоподачи принимаем в размере 5% от объема переброски. Окончательно получаем функциональную зависимость между требуемым объемом водоподачи и пропускной способностью канала:

Площадь сечения находим из уравнения неразрывности: u , где u - расчетная скорость в канале

Скорость определяется применительно к равномерному движению формулой Шези:

Гидравлический уклон примем =0,0005. Гидравлически выгоднейшее сечение канала, скорректированное с учетом удобства строительных работ, выбираем с заложением откосов и значением .

Коэффициент шероховатости примем как для оросительного канала в глинистом русле . Соответственно и расходная характеристика выразятся в виде функций нормальной глубины h следующим образом: м2 м м

Параметры сечения канала определим c помощью уравнения:

Таким образом, зная объем переброски можно найти расчетную глубину из последнего выражения и, используя зависимости, определяем и u. Расчетная скорость в канале проверяется по условиям размыва русла и незаиления: uнз ? u ? uнр

Неразмывающая средняя скорость потока в каналах определяется в зависимости от вида грунтов, в которых проложен канал. Удельное сцепление суглинков равно С=24КН/м2, h=0,85м > uнр=1,48м/с >u=0,67м/с

Незаиляющая скорость находится по формуле:

> >

Таким образом, uнз=0,35м/с<u=0,67м/с<uнр=1,48м/с, условие выполняется.

Расчет канала при неравномерном и неустановившемся движении связан с большим объемом вычислений при построении кривой подпора. Будем считать, что возможность превышения уровня, вызванное выклиниванием кривой подпора, снимается собственной регулирующей способностью канала. Площадь сечения выемки примем несколько выше площади живого сечения: Выразим теперь объем выемки через объем переброски: При в метрах получаем объем выемки по трассе канала в млн.м3.

Таким образом каждому значению переброски ставится в соответствие величина , а следовательно, и стоимость мероприятий по переброске стока, определяемых в свою очередь стоимостью водозабора и канала переброски.

В случае водоподачи посредством напорного водовода методика расчета принципиально не меняется. Так определение параметров трубопровода круглого сечения можно вести на основе совместного решения уравнений Шези и Дарси-Вейсбаха.

Коэффициент сопротивления по длине находим по формуле Павловского : После несложных преобразований получаем формулу зависимости гидравлического радиуса от расхода и затем от требуемого объема переброски :

С целью отыскания оптимума воспользуемся методом динамического программирования. Для каждого из рассматриваемых значений гарантированной отдачи (в диапазоне от до ) определяются стоимостные показатели разных вариантов решения проектной задачи. Варианты обусловлены сочетаниями емкость водохранилища - объем переброски.

Экономический эффект от дополнительного орошения определен на основании нескольких критериев, связанных с доходностью и затратами в отрасль. В учебном проекте в качестве целевой функции берется ежегодный чистый доход от дополнительной сельскохозяйственной продукции при условии, что коэффициент рентабельности не меньше нормативного значения ( ). Капиталовложения определяются по комплексным сооружениям (плотина, водохранилище, тракт переброски вместе с головным водозабором), а также по отраслевым сооружениям . в свою очередь можно оценить по разнице стоимости продукции и ежегодных отраслевых издержек . Стоимость продукции всех отраслей кроме орошения в рассматриваемом проекте фиксирована, поскольку прирост идет только за счет орошения. Экономический эффект определяется только от дополнительного орошения, поэтому он соотносится с величинами затрат сверх тех, которые необходимы для обеспечения минимальной отдачи . С целью сокращения объема вычислений расчеты выполняются на основе примерных укрупненных стоимостных показателей, без учета фактора времени.

Комплексные затраты (руб. в ценах 2006г.)

Кв-ща - капитальные затраты по водохранилищу

Ккнл - капитальные затраты по каналу переброски

Квдзб - капитальные вложения на строительство водозабора, включая затраты на регулирование стока в створе изъятия

- полный объем водохранилища рассматриваемого варианта по отдаче

- объем водохранилища, необходимый для покрытия минимальной гарантированной водоотдачи кв-ща - удельные капвложения на кубометр емкости водохранилища, (руб./м3) кпер - удельные капвложения на кубометр выемки, учитывающие стоимость водозаборного сооружения, (руб./м3)

Отраслевые затраты (руб.)

- прирост отдачи на орошение;

- площадь орошения, обеспеченная при объеме водоподачи;

- оросительная норма комплексного гектара, принята 1730 м3/га

- к. п. д. оросительной системы, принимаем 0,8 .

Стоимость продукции

, где

- урожайность, закупочная цена и доля в севообороте - ой культуры

- закупочная цена на продукцию, полученную с комплексного гектара, принята в расчетном примере 15000 руб./га при площадях орошения до 20 тыс.га. Для больших площадей учтено снижение эффекта по причине сложности сбыта продукции, конкуренции и т.д. При 100 тыс. га стоимость продукции снижена до 9000 руб./га.

Параметры водохозяйственной системы: · Полезный объем водохранилища - 48млн.м3

· Полный объем водохранилища ? 50млн.м3

· Отметка НПУ=161м

· Отметка УМО= 142м

· Отметка ФПУ=163,5м

· Площадь зеркала при НПУ= 4,5км2

· Гарантированная полезная отдача водохранилища - 70,875млн.м3

- минимальные требования ВХК - 52,85млн.м3

- гарантированное орошение - 17,5млн.м3

· Объем переброски ??17,5млн. м3

· Итого гарантированная полезная отдача ВХС - 88,375млн.м3

· В том числе орошение - 35млн.м3

· Расход канала (производительность водозабора) ??1,91м3/с

· Расчетная глубина в канале ??0,85м

· Скорость течения в канале ??0,67м /с

· Параметры альтернативного напорного водовода для переброски млн.м3: - Диаметр водовода - 2м

- Скорость ? 0,7м /с

Таблица 14. Технико-экономическое сопоставление вариантов по результатам оптимизационных расчетов.

Прирост гарантированной отдачи на орошение, Аор, млн.м3 Долевое участие в покрытии требований орошения Стоимостные показатели проектируемых водохозяйственных мероприятий, направленных на развитие орошения, млн.руб.

Водохранилище, Авдхр, млн.м3 Канал переброски, Апер, млн.м3 Затраты по водохранилищу с учетом компенсации затопления Канал переброски и водозаборное сооружение Отраслевые затраты на орошение Суммарные затраты ВХС Площадь орошения, Fop,, тыс.га Стоимость с/х продукции за вычетом затрат на реализацию Размер ежегодного чистого дохода, ЕЧД Коэффициент рентабельности, Крн

К С К С К С К С

5,15 0 3 5,15 5,15 2,15 0 0 15,66 28,26 0 0,23 0,42 182,7 92,1 0 5,48 2,76 0 86,4 86,4 86,4 8,64 8,64 8,64 269,1 194,16 114,66 14,12 11,63 9,06 2,4 36 21,88 24,37 26,94 0,08 0,13 0,23

10,3 0 5,15 10,3 10,3 5,15 0 0 28,26 142,5 0 0,42 2,14 317,88 182,7 0 9,54 5,48 0 172,8 172,8 172,8 17,28 17,28 17,28 490,68 383,76 315,3 26,82 23,18 19,42 4,8 72 45,18 48,82 52,58 0,09 0,13 0,17

15,45 0 5,45 10 15,45 15,45 10 5,45 0 0 30,66 132,66 202,98 0 0,46 1,99 3,04 434,58 308,16 189,78 0 13,04 9,24 5,69 0 255,6 255,6 255,6 255,6 25,56 25,56 25,56 25,56 690,18 594,42 578,04 458,58 38,6 35,26 33,24 28,6 7,1 106,5 67,9 71,24 73,26 77,9 0,10 0,12 0,13 0,17

20,6 0 10,3 15 20,6 20,6 10,3 5,6 0 0 142,5 192,66 354,6 0 2,14 2,89 5,32 546 317,88 190,68 0 16,38 9,54 5,72 0 342 342 342 342 34,2 34,2 34,2 34,2 888 802,38 725,34 696,6 50,58 45,88 42,81 39,52 9,5 142,5 91,92 96,62 99,69 102,98 0,10 0,12 0,14 0,15

25,75 0 10 15,75 25,75 25,75 15,75 10 0 0 142,5 204,66 606,72 0 2,14 3,07 9,10 654,78 445,62 308,16 0 19,64 13,37 9,24 0 428,4 428,4 428,4 428,4 42,84 42,84 42,84 42,84 1083,18 1016,52 941,22 1035,12 62,48 58,35 55,15 51,94 11,9 178,5 116,02 120,15 123,35 126,56 0,11 0,12 0,13 0,12

35 0 15 17,5 25,75 35 20 17,5 9,25 0 192,66 246,66 606,72 0 2,89 3,70 9,10 840,96 533,16 481,2 289,14 25,23 15,99 14,44 8,67 583,2 583,2 583,2 583,2 58,32 58,32 58,32 58,32 1424,16 1309,02 1311,06 1479,06 83,55 77,2 76,46 76,09 16,2 243 159,45 165,8 166,54 166,91 0,11 0,13 0,13 0,11

50 0 10 20 25,75 50 40 30 24,25 0 132,66 330,66 606,72 0 1,99 4,96 9,10 1127,64 942,24 743,64 625,98 33,83 28,27 22,31 18,78 831,6 831,6 831,6 831,6 83,16 83,16 83,16 83,16 1959,24 1906,5 1905,9 2064,3 116,99 113,42 110,43 111,04 23,1 207,9 90,91 94,48 97,47 96,86 0,05 0,05 0,05 0,05

60 0 10 20 25,75 60 50 40 34,25 0 132,66 330,66 606,72 0 1,99 4,96 9,10 1310,4 1127,64 942,24 824,58 39,31 33,83 28,27 24,74 997,2 997,2 997,2 997,2 99,72 99,72 99,72 99,72 2307,6 2257,5 2270,1 2428,5 139,03 135,54 132,95 133,56 27,7 249,3 110,27 113,76 116,35 115,74 0,05 0,05 0,05 0,05

70 0 10 20 25,75 70 60 50 44,25 0 132,66 330,66 606,72 0 1,99 4,96 9,10 1486,56 1310,4 1127,64 1016,58 44,60 39,31 33,83 30,50 1166,4 1166,4 1166,4 1166,4 116,64 116,64 116,64 116,64 2652,96 2609,46 2624,7 2789,7 161,24 157,94 155,43 156,24 32,4 291,6 130,36 133,66 136,17 135,36 0,05 0,05 0,05 0,05

5.3. Водохозяйственные балансы рекомендуемого варианта

Таким образом, в процессе проектирования выбран принципиальный вариант схемы инженерно-технических мероприятий и оптимальный объем суммарной гарантированной водоотдачи. По результатам расчетов составляются водохозяйственные балансы проектного уровня развития. Следует отметить, что в условиях многолетнего регулирования стока, выбор года для демонстрации ВХБ вопрос не всегда простой, поскольку при обоснованном многолетнем режиме любой год обеспечен необходимым запасом воды в водохранилище. Для наглядности в учебном проекте для ВХБ ограничимся годом 75 % по обеспеченности годового стока.

- безвозвратное водопотребление

- приток с вышележащего (i-1)-го водохозяйственного участка

- сток, формируемый на i-ом участке

- водоотведение на i-ый участок

- регулирование стока в интервале, « » сработка; «-» наполнение

- водопотребление на i-ом участке

- комплексный попуск в выходном створе i-го участка

;

.

Проектный приток к ( )-му водохозяйственному участку не может быть определен без предварительного распределения дефицита между потребителями и комплексным попуском :

j - индекс участника водохозяйственного комплекса

Распределение дефицита между участниками ВХК - самостоятельная водохозяйственная задача - решается либо на основе согласованных приоритетов, либо путем экономического обоснования.

Общая формула для проектного стока в замыкающем створе -го ВХУ (он же проектный приток к -му ВХУ):

Формула справедлива для всех случаев, в том числе при диспетчерском регулировании, когда величина дефицитов назначается в зависимости от текущего наполнения.

Таблица 15. Перспективный ВХБ расчетного водохозяйственного участка по маловодному году 75%.

Календарные месяцы Приходная часть баланса Расходная часть баланса Результаты водохозяйственного баланса

Расчетные требования Расчетные требования брутто

Проектный приток сверху Сток, формирующийся на участке Итого располагаемые ресурсы На ВХУ Дефицит вышерасположенных участков Дефицит водных ресурсов Резервы стока, холостые сбросы Проектный сток в нижнем бьефе

КП Орошение

4 15,6 19,4 35 25,7 0 0 25,7 0 9,3 35

5 5,7 7,0 12,7 9,3 3,5 0 12,8 0,1 0 9,3

6 1,2 1,2 2,4 1,4 9,45 0,464 11,314 8,914 0 1,4

7 0,4 0,4 0,8 0,4 7,7 0,385 8,485 7,685 0 0,4

8 0,5 0,6 1,1 0,6 8,75 0,452 9,802 8,702 0 0,6

9 0,6 0,7 1,3 0,7 5,6 0,249 6,549 5,249 0 0,7

10 0,6 0,6 1,2 0,7 0 0 0,7 0 0,5 1,2

11 0,7 0,8 1,5 0,8 0 0 0,8 0 0,7 1,5

12 0,8 1,0 1,8 1,3 0 0 1,3 0 0,5 1,8

1 0,6 0,6 1,2 0,8 0 0 0,8 0 0,4 1,2

2 0,5 0,6 1,1 0,7 0 0 0,7 0 0,4 1,1

3 2,8 3,2 6 4,3 0 0 4,3 0 1,7 6

Год 30 36,1 66,1 46,7 35 1,55 83,25 30,65 13,5 60,9

Таблица 16. Перспективный ВХБ расчетного водохозяйственного участка по маловодному году 75% с учетом мероприятий.

Водохозяйственный баланс реки Рыбница в створе водохранилища

Календарные месяцы Приходная часть баланса Расходная часть баланса Результаты ВХБ

Расчетные требования Потери на дополнительное испарение и фильтрацию Расчетные требования брутто

Проектный приток сверху Сток, формирующийся на участке Дотация стока из бассейна реки Донора Регулирование стока, сработка - наполнение Итого располагаемые ресурсы На ВХУ Дотация к дефицитным створам Дефицит водных ресурсов Проектный сток в нижнем бьефе Наполнение водохранилища на конец месяца

Попуск Орошение

4 15,6 19,4 0 -8,9 26,1 25,7 0 0 0,4 26,1 0 25,7 16,9

5 5,7 7,0 1,75 -1,25 13,2 9,3 3,5 0 0,4 13,2 0 9,3 18,15

6 1,2 1,2 4,725 4,589 11,714 1,4 9,45 0,464 0,4 11,714 0 1,4 13,561

7 0,4 0,4 3,85 4,235 8,885 0,4 7,7 0,385 0,4 8,885 0 0,4 9,326

8 0,5 0,6 4,375 4,727 10,202 0,6 8,75 0,452 0,4 10,202 0 0,6 4,599

9 0,6 0,7 2,8 2,849 6,949 0,7 5,6 0,249 0,4 6,949 0 0,7 1,75

10 0,6 0,6 0 -0,1 1,1 0,7 0 0 0,4 1,1 0 0,7 1,85

11 0,7 0,8 0 -0,3 1,2 0,8 0 0 0,4 1,2 0 0,8 2,15

12 0,8 1,0 0 -0,1 1,7 1,3 0 0 0,4 1,7 0 1,3 2,25

1 0,6 0,6 0 0 1,2 0,8 0 0 0,4 1,2 0 0,8 2,25

2 0,5 0,6 0 0 1,1 0,7 0 0 0,4 1,1 0 0,7 2,25

3 2,8 3,2 0 -1,3 4,7 4,3 0 0 0,4 4,7 0 4,3 3,55

Год 30 36,1 17,5 4,45 88,05 46,7 35 1,55 4,8 88,05 0 46,7

Таблица 16а. Вспомогательная таблица.

Календарные месяцы Приходная часть баланса Расходная часть баланса Дефицит

Расчетные требования Потери на дополнительное испарение и фильтрацию Расход

Проектный приток сверху Сток, формирующийся на участке Дотация стока из бассейна реки Донора Приход На ВХУ Дотация к дефицитным створам Резерв

Попуск Орошение

4 15,6 19,4 0 35 25,7 0 0 0,4 26,1 0 8,9

5 5,7 7,0 1,75 14,45 9,3 3,5 0 0,4 13,2 0 1,25

6 1,2 1,2 4,725 7,125 1,4 9,45 0,464 0,4 11,714 4,589 0

7 0,4 0,4 3,85 4,65 0,4 7,7 0,385 0,4 8,885 4,235 0

8 0,5 0,6 4,375 5,475 0,6 8,75 0,452 0,4 10,202 4,727 0

9 0,6 0,7 2,8 4,1 0,7 5,6 0,249 0,4 6,949 2,849 0

10 0,6 0,6 0 1,2 0,7 0 0 0,4 1,1 0 0,1

11 0,7 0,8 0 1,5 0,8 0 0 0,4 1,2 0 0,3

12 0,8 1,0 0 1,8 1,3 0 0 0,4 1,7 0 0,1

1 0,6 0,6 0 1,2 0,8 0 0 0,4 1,2 0 0

2 0,5 0,6 0 1,1 0,7 0 0 0,4 1,1 0 0

3 2,8 3,2 0 6 4,3 0 0 0,4 4,7 0 1,3

Год 30 36,1 17,5 83,6 46,7 35 1,55 4,8 88,05 16,4 11,95

5.4 Определение пропускной способности водосброса для пропуска максимального расхода. Вопросы защиты от наводнения

Оценку влияния максимальных расходов на водохозяйственную обстановку ниже узла выполняем, используя методику Д.Ч. Качерина. В соответствии с этой методикой, если принять гидрограф максимального стока в виде треугольника, то емкость форсировки определяется следующей формулой:

Vф - объем призмы форсировки qmax - зарегулированный максимальный расход

Qmax - естественный максимальный расход расчетной обеспеченности

Принимаем обеспеченность Qmax 0,5%, так как III класс сооружений.

Исходя из того, что ряды наблюдений отсутствуют для определения максимального естественного расхода, используем империческую формулу для максимального стока, формируемого весенним половодьем.

К0 - коэффициент дружности половодья hp - слой стока расчетной обеспеченности ? - коэффициент несовпадения максимального стока и максимальных расходов n - коэффициент редукции

Определение зависимости емкости форсировки от максимального расхода водосброса.

При решении задач, связанных с трансформацией стока через гидроузел в период высоких половодий и паводков, следует учитывать следующие факторы: · Показатели затопления в верхнем бьефе гидроузла с выходом на площади затопляемых территорий и соответственные ущербы для населения и экономики

· Показатели затопления в нижнем бьефе с определением высоты и протяженности защитных дамб и соответствующей стоимости этих сооружений, а также тех ущербов, которые не покрываются мероприятиями по аккумуляции стока и уже указанными дамбами

· Определение функций пропускной способности водосбросных сооружений от принимаемой емкости форсировки

На основании перечисленных факторов определяются области оптимальных решений с точки зрения затопления бьефов гидроузла, параметров водосброса и величины емкости форсировки.

Будем считать, что территории в нижнем бьефе, которые подлежат защите, фиксированы и должны быть защищены в любом случае либо посредством аккумуляции стока, либо по средствам защитных дамб обвалования. Очевидно, что в разных вариантах будет меняться длина и протяженность дамб.

Таблица 17. qmax

Vф qв=?(z)

b1=2 b2=6 b3=10 b4=14

0 0 64,20 8 82,19 246,56 410,93 575,30

0,15 17,87 54,57 7 67,27 201,80 336,34 470,88

0,30 35,73 44,94 6 53,38 160,14 266,91 373,67

0,50 59,55 32,10 5 40,61 121,83 203,04 284,26

0,60 71,46 25,68 4 29,06 87,17 145,29 203,40

0,70 83,37 19,26 3 18,87 56,62 94,37 132,11

0,85 101,24 9,63 2 10,27 30,82 51,37 71,91

0,90 107,19 6,42 1 3,63 10,90 18,16 25,43

1,00 119,10 0 0 0 0 0 0

Таким образом, получена зависимость qmax от величины противопаводочной емкости. По величине емкости оценивается затопление территории в верхнем бьефе, по qmax - в нижнем бьефе. После чего рассчитывается и проектируется мероприятие, которое компенсирует ущербы от затопления. На основании технико-экономического сопоставления вариантов определяется рациональное сочетание затрат, связанных с обвалованием территории и увеличением отметки ФПУ. В результате технико-экономического обоснования в проекте приняты следующие показатели: · qmax=94,5м3/с

· Vф=13,3млн.м3

· ЎФПУ=163,5м

· ЎГр=165м

6. Уточнение параметров ВХС и определение режимов регулирования стока для рекомендуемого проектного варианта

6.1 Определение отметки гребня плотины комплексного гидроузла

Расчет отметки гребня плотины выполняется в соответствии со «Строительными нормами и правилами» СНИП 2.06.05 - 84 «Плотины из грунтовых материалов» для двух расчетных уровней воды в верхнем бьефе водоема: НПУ и ФПУ.

Превышение отметки гребня плотины hs над расчетным статическим уровнем воды в водохранилище определяется по формуле:

?hset - высота ветрового нагона воды, м hrun1% - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м а - конструктивный запас гребня, м высота ветрового нагона ?hset устанавливается по формуле:

Н1 - глубина водоема, м (при НПУ: Н1=ЎНПУ-Ўдна; при ФПУ: Н1=ЎФПУ-Ўдна)

Kw - коэффициент, принимаемый равным 2,1?10-6 при скорости ветра Vw=20м/с

Таблица 17а. Определение параметров волн и отметки гребня плотины.

Исходные данные

№ Параметры НПУ ФПУ УМО

1 Отметка расчетного уровня (ЎРУ), м 161 163,5 142

2 Отметка дна, м 140 140 140

3 Длина разгона ветровой волны L, м 1700 2000 800

4 Угол между продольной осью водоема и направлением ветра ?, град 0 0 0

5 Расчетная скорость ветра Vw, м/с 20 17 18

6 Обеспеченность по накату, % 1 1 1

Расчет

1 41,6967,8924,22

2 10594,812464,511772

3 0,010,0150,009

4 1,21,41,05

5 2,452,431,93

6 9,389,225,82

7 выполняетсявыполняетсяне выполняется

8 0,410,440,30

9 2,072,072,07

10 0,840,910,62

11 11,1710,13-

12 0,70,7-

13 0,50,5-

14 1,51,38-

15 1,231,2-

16 11-

17 11-

18 0,540,53-

19

0,00693

0,00527

-

20 Конструктивны