Гидравлические расчеты

6. Гидравлические расчеты включают в себя:

расчеты пропуска высоких половодий через гидроузел или каскад гидроузлов;

расчеты кривых свободной поверхности (кривых подпора) водохранилищ;

расчеты уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища при суточном и недельном регулировании режимов работы гидроузла водохранилища (например, при регулировании мощности гидроэлектростанции), когда имеет место неустановившееся движение воды.

7. Пропуск половодий и паводков представляет собой водохозяйственное мероприятие, целью которого, является уменьшение максимальных расходов воды, пропускаемой в нижний бьеф водохранилища. Для количественной оценки условий пропуска высоких половодий и паводков выполняются соответствующие гидравлические расчеты их регулирования (трансформации) водохранилищем.

8. В подготовке и проведении гидравлических расчетов пропуска половодий и паводков выделяются три основных этапа:

гидрологический;

гидравлический;

водохозяйственный.

8.1. Гидрологический этап представляет собой построение расчетных гидрографов половодий и паводков, принимаемых за исходные при проведении расчетов пропуска половодий и паводков.

8.2. Гидравлический этап посвящен процессам неустановившегося движения воды, сопровождающим прохождение волны и паводков через водохранилище, выбору схем расчета, математических моделей, их калибровке и верификации.

8.3. Водохозяйственный этап заключается в разработке (корректировке, уточнении) правил использования емкости водохранилища для уменьшения высоты половодий и паводков, включая приемы оперирования одной и той же емкостью для совместного решения задач по трансформации половодий и паводков и по водообеспечению потребителей (повышению низкого стока).

9. Расчетный гидрограф половодья или паводков в гидравлических расчетах является главной исходной информацией. Его основные элементы (максимальный расход, объем стока основной волны и всего половодья или паводка) отвечают заданной вероятности превышения.

9.1.Заданная вероятность превышения элементов расчетного гидрографа, необходимая для получения оценок безопасности гидроузла водохранилища, определяется в зависимости от класса сооружений для двух расчетных случаев – основного и поверочного:

Расчетные случаи	Классы сооружений
	I	II	III	IV
Основной	0,1	1,0	3,0	5,0
Поверочный	0,01*	0,1	0,5	1,0

9.2. При наличии ряда наблюдений форму расчетного гидрографа принимают по моделям высоких весенних половодий или дождевых паводков с наиболее неблагоприятной их формой, для которых основные элементы гидрографов и их соотношения приближаются к расчетным. Рассматривается несколько моделей расчетного гидрографа, с тем, чтобы выбрать наиболее неблагоприятный с точки зрения срезки пикового расхода воды.

9.3. Основные элементы расчетного гидрографа стока воды рек: максимальный расход воды, объем весеннего половодья (дождевого паводка), объем основной волны расчетной вероятности превышения, а также продолжительность весеннего половодья (дождевого паводка), его основной волны, включающей максимальный расход, и другие параметры определяют по данным гидрометрических наблюдений.

9.4. Переход от гидрографа-модели к расчетному гидрографу заданной вероятности превышения путем умножения ординат гидрографа-модели на коэффициенты, определяемые по формулам:

k₁ = Q_p / Q_m ;

k₂ = (V_p – 86 400 Q_p )/ (V_m – 86 400 Q_m ) ;

k₃ = (V'_p – V_p)/ (V'_m – V_m) ,

где Q_m , Q_p - максимальный среднесуточный расход воды весеннего половодья или мгновенный для дождевого паводка соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м³/с;

V_m и V_p - объем основной волны соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м³;

V ' _m и V ' _p - полный объем весеннего половодья (дождевого паводка) соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м³.

9.5. В случае если выше водохранилища имеются гидроузлы с регулирующими водохранилищами, применяется следующая методика расчета гидрографов:

определяется объем стока половодья (паводка) расчетной вероятности превышения в створе гидроузла рассматриваемого водохранилища. При этом для определения статистических параметров стока используются данные наблюдений за полный ряд лет, включая годы после постройки вышерасположенных гидроузлов – за этот период приток к рассматриваемому (нижнему) гидроузлу ретрансформируется, т.е. приводится к естественным условиям;

выбираются годы с высокими половодьями (паводками), по моделям этих половодий (паводков) строятся гидрографы половодья (паводка) с частных водосборов (приток к самому верхнему гидроузлу и между гидроузлами), соответствующие объему половодья расчетной вероятности превышения в створе рассматриваемого (нижнего) гидроузла. При этом сохраняется естественное, имевшее место в конкретные многоводные годы распределение объемов и обеспеченностей половодного стока между участками бассейна. Обеспеченность максимальных расходов воды с частных водосборов принимается равной обеспеченности объема стока половодья (паводка), т.е. применяется принцип равнообеспеченности.

9.6. При разработке Правил использования строятся расчетные гидрографы по моделям нескольких высоких половодий (паводков) и провести по всем соответствующие гидравлические расчеты, с тем, чтобы действительно выявить самую неблагоприятную модель гидрографа.

9.7. На втором этапе решения гидравлических задач при разработке Правил использования выбираются методы (модели) выполнения гидравлических расчетов и настройка соответствующих параметров. В основе всех гидравлических расчетов, включая расчеты пропуска половодий и паводков, лежит решение в конечных разностях уравнений динамического равновесия и неразрывности потока (уравнений Сен-Венана). В зависимости от принимаемых упрощений этих уравнений для расчетов могут использоваться имитационные математические модели управления стоком половодья (паводка) в динамической или статической постановке.

9.8. При использовании статических моделей практически используется только уравнение неразрывности в сочетании с объемными (морфометрическими) характеристиками водохранилища и гидравлическими характеристиками пропускной способности сооружений гидроузла и его нижнего бьефа. В этом случае никаких особых настроек параметров модели не требуется.

9.9. При использовании динамических моделей используется и уравнение динамического равновесия с определенными упрощениями или без них. В этом случае в состав исходной информации входят характеристики пропускной способности русла на различных участках водохранилища и нижнего бьефа и объемные характеристики этих участков, а также задание начальных и граничных (в том числе внутренних) условий. В результате встает задача разбиения моделируемого объекта на гидравлически репрезентативные (с точки зрения решаемой задачи) участки, определения, подбора и уточнения гидравлических и объемных параметров в пределах каждого расчетного участка, правильного задания граничных условий (в том числе внутренних – пропускной способности гидротехнического сооружения) и, наконец, верификации (подтверждения адекватности модели) путем проведения расчетов по фактическим гидрографам.

10. Главной задачей водохозяйственного этапа при проведении гидравлических расчетов является проверка и уточнение правил пропуска высоких вод через гидроузел, включая и регламентированный уровень воды в верхнем бьефе водохранилища перед началом половодья (паводка), с тем чтобы во всех, даже наиболее неблагоприятных (расчетный и поверочный гидрографы) условиях эксплуатации, выполнялись критерии безопасности гидротехнических сооружений водохранилищ, включая максимально допустимые отметки наполнения водохранилища (форсированный подпорный уровень).

10.1. За основу на этом этапе принимаются правила регулирования режимов работы водохранилища (диспетчерские графики), полученные в результате водохозяйственных и водноэнергетических расчетов по многолетнему стоковому ряду. В результате гидравлических расчетов получают расчетное обоснование обеспечения безопасности гидротехнических сооружений водохранилища при пропуске высоких вод при регулировании по заданным правилам (диспетчерским графикам), либо внесение изменений в эти правила (изменение координат зон диспетчерского графика) с последующим проведением водохозяйственных и водноэнергетических расчетов по уточненным правилам.

10.2. В зависимости от продолжительности половодья (паводка) и его основной волны расчет выполняется по пятидневным, суточным или часовым расчетным интервалам по времени.

10.3. Расчет проводится для всей расчетной продолжительности половодья (паводка) по расчетному гидрографу. Расчет начинается с границы первого расчетного интервала времени, использовавшегося при проведении водохозяйственных расчетов, предшествующего, либо включающего в себя календарную дату начала половодья для модельного гидрографа. В качестве начальных условий принимаются уровни и расходы воды, полученные при выполнении водохозяйственных расчетов для года, гидрограф половодья (паводка) которого принят за модель расчетного гидрографа.

11. Расчеты кривых свободной поверхности водохранилища являются частным случаем гидравлических расчетов движения воды в водохранилище при фиксированных граничных условиях (притоку воды в водохранилище – верхнее граничное условие и уровню воды у плотины гидроузла – нижнее граничное условие), т.е. установившегося движения воды, при котором решается только уравнение динамического равновесия.

В этих расчетах обычно применяют методы, основанные на использовании непосредственно характеристик пропускной способности русла, получаемых по данным гидрометрии. Исследуемое протяжение реки и водохранилища разбивается на ряд участков, средние значения геометрических и гидравлических характеристик русла и потока (площадь живого сечения при заданном расходе воды, уклон водной поверхности, коэффициент шероховатости). Длина расчетных участков определяется исходной гидрологической и топографической информацией. При больших уклонах следует стремиться к сокращению длин участков путем выделения дополнительных, гидравлические характеристики которых принимаются по интерполяции. Падение уровня воды на участке при пропуске максимальных расходов должно составлять 0,4-1,0 м, предельный перепад не должен превышать 1,5 м.

15. 11.1. Один из наиболее широко используемых методов – метод кривых  где `К - средний модуль пропускной способности участка, а Zср - уровень в середине этого участка длиной DS. Показатель К может быть определен как среднее арифметическое модулей пропускной способности русла К<sub>i</sub>=f(Z<sub>i</sub>) и К<sub>i+1</sub>=f(Z<sub>i+1</sub>) в начале и конце участка, т.е. К=(К<sub>i</sub>+K<sub>i+1</sub>)/2. Модуль пропускной способности русла К в каждом створе вычисляется либо по кривой связи расходов и уровней воды Q=f(Z) и зависимости  либо гидравлическим способом по морфометрическим характеристикам русла и поймы с использованием формулы Шези-Маннинга , где w - площадь живого сечения, С - коэффициент Шези, R - гидравлический радиус. Вместо R обычно используется средняя глубина потока `Н=w/В, где В - ширина реки поверху. Для определения С можно воспользоваться, например, формулой Маннинга . Точность вычисления в значительной степени зависит от достоверности оценки коэффициента шероховатости русла и поймы.

11.2. При разработке проекта Правил использования выполняются расчеты кривых свободной поверхности водохранилища на всем его протяжении вплоть до точки выклинивания подпора или до вышерасположенного гидроузла, а также для участков крупных притоков, находящихся в подпоре от водохранилища.

Расчеты выполняются для:

среднемноголетнего меженного расхода воды через гидроузел водохранилища при уровне воды у плотины гидроузла на отметке НПУ;

максимальных расходов воды половодья и паводков расчетной обеспеченности при соответствующих уровнях воды у плотины гидроузла (вплоть до форсированного подпорного уровня);

расходов половодья и паводков обеспеченностью от 10 процентов до 1 процента при соответствующих уровнях воды у плотины гидроузла, полученных по результатам водохозяйственных расчетов.

11.3. Особую группу гидравлических расчетов составляют расчеты уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища при суточном и недельном регулировании режимов его работы (например, при регулировании мощности гидроэлектростанции). Все отметки нормативных и иных уровней воды, высотные отметки нулей графиков водпостов, отметки сооружений гидроузлов и других гидротехнических сооружений на водохранилище, отметки уровней воды на характеристиках пропускной способности сооружений и участков рек и водохранилища даются в действующей государственной Балтийской системе высот 1977 года.

12. В большинстве случаев краткосрочное (суточное и недельное) регулирование режима работы гидроузла связано с регулированием мощности гидроэлектростанции и влияет как на ее энергоотдачу, так и на хозяйственную и экологическую обстановку в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. Поэтому задачами соответствующих гидравлических расчетов является получение оценок этого влияния и, в конечном счете, введение соответствующих ограничений по критериям водообеспечения других участников ВХК и сохранения водных и околоводных экосистем.

13. Иногда недельное регулирование имеет место при осуществлении навигационных попусков через гидроузлы для осуществления планового, так называемого, караванного пропуска через лимитирующие участки нижнего бьефа крупнотоннажных судов в условиях недостаточных запасов воды в водохранилище.

14. При выполнении расчетов неустановившегося движения воды в бьефах гидроэлектростанции при суточном и недельном регулировании ее мощности в качестве верхнего (внутреннего) граничного условия в створе гидроэлектростанции принимается график электрической нагрузки, пересчитываемый в расходы сбросов воды через гидроузел. В качестве нижнего граничного условия принимается кривая связи расходов и уровней воды в конце рассматриваемого участка, где влияние гидроэлектростанции практически не сказывается, либо уровень воды нижележащего водохранилища. Расчеты проводятся по часовым расчетным интервалам времени.

Исходные данные

15. Исходная информация, необходимая для составления или пересмотра Правил, для выполнения необходимых водохозяйственных, водноэнергетических и гидравлических расчетов подразделяется на следующие группы:

гидролого-гидрометрическая информация;

гидролого-гидравлическая информация;

гидрометеорологическая информация;

морфометрическая информация;

информация о пропускной способности водосбросных сооружений гидроузла водохранилища;

водохозяйственная информация;

водноэнергетическая информация.

15.1. К гидролого-гидрометрической информации относятся:

календарные ряды речного стока в определенных створах (включая створы гидроузлов водохранилищ) и бокового притока между расчетными створами. Они представляют собой календарную последовательность средних за принятые расчетные интервалы времени (месяц, декада, сутки) естественных или зарегулированных вышележащими водохранилищами расходов воды в створах гидроузлов и боковой приточности на участках между расчетными створами (гидроузлами) за весь или часть периода наблюдений;

расчетные гидрографы высокого половодного и паводочного стока расчетной вероятности превышения, получаемые в результате обработки календарных рядов стока;

календарные ряды наблюдаемых уровней воды на гидрометрических постах, включая фактические уровни воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла рассматриваемого водохранилища.

15.2. К гидролого-гидравлической информации относятся:

кривые связи расходов и уровней воды Q=f(Z)в определенных створах, в том числе и в нижнем и верхнем бьефах гидроузла водохранилища;

кривые модулей пропускной способности участков водохранилища (рек) K= f(Z_ср) в зависимости от средних уровней воды на расчетном участке;

номограммы динамических объемов по участкам рассматриваемого водохранилища W=f(Q_ср,Z_вх,Z_вых), представляющие собой зависимости объемов воды на расчетном участке водохранилища от среднего расхода воды по нему и уровней воды во входном и выходном створах участка.

15.3. К гидрометеорологической информации относятся следующие данные:

данные о температурах воздуха в районе рассматриваемого водохранилища;

данные об осадках на поверхность рассматриваемого водохранилища;

данные об испарении с поверхности водохранилища;

данные об атмосферном давлении в районе рассматриваемого водохранилища;

данные о ветровых явлениях в зоне рассматриваемого водохранилища;

данные о температуре воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища;

данные о ледовых явлениях в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища;

15.4. К морфометрической информации относятся следующие данные:

кривые статических площадей зеркала F=f(Z) в зависимости от уровней воды в рассматриваемом водохранилище;

кривые статических объемов водохранилища в зависимости от уровней воды V=f(Z);

поперечные профили русла и поймы по характерным створам в пределах каждого водохранилища и “елочки” кривых Q=f(Z);

продольные профили участков рек, где располагается водохранилище, гидроузел и зона нижнего бьефа, где вероятно заметное влияние режимов работы гидроузла на водный режим.

Номограммы динамических объемов в равной степени могут быть отнесены и к морфометрической информации.

15.5. К информации о пропускной способности водосбросных сооружений относятся следующие данные:

количество и тип водопропускных сооружений гидроузлов водохранилища;

количество водопропускных отверстий на каждом водопропускном сооружении и их размеры;

характеристика основных, ремонтных и аварийных затворов водопропускных сооружений, включая данные по регламентированным шагам их открытия;

кривые зависимости расхода воды через каждое водопропускное сооружение или отверстие (при частичном и полном открытии затворов) от уровня воды в верхнем бьефе гидроузла или от напора-нетто (разницы уровней воды в верхнем и нижнем бьефе гидроузла);

рекомендуемые, допустимые и запрещенные схемы маневрирования затворами водопропускных сооружений.

15.6 К водохозяйственной информации относятся следующие данные:

проектные характеристики безвозвратного водопотребления выше створа гидроузла;

характеристики фактического водопотребления и водоотведения за период существования водохранилища;

допустимый диапазон колебаний расходов и уровней воды выше и ниже створа гидроузла;

характеристики неэнергетических затрат и потерь стока (на шлюзование, фильтрацию, льдообразование);

данные о потребностях в водных ресурсах водопользователей и приоритетности их учета в Правилах использования;

экологические требования к режимам расходов и уровней воды в нижнем и верхнем бьефах гидроузла рассматриваемого водохранилища.

15.7. К водноэнергетической информации относятся следующие данные:

эксплуатационные характеристики гидроагрегатов;

характеристики потерь напора (суммарные, на сороудерживающих решетках, в напорных водоводах);

данные о фактических объемах выработки электроэнергии за период эксплуатации водохранилища;

типовые графики суточного и недельного регулирования мощности гидроэлектростанции;

ограничения на выдачу мощности в электрические сети;

данные об объемах и сроках плановых ремонтов основного оборудования гидроэлектростанции и сетевого оборудования, влияющего на режим загрузки гидроэлектростанции.