Построение гидрографа среднемесячных расходов и водопотребления

2.1 Определение потребностей в воде, построение гидрографа водопотребления

2.1.1 Проверка величины заданных попусков воды в нижний бьеф для обеспечения требования охраны природы

Определяется величина минимально допускаемого расхода воды для обеспечения требований охраны природы.

В условиях Беларуси необходимо, чтобы минимальные бытовые расходы воды в реках не опускались ниже минимально допустимых Q_{мин. доп} :

Q_{мин. доп} = 0,75 Q_{мин. мес95}, (13)

 

Q_{мин. мес95} = К₉₅Q_{мин. мес} (14)

где Q_{мин. мес95} – минимальные среднемесячные расходы воды в году 95% обеспеченности отдельно для летне-осеннего и зимнего периодов:

Q_{мин. мес} = q _{мин. мес} · F / 10³ , (15)

где q _{мин. мес} – модуль минимального месячного стока, л/(с·км²).

Значение q _{мин. мес} принимается из приложения 2.

 

Вычисляем по формуле (15) модуль минимального месячного стока на летне-осенний период (апрель-октябрь)

Q_{мин. мес} = м³/с

По формуле (14)

Q_{мин. мес95} = 0.614 15.84=9.73 м³/с

По формуле (13) минимально допустимые расходы на апрель-октябрь

Q_{мин. доп} = 0.75 9.78=7.29 м³/с,

 

Вычисляем по формуле (15) модуль минимального месячного стока на зимний период (ноябрь-март)

Q_{мин. мес} = м³/с

По формуле (14)

Q_{мин. мес95} = 0.614 16.46=10.10 м³/с

По формуле (13) минимально допустимые расходы на ноябрь-март

Q_{мин. доп} = 0,75 10.10=7.58 м³/с,

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.34.РС.00

Для определения минимальных природоохранных расходов в реке для летне-осеннего и зимнего периодов, сравниваем их значения с величиной попусков (из задания) в соответствующий сезон года. Если минимально допустимые расходы воды в реке меньше величины попусков в нижний бьеф, то данные требования охраны природы выполняются.

В нашем случае при расчете получили санитарный попуск для летнее – осенней межени равен Q_{мин. доп} =7.29 м³/с. Это меньше, чем по заданию. Значит, данные требования охраны природы выполняются.

Для зимней межени - Q_{мин. доп} =7.58 м³/с. Это больше, чем по заданию. Значит, данные требования охраны природы выполняются.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-КП.34.РС.00

2.1.2 Определение потребностей в воде за год

Для определения суммарной потребности в воде за год сведем все данные в таблицу 3 следующей формы:

 

Таблица 3 – Определение потребностей в воде

Месяц	Утилитарные потребности в воде, м3/с	Попуск в НБ в природоохранных целях Qмин. доп, м3/с	Расчетный попуск в НБ Qнб,р, м3/с	Суммарные потребности в воде
Отбор из верхнего бьефа, Qвб	Попуск в нижний бьеф, Qнб	По месяцам Qi, м3/с	Ui, млн. м3
III	7,00	4,50	7,20	7,20	14,20	34,08
IV	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
V	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
VI	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
VII	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
VIII	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
IX	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
X	6,00	5,50	5,19	5,50	11,50	27,60
XI	7,00	4,50	7,20	7,20	14,20	34,08
XII	7,00	4,50	7,20	7,20	14,20	34,08
I	7,00	4,50	7,20	7,20	14,20	34,08
II	7,00	4,50	7,20	7,20	14,20	34,08
	363,60

 

По полученным расчетам строим график зависимости Q(t).

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-КП.34.РС.00

2.1.3 Расчет среднемесячных расходов воды, построение

гидрографа притока

 

С учетом того, что среди водопотребителей могут иметься те, кто принадлежит к I категории надежности, в качестве расчетной следует принимать приточность маловодного года 95% обеспеченности.

Средний для такого года расход находят по аналитической кривой обеспеченности годового стока:

 

Q_{год. 95%} = К₉₅Q _год. , (16)

 

где К₉₅ – модульный коэффициент 95% обеспеченности;

Q _год. – среднее значение расхода за многолетний период.

По формуле

Q_{год. 95%}=0.614 37.72=23.16 м³/с

Объем стока за расчетный маловодный год:

 

W _{год. 95%} = 31,54 Q_{год. 95%}, (17)

 

где 31,54 – продолжительность года, млн. с.

 

W _{год. 95%}=31,54 23.16=730.47 млн. м³

 

Для проверки возможности обеспечения водопотребителей водными ресурсами, сопоставим объем стока за расчетный маловодный год с величиной суммарных потребностей в воде. Получили суммарные потребности U меньше стока расчетного маловодного года W _{год. 95%} , значит регулирование стока обеспечивает создание водохранилища сезонного регулирования.

Для построения гидрографа притока предварительно заполним

таблицу 4.

Расчет выполняем по водохозяйственному году, за начало которого принимается март месяц – начало многоводного сезона (весеннего половодья). Для заполнения графы 2 используем типовое внутригодовое распределение стока (приложение 3).

 

Таблица 4 – Среднемесячные расходы воды в реке в маловодный год,

р = 95%.

Месяц	Месячный сток от годового стока заданной обеспеченности, wмес. i , %	Объем стока за месяц Wмес. i млн. м3	Количество секунд в месяце, ti, млн. с	Среднемесячный расход Qср. мес.i, м3/с
III	25,50	121,36	2,6784	45,31
IV	43,30	206,08	2,5920	79,51
V	13,40	63,78	2,6784	23,81
VI	2,40	11,42	2,5920	4,41
VII	1,70	8,09	2,6784	3,02
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист СВ-31.КП.31.РС.00     VIII	1,20	5,71	2,6784	2,13
IX	1,20	5,71	2,5920	2,20
X	1,40	6,66	2,6784	2,49
XI	2,20	10,47	2,5920	4,04
XII	4,00	19,04	2,6784	7,11
I	2,40	11,42	2,6784	4,26
II	1,30	6,19	2,4192	2,56
	∑ = 100%	∑ = 475,94	∑ = 31,54

В графе 3 – указываем абсолютные значения месячного стока, вычисляемые из выражения:

 

W_{мес. i} = W _{год. 95% ·} w_{мес. i} / 100%, (18)

 

Находим месячный сток для марта

W_{мес. i} = =130.02 т млн. м³

В графу 4 записываем количество секунд в соответствующем месяце.

В графе 5 указываем среднемесячный расход Q_{ср. мес.i}, значение которого определяем по формуле:

 

Q_{ср. месс.i} = W_{мес. I} / t_i, (19)

 

Найдем по формуле (19) среднемесячный расход:

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.34.РС.00

Q_{ср. месс.i} = м³/с

По значениям среднемесячного расхода строим гидрограф притока, который совмещаем с гидрографом водопотребления.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.34.РС.00

3. Расчет сезонного регулирования стока без учета потерь воды

3.1 Расчет и построение морфометрических (батиграфических)

кривых водохранилища

К основным морфометрическим характеристикам водохранилища относя следующие батиграфические зависимости:

- площади водной поверхности от уровня воды Ω = f (H);

- объема воды в водохранилище от уровня воды V = f (H).

Данные зависимости называются батиграфическими кривыми.

Для построения этих кривых предварительно заполняем таблицу 5.

 

Таблица 5 – Координаты кривых объемов и площадей проектируемого водохранилища

Отметка уровня воды водохранилища, Hi,м	Площадь зеркала, Ωi, км2	Средняя площадь зеркала, Ωср.i, км2	Высота слоя, ΔH i, м	Объем слоя, ΔVi, млн.м3	Объем водохранилища, V, млн.м3
117,50	0,00	0,69 8,05 33,27 62,29 100,33	2,50 2,50 2,50 2,50 2,50	1,15 20,12 83,17 155,73 250,83	0,00
120,00	1,04	1,15
122,50	18,70	21,27
125,50	50,40	104,44
127,50	75,00	187,61
130,00	128,00	343,34

 

Для заполнения граф 1 и 2 используем данные из задания по вариантам. Расчет в таблице сводится к послойному определению объемов воды между смежными горизонтальными плоскостями.

Площадь нижнего от дна речной долины зеркала равна:

Ω_ср.1 = 2/3 (Ω₂) (20)

Определим по формуле (20)

Ω_ср.1= км²

Для остальных горизонтальных плоскостей средние площади зеркала вычисляют по формуле усеченной пирамиды:

Ω_ср.i = (Ω_i + √Ω_i Ω_i+1 + Ω_i+1)/3 (21)

Подставим в формулу значения

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.34.РС.00

Ω_ср.i= км²

Высота слоя воды между соседними горизонтальными плоскостями определяется как разность между их отметками H_i :

ΔH_i = H_i+1 – H_i (22)

По формуле (22)

ΔH_i = 130 – 127,5=2,5 м

Объем первого придонного слоя речной долины ΔV₁ определяют по формуле усеченного параболоида:

ΔV₁ = 2/3(Ω₁ ΔH₁), (23)

По формуле (23)

ΔV₁ = млн. м³

Объем каждого слоя находят умножением средней площади зеркала воды между смежными плоскостями на толщину слоя воды:

ΔV_i = Ω_ср.i ΔH _i, (24)

По формуле (24)

ΔV_i =8,05 2,5=20,12 млн. м³

Общий объем, размещаемый в чаше проектируемого водохранилища получают последовательным суммированием объемов слоев воды между соседними горизонтальными плоскостями.

По данным полученным в таблице строим кривые объемов и площадей водохранилища.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

3.2 Расчет полезного объема водохранилища без учета потерь воды

Определение параметров проектируемого водохранилища рекомендуется выполняем таблично-цифровым способом. Балансовые расчеты водохранилищ сводятся в таблицу 6, следующей формы:

 

Таблица 6 – Расчет полезного объема водохранилища без учета потерь воды

Месяц	Расчетный сток Wpi, млн. м3	Потребность в воде (отдача) Ui, млн. м3	Сток минус отдача: Wpi–Ui, млн. м3	∑(Wpi–Ui), млн. м3	Наполнение водохранилища, млн. м3
Избыток воды Wизб	Дефицит воды Wд	Объем воды в конце месяца VKi	Холостой сброс Vсб.i
III	121,36	34,08	87,28		87,28	87,28
IV	206,08	27,60	178,48		265,74	189,61	76,15
V	63,78	27,60	36,18		301,92	189,61	36,18
VI	11,42	27,60		16,18	285,74	173,43
VII	8,09	27,60		19,51	266,23	153,92
VIII	5,71	27,60		21,89	244,34	132,03
IX	5,71	27,60		21,89	222,45	110,14
X	6,66	27,60		20,94	201,51	89,20
XI	10,47	34,08		23,61	177,90	65,59
XII	19,04	34,08		15,04	162,86	50,55
I	11,42	34,08		22,66	140,20	27,89
II	6,19	34,08		27,89	112,31
∑	475,93	363,6					112,33

 

Расчет годового регулирования речного стока проводим по водохозяйственному году, за начало которого принимаем начало многоводного сезона, т.е. март месяц.

Из таблиц 3 и 4 данные о расчетном стоке заносим в хронологической последовательности в графы 2 и 3 таблицы 6.

Для заполнения граф 4 и 5, сопоставляем помесячно сток и отдачу и вычисляем избытки и дефициты

W_изб = W_р–U (25)

W_д = –( W_р–U ) (26)

 

Расчет полезного объема V_плз выполняем в следующей последовательности: выбираем месяц, в конце которого можно полностью сработать весь полезный объем водохранилища (для условий Беларуси это обычно февраль).

Затем, начиная с этого месяца, последовательно прибавляем значения дефицитов воды (ходом «снизу вверх») и определяем объем воды, который может покрыть все дефициты до конца межени. Этот объем воды, представ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

ляющий наибольшую сумму дефицитов, и является полезным объемом водохранилища V_плз (без учета потерь).

 

Второй этап расчета состоит в вычислении месячных объемов наполнения установленной емкости водохранилища. Он ведется методом «сверху вниз» с месяца, следующего за месяцем полной сработки полезной емкости. Последовательно суммируя избытки графы 4, пополняем запасы воды в пределах полезной емкости. Если сумма избытков превышает полезный объем, то в графу 7 записываем его значение, установленное выше, а остальную часть избытков воды направляем на холостой сброс в нижний бьеф и заносим в графу 8.

Контролем правильности расчетов таблицы является баланс суммы годового притока, годовой потребности (отдачи) и всех объемов холостых сбросов.

 

475,93-363,6-112,33=0

 

Полезный объем водохранилища определим как разницу между максимальным и минимальным значением суммы избытков и дефицитов в течение года

V_плз = ∑(W_pi–U_i)_max – ∑(W_pi–U_i)_min. (27)

 

Подставим в формулу значения

 

V_плз=301,92-112,31=189,61 млн. м³.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

3.3 Определение мертвого объема водохранилища и расчет заиления

Мертвый объем водохранилища определяется из условия заполнения его наносами за расчетный срок эксплуатации. Под заилением водохранилища понимают процесс постепенного заполнения мертвого объема отложениями наносов. Расчетный срок эксплуатации водохранилищ t_сл для целей водоснабжения обычно принимается равным 50-75 лет.

При выполнении расчетов в этом подразделе последовательно определяют количество поступающих и аккумулирующихся в водохранилище взвешенных, а затем и влекомых наносов. Мертвый объем проектируемого водохранилища по условиям заиления принимают равным суммарному объему взвешенных и влекомых наносов, с учетом дополнительного их поступления за счет склоновой и ветровой эрозии и разрушения берегов сразу после строительства водохранилища.

 

3.3.1 Определение объема взвешенных наносов

По величине средней мутности реки ρ₀ (для равнинных рек Беларуси рекомендуется принять 150–350 г/м³) определяется средний расход взвешенных наносов R_н:

R_н = ρ₀ Q_год / 1000 (28)

 

где Q_год – среднемноголетний расход воды, м³/с.

Подставим в формулу (28)

R_н кг/с

 

Далее определяется среднемноголетний объем за год взвешенных наносов:

V_{взв. год} = 31,54 R_н / ρ_взв (29)

 

где ρ_взв – плотность взвешенных наносов (принимаем в интервале 1200–1500 кг/м³).

Вычислим среднемноголетний объем за год взвешенных наносов по формуле (29):

 

V_{взв. год}

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

Затем определяется объем взвешенных наносов, заполняющий ложе водохранилища за проектный срок его эксплуатации:

 

V_взв = V_{взв. год} (1– δ) t_сл (30)

 

где δ – транзитная часть взвешенных наносов, выносимых из водохранилища в нижний бьеф, принимается δ = 0,20–0,30.

Тогда (1– δ) – та часть взвешенных наносов, которая аккумулируется в чаше водохранилища.

По формуле (30) определим объем взвешенных наносов

 

V_взв =0,08 (1-0,25) 70=4,2 млн. м³ .

 

 

3.3.2 Определение объема влекомых наносов

 

Расчет ведется из условия, что между массой взвешенных и влекомых наносов существует определенное соотношение – для равнинных рек β – отношение массы влекомых наносов к массе взвешенных можно принять равным 0,05–0,10.

Объем влекомых наносов определяется по формуле:

 

V_вл = 31,54 R_н β t_сл / ρ_вл (31)

 

ρ_вл – плотность влекомых наносов: 1400–1700 кг/м³.

 

Определим объем влекомых наносов

 

V_вл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

3.3.3 Определение мертвого объема водохранилища

 

Определяется объем водохранилища, занимаемый взвешенными и влекомыми наносами, с учетом коэффициента φ.

φ – учитывающего дополнительное их поступление за счет склоновой и ветровой эрозии и разрушения берегов сразу после строительства водохранилища:

V_н = φ(V_взв + V_вл) (32)

примем в интервале φ = 1,10–1,15.

Вычислим объем водохранилища, занимаемый взвешенными и влекомыми наносами по формуле (32)

 

V_н =1,12 (4,2+0,361)=5,11 млн. м³,

 

Тогда из условия заиления мертвый объем водохранилища принимается равным:

V_мо =V_н =5,11 млн. м³

Полученную величину мертвого объема водохранилища проверяют на соответствие санитарно-техническим требованиям.

С учетом опыта эксплуатации водоемов Беларуси мертвый объем принимается равным 0,25 V_плз. Полученный по условиям заиления мертвый объем оказался меньшим, чем 0,25 V_плз, значит окончательно за расчетный принимаем

V_мо = 0,25 V_плз (33)

Подставим

 

V_мо = 0,25 189,61=47,4 млн. м³.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

СВ-31.КП.51.РС.00

4. Расчет сезонного регулирования стока с учетом потерь воды.