Курсовая работа
Тема:
«Водохозяйственный расчет водохранилища»
Уссурийск, 2010 г.
1. Первичный расчет водохранилища
1.1 Расчет и построение батиграфических характеристикводохранилища
В процессе водохозяйственных расчетов водохранилищаиспользую ряд характеристик. В первую очередь – это батиграфические кривые, покоторым: строится график зависимости объема водохранилища от уровня воды в нем Vн=f(H), и график зависимости площади зеркала водохранилища отуровня в нем ω =f(H).
Таблица 1. Расчет координат батиграфических и объемныхкривых водохранилищаУровень воды Н, м
Площадь зеркала w, км2 Разность уровней воды ΔН, м
Объем воды млн., м3
Средняя глубина воды hср, м Литораль /> ΔV Vн
Swл, км2 Категории Lw />
1
2
3
4
5
6
7
8 /> 56 2 1.06 - /> 58 0.8 2 1.06 1.33 0.8 1 /> 2 /> 60 1.2 2 3.06 2.55 0.4 0.3 /> 3 /> 62 1.8 2 6.06 3.37 0.6 0.33 /> 4.6 /> 64 2.8 2 10.66 3.81 1 0.36 /> 6.8 /> 66 4 2 17.46 4.37 1.2 0.3 /> 9 /> 68 5 2 26.46 5.29 1 0.2 /> 10.6 /> 70 5.6 2 37.06 6.62 0.6 0.11 /> 11.6 /> 72 6 2 48.66 8.11 0.4 0.07 />
Порядок расчета таблицы:
1) В 1 колонку записываем расчетные уровни Hi;
2) Во 2 колонку записываем площадь зеркала;
3) В 3 колонку записываем разность расчетных уровней;
4) В 4 колонке определяем частичные объемы, заключенныемежду расчетными уровнями ΔV, т.е. объемы воды заключенные между сложными уровнямиводы, при этом для первого слоя:
ΔV1 = ⅔*ω2*ΔH (млн. м³)
Для остальных слоев ΔV считается:
ΔV = ΔH* ωi + ωi+1 (млн. м³)
5) В 5 колонку записываем объем наполнения водохранилища Vн, путем последовательного суммирования 4 колонки (ΔV).
6) 6 колонку рассчитываем значение средней глубины hср:
hср=Vнi/ωi (м)
7) Определяем характеристики литорали:
Литораль – это мелководная зона водохранилища, в прибрежнойполосе (глубина менее 2 метров).
а) Определяем площадь литорали (7 колонка)
ωLi = ωнi –ωнi-2
б) Рассчитываем значение критерия литорали (8 колонка)
Lωi = ωLi/ ωi
По результатам таблицы строится график (рис. 1.)
По данным 1 и 2 колонок чертим кривую площади зеркала ω=f(H).
По данным 1 и 5 колонок чертим кривую объема воды Vн = f(H).
По данным 1 и 6 колонок строим график средних глубин hср = f(H).
По данным 1 и 8 колонок строим график кривой литорали L =f(H).
1.2 Определение мертвого объема водохранилища
Порядок расчета:
1) Определяем параметры мертвого объема исходя изсанитарно-технических условий.
Согласно этим условиям средняя глубина должна быть не менее 2,5 метра.
hср > 2,5 м
Hмо = 59,75 м
Vмо =3 млн. м3
2) Проверяем установленные параметры мертвого объема насоблюдение условий по качеству воды Lw ≤ 0,35
В нашем случае Lw=0,39
Вывод: При данных параметрах мертвого объема качествопитьевой воды не соблюдается и параметры мертвого объема надо пересчитать.
Мертвый объем V′мо = 3.15 млн. м3, уровень H′мо= 59.9 м.
3) Проверяем величину мертвого объема на заиление.
Для малых водохранилищ срок заиления мертвого объема долженбыть не менее 50 лет.
а) Определяем среднегодовой объем отложений наносов
VH= />
/> – мутность воды, она равна 600 г./м.куб.
/> – средний многолетний объемгодового стока, она равна 180 млн., м. куб.
/> – плотность донных отложений, онаравна 0,85 т/м. куб.
/> – доля донных наносов, она равна0,18
/> – транзитная часть наносов, онаравна 0,25
б) Определяем срок заиления.
tз = VMO/VH =3,15*106/0,12=26,25 (лет)
При этих параметрах условия на заиление не выполняются ипараметры мертвого объема нужно уточнить.
Vмо = Vн *50=0,12*50= 6 млн.м3
Определяем уровень мертвого объема.
Hмо = 62 м.
Vмо = 6 млн. м3
За основу расчета мертвого объема принимаю: Hмо=67,5 м
Vмо =6 млн. м3
1.3 Определение суммарного объема потерь воды изводохранилища
Суммарные потери воды из водохранилища состоят из потерь нафильтрацию и на дополнительное испарение.
П = Ф+Eд, (мм./мес.),
Где Ф – потери на фильтрацию,
Ед – потери на дополнительные испарения.
Годовая величина дополнительных потерь на испарение (Едгод).
Едг = Кре* Ед – Крх*Хв (мм/год)
Ев – средне многолетнее испарение с воднойповерхности за год
Хв – средне многолетнее годовое количествоосадков 500 мм.
Кре и Крх – модульные коэффициентыиспарения и осадков.
Расчет Ев – производится по формуле: Ев= Е20*Кн*Кд*К (мм./год)
Е20 – годовое испарение с испарительного бассейна площадью
Эту величину определяем по карте и она равна 500 мм.
Кн – поправочный коэффициент на глубину водоемаКн =0,98
Кд – поправочный коэффициент на защищенностьводоема Кд = 0,7
К ω – поправочный коэффициент на площадьводоема К ω=1
При обеспеченности осадков Кр%=90%, Крх= 731 мм.
Ев = 500*0,98*0,7*1=343 мм.
Ре = 100-Рх = 100–90=10%
Кре=1,19
Ед = Кре* Ев* Крх*Хв = 1,19*343 – 0,731 * 500 = 42.67 мм.
П = Ф+Ед =90+42,67=132,67, мм
Дальнейший расчет ведем в табличной форме, таблица 2.
Таблица 2. Вычисление суммарного слоя воды из водохранилищаМесяц
Слой потерь на фильтрацию
Ф, мм. Слой испарений Слой осадков
Слой дополнительных испарений
Ед= Е100-р – Хр Суммарный слой потерь П, мм Ер, % Е100-р, мм Х, мм Хр, мм 1 2 3 4 6 7 8 01 90 - - 6 4 - 90 02 90 - - 8 6 - 90 03 90 - - 12 9 - 90 04 90 3 12 30 22 - 90 05 90 16 75 40 29 36 126 06 90 22 90 70 51 39 129 07 90 21 86 90 66 20 110 08 90 19 78 100 73 5 95 09 90 12 49 100 73 - 90 10 90 6 24 90 66 - 90 11 90 1 4 40 29 - 90 12 90 - - 20 15 - 90 За год 1080 100 418 606 443 100 1210
Таблица 3. Расчет объемов потерь из водохранилища (Vп)Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII П, мм 90 90 90 90 126 129 110 95 90 90 90 90 П, млн., м 0.54 0.54 0.54 0.54 0.76 0.77 0.66 0.57 0.54 0.54 0.54 0.54
П = 0,001* П * w, (млн. м3)
По данным этой таблицы чертится график (рис. 2.)
2. Расчет водохранилища сезонно-годовогорегулирования стока балансовым методом
2.1 Установление режима работы водохранилища
Расчет регулирования по методу прямой задачи начинаем спредварительных расчетов, которые должны установить:
– необходимость и возможность сезонного регулирования;
– режим работы водохранилища и величину полезногообъема;
– начало водохозяйственного года.
Установление необходимости, возможности режима работыводохранилища и сезонного регулирования стока.
Для этого строим вспомогательную таблицу 4.
Таблица 4. Данные для определения режима работыводохранилищамесяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год Wр, млн. м. куб 3 2 3 8 12 10 8 7 6 4 4 3 70 U, млн. м. куб. 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 48 Wр-U -1 -2 -1 4 8 6 4 3 2 -1
1) Устанавливаем необходимость сезонного регулированиястока, так как в январе, феврале, марте, ноябре, декабре отдача превышает сток,то необходимо сезонное регулирование стока.
2) Устанавливаем возможность сезонного регулирования стока
Так как у нас Wг = млн. м. куб.>Uг = млн. м. куб., тосезонное регулировании возможно.
3) Устанавливаем режим работы водохранилища.
В моём случае будет наблюдаться однократный режим работытак как сумма недостатка Δ d=-5 млн. м3 с октября по март исумма избытка ΔV=27 млн. м3 наблюдается с апреля по сентябрь.Условия Δd
4) Определяем начало водохозяйственного года. За началоводохозяйственного года берем первый месяц периодов избытка стока «Апрель».
5) Определяем величину полезного объема (V пл) приоднотактном режиме.
Величина полезного объема будет равна дефициту стока
Vплз = Δ d=5 млн. м3
2.2 Таблично-цифровой расчет водохранилища без учета потерь
Расчет сезонного регулирования без учета потерь.
Расчеты объемов наполнения и сброса водохранилища ведем втаблице 5.
Расчет по I – варианту правил регулирования стока.
Наполнение водохранилища до Vнпу=11 млн. м3 происходит за счет первых избытковстока.
Расчет ведем в следующем порядке:
а) Объем наполнения водохранилища на начало первого месяцапринимаем равному мертвому объему Vмо =6 млн. м. куб.
б) Затем определяем фиктивное наполнение водохранилища наконец месяца
Vф = Vн + (Wр-U)
Определяем наполнение водохранилища на конец месяца исходяиз того, что Vф находится междуобъемами Vмо иVнпу, то есть должно выполняться условие
Vнпу>Vф>Vмо
По этому если полученное значение Vф соотвецтвует этому условию, то конечный объем Vк=Vф.
в) Если Vф>V нпу, то Vк = Vнпу, а остальнойобъем уходит на сброс
Vсб = Vф – Vнпу.
Полученное значение Vк и Vсб записываем в 6 и7 колонку.
г) Выполняем расчеты последующих месяцев в таком жепорядке.
Расчет по II – варианту правилу регулирования стока.
Первые избытки стока сбрасываются, а за счет последующихнаполняется водохранилище.
Расчет ведется против хода времени, то есть с последнегомесяца:
а) Объемы наполнения водохранилища на конец последнегомесяца принимаем Vк = Vмо.
б) Определяем фиктивное наполнение на начало последнегомесяца
Vф = Vк + (Wр – U)
Проверяем условие Vнпу >Vф >Vмо
1) если это условие выполняется Vн = Vф и сбросы Vсб = 0
2) если Vф
2.3 Таблично-цифровой расчет водохранилищас учета потерь
Расчет будем проводить по II – варианту.
Потери в этом случае определяю по ранее построенном графикупотерь (рис. 2) в следующем порядке:
а) Определяем средний объем воды водохранилища за каждыймесяц (10 колонка)
Vсб = (Vн + Vк)/2
б) По батеграфическим кривым (рис. 1) Vн = f (Н) находим площадь зеркала водохранилища по величинесреднего объема ω =f (h) (11 колонка)
в) по соответствующему графику потерь по величине ωср величинупотерь Vп и записываем в 12 колонку.
г) Определяем дефицит стока (13–14 колонка) с учетом потерь
Wр – U – Vг
д) Уточняем режим работы водохранилища величину Vплз и полного объема
Vплз = 5 млн. м3
Vнпу = 11 млн. м3
е) Производим перерасчет объемов наполнения и сброса сучетом потерь. В порядке зависящих от варианта правил регулирования стока.
2.4 Графические расчеты водохранилищасезонно-годового регулирования стока
Графические способы применяются для предварительныхрасчетов регулирования стока без учета потерь.
Различают три способа таких расчетов:
1) С помощью полных интегральных кривых стока и отдачи.
2) С помощью сокращенных интегральных кривых стока иотдачи.
3) с помощью разностных кривых стока и отдачи.
Для выполнения этих расчетов выполняем предварительныйрасчет в таблице 6.
Таблица 6. Ордината интегральных кривых
Месяц
Wр
U
∑Wр
∑Wр-U
∑Wр-К∑U />
1
2
3
4
5
8 /> IV 8 4 /> 8 4 4 /> V 12 4 /> 20 8 12 /> VI 10 4 /> 30 12 18 /> VII 8 4 /> 38 16 22 /> VIII 7 4 /> 45 20 25 /> IX 6 4 /> 51 24 27 /> X 4 4 /> 55 28 27 /> XI 4 4 /> 59 32 27 /> XII 3 4 /> 62 36 26 /> I 3 4 /> 65 40 25 /> II 2 4 /> 67 44 23 /> III 3 4 /> 70 48 22 />
Графические способы расчета сезонного регулирования стока
Режим работы водохранилища по I Варианту
1) С 1го апреля по 6е мая периодзаполнения полезного объёма.
2) С 6го мая по 31е октября идётсброс лишней воды при полном заполнении полезного объёма.
3) С 1го ноября по 31е марта проходитпериод сработки полезного объёма.
Режим работы водохранилища по II Варианту
1) С 1го апреля по 26еиюня наблюдается период сброса.
2) С 27го июня по 31еоктября происходит процесс наполнения полезного объёма.
3) С 1го ноября по 31емарта проходит период сработки водохранилища.
3. Расчет методом Крицкого – Менкеля
В этом методе сезонная составляющая полезного объема также, как в балансовом методе:
Из исходных данных:
Коэффициент за регулирование стока ά=0,7;
Длительность межени в долях года tМ= 7/12 =0,58;
Доля меженного периода mМ=0,3
βсез=ά*(tм – mм)=0,9*(0,58–0,3)=0,25
W –среднемноголетний объем годового стока = 180 млн. м³.
Vсез = βсез*Wг =180*0,25=8,05 млн. м³.
Многолетняя составляющая βмн в этом методеопределяется с помощью графиков «Сванидзе».
В зависимости от коэффициентов вариации Сv и асимметрии Сs речногостока.
Коэффициент корреляции стока смежных лет r, расчетнойобеспеченности Р=90% и коэффициент регулирования стока ά =0,7.
В начале выбирают расчетный график в зависимости от Сv/Сs, r, обеспеченностир%.
Затем по этому графику в зависимости от Cv и άопределяют β мн.
Vмн = β мн* Wг = 0,56*180=100,8 млн. м³.
βмн = 0,56
Vплз= Vсез + Vмн = 8,05+10= 18,05 млн. м³.
Расчет методом Монте – Карлом.
Он основан на моделирование искусственных гидрологическихрядов большой продолжительности (1000 – и более лет).
При этом расчеты обычно выполняют способом обратной задачи.
Зная величину βмн устанавливаем вероятность отдачи Рu%.
Порядок расчетов:
1) По величинам Cs и Cv по заданной реке рассчитываем теоретическую кривуюобеспеченности таблица 7.
Таблица 7. Расчет теоретической кривой обеспеченностиР% 0,1 1 3 5 10 20 30 50 70 80 90 95 97 99 К 2,49 2,02 1,79 1,66 1,48 1,28 1,51 0,96 0,78 0,69 0,58 0,49 0,44 0,36
И строим теоретическую кривую обеспеченности
1) Моделируем ряд значений обеспеченности годового стока Р%.
Методом генерации случайных чисел.
Дальнейший расчет ведем в табличной форме таблица 8.
2) колонку записываем случайные числа. Они равныобеспеченности.
3) колонка – по кривой обеспеченности определяем модульныекоэффициенты Кi и записываем.
4) колонка – для каждого года определяется величина βpi = βнi – ά + Кi
βнi – наполнение водохранилища в начале года. Для первогорасчетного года будет равен 0.
Таблица 8. Вычисляем вероятностные характеристики методомМонте-Карло βмн = 0,2 ά = 0,7
№ п.п.
Рi%
Кi
βрi
βкi
di
Βсб
1
2
3
4
5
6
7 1 66 0,82 0,12 0,12 2 44 1,02 0,52 0,2 0,32 3 72 0,76 0,58 0,2 0,38 4 57 0,89 0,39 0,2 0,19 5 31 1,14 0,64 0,2 0,44 6 37 1,06 0,56 0,2 0,36 7 52 0,93 0,43 0,2 0,23 8 51 0,92 0,42 0,2 0,22 9 62 0,86 0,36 0,2 0,16 10 87 0,62 0,12 0,12 11 66 0,82 0,24 0,2 0,04 12 18 1,3 0,8 0,2 0,6 13 10 1,5 1,0 0,2 0,8 14 48 1,01 0,51 0,2 0,31 15 25 1,22 0,72 0,2 0,52 16 82 0,68 0,18 0,18 17 13 1,4 0,9 0,2 0,7 18 48 1,01 0,51 0,2 0,31 19 3 1,79 1,29 0,2 1,09 20 17 1,31 0,81 0,2 0,61 21 75 0,74 0,24 0,2 0,04 22 12 1,42 0,92 0,2 0,72 23 4 1,7 1,2 0,2 1,0 24 59 0,88 0,38 0,2 0,18 25 4 1,7 1,2 0,2 1,0 26 75 0,74 0,24 0,2 0,04 27 60 0,87 0,37 0,2 0,17 28 17 1,31 0,81 0,2 0,61 29 4 1,7 1,2 0,2 1,0 30 92 0,52 0,02 0,02
Определяем 5 колонку Объем наполнения на конец года βкi, взависимости от полученного значения βрi:
а) βр > βмн в этом случае наблюдаются избыткиводы и принимаем βкi = βмн.
Дефицит стока di = 0, а величина сброса равна βсб = βр – βмн.
б) βмнi > βрi > 0 в этом случае βсб = 0, βdi =0, βкi = βр.
в) βрi
Выполнив расчет за первый год, преступаем к расчетам дляпоследующего года.
βр= βн + Кi – ά
βн –принимается βк – за предыдущий год.
Рассчитав полностью таблицу. Определяем обеспеченностьотдачи.
Для этого определяем вероятность перебоев по формуле:
Аd =nd/N
где nd – число лет с дефицитом стока. Определяем по 6 колонке
nd = 0
N –Продолжительность ряда равное 30.
Аd = 0/30=0
Находим фактическую обеспеченность по формуле:
Рu = (1 – Аd)* 100%=(1 – 0)*100% = 100%.
Это значение сравнивается с расчетным:
Фактическая обеспеченность Рu =100% больше расчетнойобеспеченности Р = 90%, то βмн рассчитано верно.
4. Расчет трансформации паводка водохранилищем способомКачерина
Для предварительных расчетов допускается применятьупрасченный способ Качерина.
В этом способе сделано два допущения:
1) Рассчитанный гидрограф max стока представлен ввиде треугольника или трапеции.
2) Считается, что увеличение сбросных расходов происходитпо линейному закону.
Этот способ применим в случае водослива без затворов сотметкой гребня на уровне НПУ, точность этого способа 5 – 10%, что в полнеедостаточно.
Порядок расчетов.
1) Чертится расчетная таблица 9.
водохранилище паводок трансформация сток
Таблица 9. Расчет сбросных расходов
№ п.п
Hф, м
ФПУ, м
Vфпу
Vф
Qc
qс
1
2
3
4
5
6
7 1 0,5 64,7 13,5 2,5 295,9 58,29 2 1,0 65,2 14,4 3,4 294,4 166,55 3 1,5 65,7 17,3 6,3 289,5 305,97 4 2,0 66,2 18,0 7,0 288,4 471,07 5 2,5 66,7 21,5 10,5 282,6 658,35 6 3,0 67,2 22,6 11,6 280,8 865,42
2) заполняем 2 колонку задаваясь значением слоем форсировкиhф.
Вычисляем отметку ФПУ по формуле:
ФПУ = НПУ + hф
НПУ – находим по графику батеграфических и объемных кривых
3) По батеграфической кривой объемов, по значениям ФПУопределяем объем водохранилища Vфпу и записываем в 4 колонку.
4) Определяем объем форсировки по формуле:
Vф = Vфпу – Vнпу млн. м.³
Объем Vнпу = 11 млн.м.³И записываем в 5 колонку.
Определяем слой форсировки и объем форсировки.
Рассчитываем объем паводка по формуле:
Wп = 0,5* Т *Qmax.
Из исходных данных:
Максимальный расход паводка Qmax= 300 м/с;
Продолжительность паводка Т = 14 суток.
Wп = 0,5* Qmax*Т* 86400=0,5*300*14*86400=181440000≈181 млн. м³
Рассчитываем max сбросной расход по формуле:
Qс = Qmax*(1 – Vф/Wп)
Полученный результат записываем в 6 колонку.
Рассчитываем сбросные расходы, пропускаемые водосливом.
qc = mb*B√2g* hФ м³/с
Из исходных данных:
Коэффициент расхода водослива mb = 0,47;
Ширина водослива B =80
Строится график
По колонке 2 и 6 строится график Qс = f (hф)
По колонке 2 и 7 строится график qc =f (hф)
Точка пересечения графиков дает нам расчетное значениефорсировки, и сброс.
По расчетной величине hф определяем отметку ФПУи Vф.
Слой форсировки hф = 109 м.;
Объем форсировки Vф = 8,8 млн. м³
Литература
1. Практикум по гидрологии,гидрометрии и регулированию стока / Е.Е. Овчаров, Н.
2. Н. Захаровская, И.В. Прошляков и др.; Под ред. Е.Е. Овчарова.– М.: Агропромиздат, 1988. – 224 с.