Водохранилища

Водохранилища

Водохранилище — искусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве.

Водохранилища делятся на 2 типа: озёрные и речные. Для водохранилищ озёрного типа характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Водохранилища речного (руслового) типа имеют вытянутую форму, течения в них, обычно, стоковые; водная масса по своим характеристикам близка к речным водам.

Основными параметрами водохранилища являются объём, площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Водохранилище состоит из трех основных частей: озерной, озерно-речной и речной.

Озерная часть - это зона водохранилища, примыкающая к плотине и простирающаяся вверх по течению на значительное расстояние (70-150 км) от створа. Она наиболее глубоководна при любых уровнях воды, скорость течения незначительна, волнение наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища.

Озерно-речная часть - средняя зона водохранилища. При сработке ниже нормального уровня она характеризуется незначительными глубинами на пойме, судоходство осуществляется только по судоходным трассам. Наблюдается сильное волнение, а также течение воды по направлению главного русла реки.

Речная часть даже при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. Волнение слабое, скорость течения значительна. При низких уровнях вода входит в меженное русло реки.

На не полностью зарегулированных реках характерной частью водохранилищ является зона выклинивания подпора (зона переменного подпора) - участок сопряжения свободной реки с водохранилищем. Длина участка в зависимости от отметок уровней воды в реке и водохранилище может быть довольно значительной (до 100 км). Водный и русловой режимы зоны очень сложные. В разные периоды года эту зону можно рассматривать как свободную реку, устье реки или водохранилище.

Водохранилище существенно отличается от озера возрастом, формой ложа, повышенной проточностью и особенностями водного, руслового и ледового режимов. Из-за малого возраста водохранилища интенсивно происходят переработка берегом представляющих собой обрывистые крутые откосы, и деформация глубинной части ложа. По причине небольшой вместимости водохранилищу (по сравнению с объемом жидкого и твердого стоков реки) существенное значение имеет отложение наносов.

На отдельных водохранилищах через 15-20 лет эксплуатаций толщина слоя наносов составляет 1-1,5 м, а объем 20- 0% общей вместимости водохранилища.

По режиму деформаций долинные водохранилища подразделяют на три зоны. Верхняя зона характеризуется значительными эрозионными выносами из притоков. В средней зоне при низком уровне воды под действием волнения интенсивно деформируется дно, значительна роль эрозионных выносов; при высоком уровне ослабевает взаимодействие волн с дном, усиливается переработка берегов. В нижней зоне волнение не оказывает существенного влияния на состояние дна, но переформирование берегов происходит наиболее интенсивно.

В водохранилищах обычно наблюдаются два вида течений: сточное (постепенно ослабевающее от верхнего участка к плотине) и береговое (ветроволнового происхождения).

Типы водохранилищ.

По морфологии ложа:

Долинные – ложе которых часть речной долины. Есть уклон дна и увеличивается глубина от верхней части к плотине.
- Русловые – в пределах русла и низкой поймы.
- Пойменно-долинные – русло, высокая пойма и часть террас.
Котловинные – подпруженные озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, отгороженных от моря заливах, лиманах, лагунах, а также в карьерах.

По способу заполнения водой:

Запрудные – заполняет вода водотока, на котором они расположены.
Наливные – заполняются водой рядом расположенного водотока или водоема.

По географическому положению:

Горные – на горных реках. Имеют напор.
Предгорные. Высотой напора 50-100 м.
Равнинные. Обычно мелкие, высотой напора не более 30 м.
Приморские – в морских лиманах, заливах, лагунах и эстуариях. Высотой напора несколько метров.

По месту в речном бассейне:

верховые
низинные

По степени регулирования речного стока:

многолетнего регулирования
сезонного регулирования
суточного регулирования

Водохранилище ирригационного назначения — водохранилище, предназначенное для подачи воды на орошаемые территории.

Водохранилище энергетического назначения — водохранилище, предназначенное для выработки гидроэнергии.

Водохранилище комплексного назначения — водохранилище, предусмотренное для удовлетворения потребности в воде нескольких отраслей национальной экономики.

В отличие от естественных замкнутых водоемов, которые не используются в качестве водохранилищ, в данном случае существует набор специальных терминов, характеризующих их допустимые водные запасы и уровни уреза воды:

Нормальный подпорный уровень (НПУ) — оптимальная наивысшая отметка водной поверхности водохранилища, которая может длительно поддерживаться подпорным сооружением;

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) или горизонт форсировки — отметка водной поверхности водохранилища, превышающая НПУ, который, при проектировании гидроузла с известной пропускной способностью, определяется, исходя из площади водохранилища и максимально возможного притока воды. Превышение этого уровня может привести к переливу через гребень плотины и к другим аварийным ситуациям;

Уровень мёртвого объёма (УМО) или горизонт сработки водохранилища — отметка водной поверхности, соответствующая наибольшему опорожнению водохранилища. Рассчитывается в соответствии с условиями заиления, необходимым уровнем воды для зимовки рыб, обеспечению экологических условий, технологическими особенностями подпорных сооружений и характеристиками притока в водоем;

Мёртвый объём водохранилища — объём водоёма ниже отметки горизонта сработки водохранилища (УМО);

Полезный объём водохранилища — часть объёма водоема между отметками оптимального наивысшего уровня горизонта (НПУ) и уровнем максимальной сработки водоёма (УМО);

Емкость форсировки или Регулирующая емкость водохранилища — часть объёма водоема между отметками ФПУ и НПУ, предназначенная для уменьшения максимального расхода через гидроузел во время весеннего половодья или дождевых паводков;

Объём или полный объём водохранилища — данная величина равна сумме мёртвого и полезного объёмов.

Регулирование стока — это процесс перераспределения его водохранилищем в соответствии с требованиями водохозяйственного комплекса (энергетика, водоснабжение, орошение, судоходство, борьба с наводнениями, рыбное хозяйство и т.п.). Речной сток аккумулируется в водохранилище в периоды, когда естественная приточность воды превышает потребности в ней, и расходуется в периоды, когда потребность в воде превышает приточность.

Период аккумуляции речного стока называется наполнением водохранилища, а период отдачи наполненной воды — сработкой водохранилища.

Различают основные и специальные виды регулирования стока.

К основным видам регулирования стока относят: суточное, недельное, годичное и многолетнее.

Суточное регулирование предназначено для обеспечения неравномерного расхода воды через агрегаты ГЭС в соответствии с требованиями суточных колебаний нагрузки энергосистемы при сравнительно постоянном в течение суток притоке воды. При суточном регулировании цикл регулирования составляет одни сутки и к концу цикла уровень воды в верхнем бьефе возвращается к исходному положению — УМО. Уровень воды в нижнем бьефе будет соответствовать поступающему расходу в нижний бьеф. Благодаря суточному регулированию в часы малой нагрузки ГЭС в верхнем бьефе запасается избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки он срабатывается. Если объем водохранилища достаточен для аккумулирования всего избыточного притока, то этот весь приток используется для увеличения мощности ГЭС по сравнению с мощностью ГЭС при только естественном притоке.

Суточное регулирование позволяет повысить участие ГЭС в покрытии пиков нагрузки и обеспечить более целесообразный равномерный режим работы тепловых и атомных электростанций.

Следует отметить, что режим работы ГЭС с увеличенной мощностью не сопровождается увеличением выработки электроэнергии. Наоборот, если бы ГЭС работала без регулирования на естественном стоке, ее выработка была бы больше.

На режим суточного регулирования ГЭС иногда накладываются ограничения неэнергетических участников комплексного гидроузла (судоходство, рыбное хозяйство, водозабор в нижнем бьефе и т.п.).

Недельное регулирование обеспечивает неравное потребление воды агрегатами ГЭС в течение недели в соответствии с требованием недельных колебаний нагрузки энергосистемы. В выходные дни нагрузка в энергосистеме падает. В этот период ГЭС может снизить свою мощность, а получающийся избыток воды аккумулируется в водохранилище. В рабочие дни ГЭС может увеличить мощность за счет сработки запасенных в водохранилище объемов воды.

При недельном регулировании режим работы ГЭС с увеличенной мощностью, как правило, не сопровождается увеличением выработки электроэнергии. Выработка электроэнергии может увеличиться только в случае сокращения холостых сбросов воды за счет емкости водохранилища. На режим недельного регулирования ГЭС могут также накладываться ограничения неэнергетических участников водохозяйственного комплекса.

Годичное регулирование позволяет перераспределять сток воды в течение года в соответствии с потребностями энергосистемы и водопотребителей. Цикл регулирования равен 1 году. В многоводные периоды водохранилище наполняется, а в маловодные — срабатывается. Для проведения годичного регулирования требуется объем водохранилища, составляющий 5—10 % среднегодового стока при частичном (сезонном) и 40—60 % при полном годичном регулировании.

Водохранилище годичного регулирования позволяет осуществлять суточное и недельное регулирование.

Многолетнее регулирование предназначено для увеличения расхода ГЭС и выработки электроэнергии в маловодные годы за счет стока многоводных лет. При многолетнем регулировании водохранилище наполняется в течение ряда многоводных лет и срабатывается в течение маловодного периода.

Особенностью многолетнего регулирования является непостоянство длительности цикла регулирования. При многолетнем регулировании возможно увеличить гарантированную мощность ГЭС и выработку электроэнергии за счет сокращения или ликвидации холостых сбросов воды.

Специальные виды регулирования:

Компенсирующее регулирование производится верховым водохранилищем каскада ГЭС, чтобы компенсировать неравномерность притока с промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС. Возможно производить компенсирующее регулирование ГЭС, расположенных на разных водотоках, но объединенных единой энергетической системой.

Контррегулирование, или перерегулирование, расходов воды, поступающей от выше расположенной ГЭС, выравнивает расходы воды.

Трансформация паводков и половодий производится водохранилищем с целью задержки пиковой части паводка и уменьшения наводнения на реке ниже водохранилища.

Аварийное использование водохранилища ГЭС предусматривает его сработку при аварии в электроэнергетической системе. В этом случае ГЭС принимает на себя дополнительную нагрузку до ликвидации аварии. После ликвидации аварии в энергосистеме сработанный объем восстанавливается за счет снижения нагрузки ГЭС или за счет ближайшего по времени паводка.

В практике проектирования и эксплуатации ГЭС расчеты годичного и многолетнего стоков производятся, как правило, по диспетчерским графикам, представляющим собой зависимость расхода воды от отметки верхнего бьефа (или объема воды в водохранилище) и времени.