МНОГОЛЕТНЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА
РАСЧЕТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА ПО ИНТЕГРАЛЬНОЙ КРИВОЙ
При многолетнем регулировании часть стока многоводных лет запасается в водохранилище, откуда эта вода расходуется в маловодные годы. Одновременно производится годичное регулирование, которое позволяет выравнивать сток внутри года.
Длительное изучение стока рек показывает, что чередование многоводных и маловодных лет происходит периодами по нескольку лет в каждом. Поэтому зарегулированный расход при многолетнем регулировании определяет не один год, а период маловодных лет. Период маловодных лет, в течение которых срабатывается весь полезный объем водохранилища, называется критическим периодом.
На рис. 4-7 представлена интегральная кривая стока р. Волги за девять лет. Средний расход за эти годы равен Qo=1570 м3/с.
Для обеспечения постоянного среднего расхода брутто (включая потери испарения и фильтрации) Qo=1570 м3/с потребовался бы объем водохранилища 1/ = 72-109 м3. Этот объем можно определить, проведя к интегральной кривой в точках D и г соответственно крайнюю верхнюю и крайнюю нижнюю касательные, имеющие направление, параллельное направлению линии расхода Q0. Расстояние по вертикали между касательными (рис. 4-7) определяет необходимый для этой цели объем водохранилища 1/0 = 72-109 м3, который в 1,5 раза больше объема среднегодового стока.
Если объем водохранилища будет меньше, например Е = 30- 109 м3, то можно обеспечить в маловодный период расход QP В рассматриваемом календарном ряду с 1916 по 1924 г. при разных схемах регулирования должен получаться для маловодного периода практически одинаковый зарегулированный расход Qp=1040 м3/с. В годы с большей водностью зарегулированный расход будет определяться принятой схемой регулирования. Рассмотрим идеальную схему регулирования на выравнивание расхода, воды (рис. 4-7). Из начала координат О проведем касательную к нижней контрольной линии. В момент t, определяемый точкой касания а, водохранилище заполнено до НПУ. Далее будем проводить касательные к контрольной линии и интегральной кривой так, чтобы в каждом периоде получить максимальный зарегулированный расход Такой прием иногда образно называют построением по правилу «натянутой нити». Направление каждого прямолинейного участка ломаной линии даст величину зарегулированного расхода, которая определяется по лучевому масштабу. Минимальный расход брутто Qp=1040 м3 в идеальной схеме получается для двух маловодных лет. В остальное время расходы значительно больше (от 1260 до 2150 м3/с). Если пропускная способность турбин станции не меньше максимального зарегулированного расхода Qp = 2150 М3/С, ТО гидростанция может использовать весь сток, за вычетом объема воды, необходимого для шлюзования, и потерь на испарение, фильтрацию и т. п. При меньшей емкости водохранилища, а также при меньшей пропускной способности турбин окажутся неизбежными сбросы воды. Может быть составлена идеальная схема регулирования мощности ГЭС. Для народного хозяйства при комплексном использовании водных ресурсов желательно иметь идеальную оптимизационную схему для получения минимума суммарных затрат или максимума суммарного эффекта всех водопотребителей и водопользователей. При отсутствии надежного прогноза объема и режима стока рек на несколько лет вперед не удается полностью реализовать любую идеальную, в том числе и оптимизационную схему. На рис. 4-8 показан один из вариантов регулирования по жесткому графику с обеспечением в каждый год одинакового расхода брутто Qp= 1040 м3/с. В период сработки и наполнения водохранилища расход Qp =1040 м3/с остается постоянным. В период наполненного водохранилища происходит сброс избытков воды. Эта схема может применяться в тех случаях, когда избыток воды сверх гарантированного расхода Qp не может быть рационально использован, как, например, при промышленном водоснабжении. Календарные ряды прошедших лет с наблюденным стоком обычно бывают сравнительно короткими, а главное они не могут отразить возможных в будущем более неблагоприятных сочетаний маловодных лет. Поэтому получили распространение расчеты многолетнего регулирования по смоделированному календарному ряду большой длительности. Для получения основных характеристик зарегулированного режима широко применяются обобщенные графики. При наличии каскада водохранилищ расчет обычно проводится на ЭВМ по смоделированным гидрологическим рядам. ОБОБЩЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА МНОГОЛЕТНЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА Годовой сток можно рассматривать как вероятностную величину. Первоначально при разработке обобщенных методов расчета исходили из предложения о независимости стока смежных лет. В последующих исследованиях учитывалась коррелятивная связь между стоками смежных лет. В расчетах по вероятностным характеристикам, как и в расчетах по календарным рядам, сток прошедшего периода считается прототипом будущего стока. Главными характеристиками зарегулированного режима являются коэффициент зарегулирования (x=WP/W0 и обеспеченность р гарантированной отдачи. При многолетнем регулировании обеспеченность р выражает число лет в процентах или в долях от общего их числа, когда отдача будет не меньше 1УР. Разность 1—р или 100 — р % характеризует число перебойных лет, когда отдача оказывается меньше гарантированной величины Wv. Величина 1 и обеспеченность гарантированной отдачи находятся в прямой зависимости от емкости водохранилища У0. При заданной емкости чем выше обеспеченность, тем меньше гарантированная отдача 1УР и наоборот. Увеличение обеспеченности р данной гарантированной отдачи Wp требует увеличения емкости водохранилища; при снижении р необходимая емкость водохранилища уменьшается. Полезную емкость водохранилища многолетнего регулирования Уо можно условно разделить на две составляющие: многолетнюю Умн и годичную Гг0№ т. е. При этом предполагается, что емкостью Умн производится многолетнее регулирование выравненных годовых стоков, а Угод совместно с Уми позволяют произвести то же регулирование с учетом внутригодовой неравномерности стока. Разделив емкости У0, Умн и УГОд на среднегодовой сток 1У0, получим ее выражение в относительных единицах Учеными было предложено несколько методов обобщенных расчетов многолетнего регулирования стока. Метод С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля основан на непосредственном анализе распределения вероятностей объема годового стока. На основе этого метода были построены графики Я. Ф. Плешкова, И. В. Гуглия, Н. М. Милославского и др. Г. Г. Сванидзе разработал метод расчета многолетнего регулирования с применением моделирования гидрологических рядов. Этот метод развит А. Ш. Резниковским. В настоящее время наибольшее распространение имеют графики А. Ш. Резниковского и В. В. Зубарева, которые были построены в 1966 г. на основе гидрологических рядов, длиной 2000 лет, имеющих трехпараметрическое гамма-распределение. Эти графики построены при CS = 2CV для значений коэффициента корреляции между смежными членами ряда г = 0,0; 01; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6, а также для Cs =1,5 Cv, Cs = 4 Cv и r = 0,0; 0,3. Некоторые из этих графиков приведены в приложении 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОДИЧНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЕМКОСТИ ВОДОХРАНИЛИЩА По обобщенным графикам Зубарева и Резниковского, как и по графикам Плешкова, Гуглия или Милославского, можно определить составляющую Гмн емкости водохранилища в предположении, что сток внутри года выравнен. Годичную составляющую емкости водохранилища можно определить по интегральной кривой маловодного года, сток которого W равен гарантированному Wv = aW0. Крицкий и Менкель рекомендуют определять Гг0д по формуле. Для простейшего случая, когда коэффициенты вариации годового стока и меженного стока практически одинаковы, формула Крицкого и Менкеля имеет вид: РАСЧЕТЫ МНОГОЛЕТНЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА ДЛЯ ВОДОПОТРЕБИТЕЛЕЙ И ВОДОПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ С РАЗНОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТЬЮ ГАРАНТИРОВАННОЙ ОТДАЧИ При комплексном использовании водотока, когда надо одновременно удовлетворять потребность нескольких отраслей народного хозяйства, бывает необходимо регулировать сток на две или три обеспеченности. С. И. Крицкий и М. Ф. Менкель предложили метод расчета регулирования на две обеспеченности. Если требуется гарантировать отдачу си с обеспеченностью р, и отдачу а,2 с обеспеченностью р2 то можно определить «приведенную» обеспеченность большей отдачи: По величине рпр и сн из графиков (например, приложение 1) можно определить емкость рм, необходимую для регулирования стока на две обеспеченности р и р2. Трудность определения напора, мощности и выработки энергии и отсутствие каких-либо данных о хронологическом изменении этих величин являются недостатком обобщенных графиков типа a = ((W,p). Поэтому все большее значение приобретают расчеты на ЭВМ: 1) по моделированным календарным рядам; 2) аналитические методы расчета. По современному уровню исследований преимущества имеют расчеты по смоделированным гидрологическим рядам, особенно в сложных случаях регулирования расхода, мощности и выработки энергии несколькими водохранилищами, расположенными на разных реках. Имея смоделированный гидрологический ряд с внутригодовым распределением стока, можно производить расчеты многолетнего и годичного регулирования стока любым из известных способов — по интегральной кривой, табличным способом или на ЭВМ (см. § 4-7). На основе вероятностной теории описания речного стока, как стохастического процесса, можно разработать аналитические методы расчета регулирования стока. Большой вклад в разработку аналитических методов внесли Н. А. Картвелишвили, Ш. Ч. Чокии, Н. С. Калачев, В. А. Киктенко и др. Подробные сведения об аналитических методах расчета регулирования можно получить в специальной литературе 4-1, 4-2, 4-6, 4-7.