CC BY
19УДК 556.535.2:621.311.21
Р.Д. Фролов, к.т.н., профессор, ВГАВТ. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕЖИМ НИЖНЕГО БЬЕФА НИЖЕГОРОДСКОЙ ГЭС НА ВОЛГЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ
СУДОХОДСТВА
Исследован режим движения волны попуска по нижнему бьефу Нижегородской ГЭС.
Рекомендован график прохождения большегрузных судов этого нижнего бьефа.
Практически все гидроэлектростанции комплексных гидроузлов на крупных реках работают в пиковом режиме, осуществляя при этом суточное регулирование стока.
В условиях этого режима регулирования стока в нижнем бьефе ГЭС каждые сутки формируется, перемещается по бьефу и постепенно трансформируется - распластывается явно выраженная одна волна попуска.
Наглядным примером подобной ситуации является режим суточных колебаний уровня воды в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС на р. Волге (рис. 1).
Здесь минимальный (провальный) и максимальный уровни воды в непосредственной близости от ГЭС наблюдаются раз в сутки, соответственно около 7+8 часов и 12^13 часов.
Интенсивные и значительные по величине колебания уровня воды приводят к равнозначным изменениям во времени и длине бьефа глубин, существенно осложняя судоходство.
Поэтому исследования режима движения волны попуска по бьефу и характер ее распластывания не теряли своей актуальности.
Натуральный и аналитические исследования режима волн попуска не потеряли значения и в настоящее время, так как по мере деформаций русла реки в нижнем бьефе ГЭС изменяются и параметры волн.
В свое время И.В. Егиазаров для медленно изменяющегося неустановившегося режима в призматическом русле предложил формулу средней скорости распространения волны в виде:
т
ср
4 Т
ч Ф;
где ср - первоначальная средняя глубина (при установившемся режиме);
И
" - высота волны;
К
и - средняя первоначальная скорость течения воды.
При этом следует учитывать принципиальное различие между скоростью распространения волнового возмущения и собственно средней скоростью течения потока в режиме неустановившегося движения.
Натурные и лабораторные исследования Н.И. Маккавеева подтверждают, что скорость перемещения фронта волны значительно отличаются от скорости течения воды в теле волны (табл. 1).
Из приведенных данных следует, что скорость перемещения ежесуточной волны попуска вблизи от ГЭС значительно превышает среднюю скорость течения, а по мере удаления от ГЭС разница в скоростях снижается.
Сопоставление данных исследований Н.И. Маккавеева с результатами расчета по формуле И.В. Егиазарова показывает, что расчетная скорость распространения волны почти в два раза превышает наблюдавшуюся в лаборатории и в натуре. По-видимому, это различие объясняется тем, что при аналитической оценке скорость распространения волны рассматривалась в гладком призматическом русле с прямоугольным сечением.
Таблица I
Расстояние от ГЭС, км Скорость перемещения 1-ребня волны, м/с Средняя скорость течения, м/с Расстояние от ГЭС, км Скорость перемещения гребня волны, м/с Средняя скорость [ечения, м/с
0,2 0.56 0,42 31,1 1,96 0,79
4,0 1.61 0,64 46,1 1.2 0,78
12,1 2,90 0,76 77,5 0,85 0,82
Н,
м айс. А
Рис. 1
Известно, что в зоне нахождения в конкретное время суток гребня волны попуска уровень воды повышается и глубина увеличивается. Учитывая распластанный по длине нижнего бьефа продольный профиль волны попуска и относительно невысокую интенсивность изменения расхода воды гидроэлектростанцией, зона возросших глубин и длительность их сохранения могут быть существенными.
Помимо этого реальная скорость движения волны вполне соизмерима со скоростью движения грузовых судов на сложных для судоходства перекатных участках рек.
Это обстоятельство должно использоваться для проводки большегрузных судов по нижнему бьефу ГЭС в условиях дефицита глубин во время провальных уровней.
Для оценки судоходных возможностей нижнего бьефа Нижегородской ГЭС Волжской академией с помощью русловой изыскательской партии Нижегородского района водных путей в 1999 году был исследован режим уровней при движении волны попуска.
Сопоставление графиков суточных колебаний уровня воды при равнозначных расходах воды через ГЭС выявило относительно стабильные колебания за ряд лет. Это обстоятельство позволяет использовать данные натурных наблюдений при прогнозировании уровней и глубин на последующие несколько навигаций.
По результатам натурных наблюдений вычислены координаты кривых свободной поверхности воды в нижнем бьефе НН ГЭС при среднесуточном расходе воды 1100 м3/с (табл. 2).
Мгновенные положения кривой свободной поверхности воды представлены на продольном профиле участка нижнего бьефа (рис. 2).
Таблица 2
Дата, Отметки уровней воды (БС), километраж от ПН ГЭС
часы суток наблюдений 30 сентября 1999 г Гидропост № 7, г. Городец, 6 км Н. Кочергин-ский перекат, 18 км Гидропост г Бапахна, 26 км Козинский перекат. 36 км Гидропост Сормово, 50 км
0 66,85 66,09 65,58 64,98 64,26
4 66,41 66,07 65,34 64,82 64,23
8 66,42 66,07 65,06 64,72 64,19
12 67,33 66,17 65,06 64,72 64,17
14 67,66 66,69 65,27 64,76 64,18
16 67,28 66,90 65,66 64,92 64,21
20 66,95 66,15 65,76 65,15 64,30
Достаточно интенсивный рост уровня в первой половине дня сменяется последующим более замедленным их снижением.
В связи с выполнявшимися в прошлом (1960-80 годы) интенсивными дноуглубительными работами разница между глубинами на перекатах и разделяющих их коротких плесовых лощинах участка Городец - Балахна сглажена. Речное русло по существу «канализировано». На данном участ ке длиной ~ 20 км расположены пять перекатов: Городецкий, Верхний и Нижний Кочергинские, Верхний и Нижний Ветлянские.
Подобное «уплотненное» по долине короткого участка расположение группы перекатов исключает возможность значительного изменения режима движения судна при прохождении переката или короткой плесовой лощины.
Учитывая эту особенность участка на продольном профиле показано положение проектного дна, отвечающего гарантированной глубине 3,5м при современном проектном уровне (см. рис. 2). Это положение проектного дна ранее разработанных судоходных прорезей отвечает современной судоходной ситуации. При суточных провальных уровнях, опускающихся на один метр ниже проектного, а в определенные часы суток глубины падают до 2,6 м.
Такая фиксация стабильного проектного дна и конкретные положения поверхности воды в определенные часы суток позволяют прогнозировать судоходные глубины с учетом их изменения по длине и во времени.
Кривые свободной поверхности воды црн среднесуточном расходе 1190 м'с (30 сентября 1999 г.)
К, м
Учитывая относительно малые расстояния между перекатами, далее рассматриваются лишь три переката лимитирующего судоходство участка Городеи - Балахна: Городецкий, Нижний Кочергинский и Нижний Ветлянский.
С помощью продольного профиля определены реальные глубины на рассматриваемых перекатах при среднесуточном расходе воды 1100 мч/с (табл. 3).
Таблица 3
Перекат Глубина в конкретные часы суток, см
800 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Городецкий 260 330 340 350 320 300 300 300
Н. Кочергинский 320 320 350 390 350 320 310 310
Н. Ветлянский 300 310 340 380 350 330 320 320
На основе анализа изменения положения кривой свободной поверхности воды в течение суток приближенно оценена продолжительность выдерживания конкретной глубины (и менее ее) в диапазоне 260+250 см (табл. 4).
Таблица 4
Перекат Продолжительность стояния конкретной глубины и менее ее, час
260 см 300 см 320 см 340 см 350 см
Городецкий 24 12 11 4 2
Н. Кочергинский 24 24 18 6 4
Н. Ветлянский 24 24 10 6 4
При этом установлено, что на выделенных грех особенно имитирующих судоходство перекатах участка Городец - Балахна, глубина 260 см и менее выдерживается в течение 24 часов в сутки.
По мере увеличения глубины продолжительность ее выдерживания резко падает. Так, ранее установленная гарантированная глубина 350 см при продолжающемся сохраняться неизменном проектном расходе 1100 м3/с на Городецком перекате выдерживается лишь в течении 2 часов в сутки.
Продолжительность выдерживания глубин в течение суток
Т, см
380
340 320 300 280 ■ 260 •
0
Примечание: графики соответствуют режиму внутрисуточного пегулирования стока 1999-2002 годов
Рис. 3
По мере удаления от ГЭС влияние неравномерности сбросов воды на режим уровней и глубин несколько сглаживается и продолжительность выдерживания глубины 350 см на Н. Кочергинском и Н. Ветлянском перекатах увеличивается до четырех часов в сутки.
Разрыв между ранее установленными среднесуточным расходом воды через ГЭС и гарантированной глубиной в основном обусловлен происшедшими в нижнем бьефе деформациями русла Волги - значительной глубинной эрозией.
Несоответствие отметок проектного уровня расходу воды наглядно прослеживается на продольном профиле (см. рис. 2).
Так «провальные» уровни в районе Городецкого гидрологического поста на один метр ниже проектного уровня; в районе Балахнинского поста - на 50 см.
Для большей наглядности данные таблиц 3 и 4 представлены в графической форме (рис. 3,4).
Приведенные графики могут быть использованы при оперативной оценке судоходного состояния участка нижнего бьефа Городец - Балахна и при диспетчерском регулировании движения большегрузных судов.
Ситуацию с глубинами целесообразно учитывать при регулировании подхода судов снизу к Балахнинскому рейду - для возможности их транзитного движения к Городецкому рейду без дополнительной стоянки. Эта же информация должна учитываться при пропуске судов из промежуточного межшлюзового бьефа в нижний бьеф гидроузла.
Интенсивность роста глубин в период увеличения расхода воды через НН ГЭС
Т, см
Список литературы
[1] Маккавеев Н.И., Русловые процессы и путевые работы в нижних бьефах гидроузлов // тр. ЦНИИЭВТа, вып. XII. - 1957.
[2] Федоров Г.Ф.. Волновые явления и особенности плавания в нижних бьефах гидроузлов. -М.: Транспорт, 1966. - 104 с.
HYDRAULIC MODE TAIL-WATER THE NIZHNIY NOVGOROD HYDROELECTRIC POWER STATION ON VOLGA AND THE ORGANIZATION OF NAVIGATION
R.D. Frolov
The mode of movement of a wave попуска on tail-water is investigated by the Nizhniy Novgorod HYDROELECTRIC POWER STATION. The schedule of passage ofsupersize courts of this tail-water is recommended.
УДК 627.235
P.Д. Фролов, к.т.н., профессор, ВГАВТ. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ПОЭТАПНОЕ УЛУЧШЕНИЕ СУДОХОДНОГО СОСТОЯНИЯ Р. ВОЛГИ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ НИЖЕГОРОДСКОЙ ГЭС
Дана характеристика судоходного состояния нижнего бьефа Нижегородской ГЭС и показана динамика его ухудшения. Обоснованы варианты и этапы улучшения судоходного состояния реки Волги в Нижнем бьефе ГЭС.
Единая глубоководная система Европейской части России является уникальным воднотранспортным комплексом и играет исключительно важную роль как в работе внутреннего водного транспорта, так и в транзитном международном судоходстве по схеме «река-море», особенно при освоении транспортных коридоров «Юг-Север» и «Запад-Восток».
Главной составляющей частью глубоководной системы является река Волга. Однако, в течение двух последних десятилетий транзитное судоходство лимитирует шестидесятикилометровый участок Нижегородская ГЭС - Н. Новгород. Это объясняется тем, что Нижегородская ГЭС проектировалась как звено Волжского каскада с последующим обязательным подпором водами Чебоксарского водохранилища.
В связи с ненаполнением Чебоксарского водохранилища до проектной отметки за 47 лет функционирования Нижегородской ГЭС в ее нижнем бьефе до Н. Новгорода произошли необратимые деформации русла Волги - река «просела» почти на метр. Подобная деформация русла привела к падению глубин в камерах шлюза, на перекатах участка. Углубление земснарядами всего участка недопустимо - оно может совсем парализовать работу судоходных шлюзов.
В итоге, в разгар навигации судоходная глубина 3,5 м, с учетом суточного регулирования стока Нижегородской ГЭС, выдерживается лишь в течение 2-т-З часов в сутки. Эта ситуация последнее десятилетие периодически парализует транзитное плавание не только большегрузных судов, но и современных четырехпалубных пассажирских теплоходов.
Продолжающаяся глубинная эрозия русла усугубляет обстановку, и в перспективе в течение ряда маловодных летних месяцев Волга в транспортном отношении будет разобщена на северную и южную части, единая глубоководная система прекратит функционировать.
В связи с изложенным, по заданию Государственной службы речного флота Волжской государственной академией водного транспорта в 1999-200] годах были выполнены исследования режима нижнего бьефа НН ГЭС.
