CC BY
19[8] Руководство по методам расчета планирования и оценке эффективности путевых работ на свободных реках. - М.: Транспорт, 1978.
[9] СНиП 12-07-86. Судоходные гидротехнические сооружения. - М.: Издательство стандартов, 1986.
THE RESEARCH RESULTS OF LARGE SHIPS CARRYING CAPACITY INCREASE POSSIBILITIES AT A SECTION OF TCHAIKOVSKY CANAL-LOCK - KAMBARKA BY IMPROVING RIVER FLOW CASCADE REGULATION ON VOTKINSK AND KAMSK HYDROELECTRIC POWER PLANTS
A.A. Sazonov, J.E. Voronina
Keywords: flow regulation, reservoirs cascade, downstream pool, Votkinsk hydroelectric power station.
The authors analyze current state of the site Tchaikovsky canal-lock — Kambarka and provide the results of research dealt with improving its carrying capacity by the regulation of the flow through a cascade of Kamsk and Votkinsk reservoirs. Other possible solutions to this issue are also listed in the article.
Статья поступила в редакцию 06.07.2016 г.
УДК 627.81.556.55
А.Н. Ситнов, д.т.н., проф., зав. кафедрой ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкурова, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Д.А. Мильцын, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ БАЛАНСОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ВОДОХРАНИЛИЩА НИЖЕГОРОДСКОГО НИЗКОНАПОРНОГО ГИДРОУЗЛА
Ключевые слова: режим работы водохранилища, показатели водохозяйственных расчетов.
В статье приводятся результаты расчетов обеспеченности основных водохозяйственных показателей по зоне водохранилища Нижегородского низконапорного гидроузла в текущем состоянии и на перспективу, а также диспетчерские графики работы водохранилища при различных условиях водности.
Согласно «Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года» в качестве одного из основных мероприятий планируется реализация проектов строительства новых гидротехнических сооружений для ликвидации «узких мест» на Единой глубоководной системе Европейской части России. Одним из таких проблемных для судоходства мест является участок реки Волга
А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, Д.А. Мильцын
Обоснование параметров обеспеченности водохозяйственных балансов и режима работы
от г. Городец до г. Нижний Новгород, где в настоящее время принято решение о строительстве низконапорного гидроузла.
Водохранилище Нижегородского низконапорного гидроузла (ННГУ) на реке Волге предназначено для подъема уровня воды на участке Городец - Нижний Новгород и на порогах судоходных шлюзов Городецкого района гидросооружений до проектной отметки 68,00 м БС с целью обеспечения бесперебойного судоходства в навигационный период.
При производстве водохозяйственных расчетов по зоне водохранилища Нижегородского низконапорного гидроузла до строительства и на перспективу в рамках пр о-ектирования объекта «Строительство Нижегородского низконапорного гидроузла» производился расчет водохозяйственных балансов [1] и их анализ по следующим критериям:
1. Обеспеченность по числу бесперебойных лет Рчбл диапазона значений объемов водопотребления, вычисляемая в процентах по формуле:
где N - продолжительность многолетнего расчетного ряда, в годах; т - число бесперебойных лет (число лет, когда потребности в воде со стороны водопользователя не выдержаны в полном объеме), в годах.
Обеспеченность по числу бесперебойных лет показывает вероятность того, что потребности в воде со стороны водопользователей будут выдержаны в полном объеме в Рчбл лет из 100.
Рекомендуются критериальные значения: при водохозяйственном проектировании величина расчетной обеспеченности по числу бесперебойных лет принимается для хозяйственно-питьевого водоснабжения 95-97%; промышленности 95%; водного транспорта и рыбного хозяйства (экологический попуск) - 75-90%; санитарного попуска - 95-97%.
2. Максимальная глубина перебоев Ошах.
При допущении дефицита водных ресурсов рассчитывается масштаб и глубина перебоев О за пределами расчетной обеспеченности, то есть в оставшихся (100 - Рчбл) годах.
Расчет показателя и соответствие его критерию определяется:
где Wсииж - размер снижения объемов подачи воды (или расхода) отдельным водопользователям;
Шпл - объем (расход) заявленных потребностей водопользователями.
При высоких значениях коэффициента вариации и сезонного стока глубина перебоев может достигать более 50% полезной водоотдачи. Критериальные значения глубины перебоев предъявляются для городского водоснабжения и промышленности -здесь максимальная глубина перебоев не должна превышать 10%. При определении показателей в расчетах принимается не диапазон значений водопотребления, а их конкретные значения (как и при расчетах водохозяйственного баланса).
В связи с тем, что при дефиците в размере 1% обеспеченность покрытия увеличивается на 5-10% (т.е. указывается диапазон обеспеченности) в расчетах принимается минимальная обеспеченность из рекомендуемых. Поэтому допускать дефицит по какому-либо виду водоотдачи можно в таком размере, чтобы обеспеченность покрытия по возможности не опустилась ниже минимальной:
- водный транспорт на РВХУ - 100%, в нижнем бьефе - 75%;
- рыбное хозяйство (экологический попуск) - 75%;
- санитарный попуск - 95%;
- водопотребители участка - 95%.
Устранение дефицита за счет снижения комплексного попуска Шкп производится по максимальной величине составляющих его попусков в те или иные месяцы, но в целом по возможности с соблюдением ограничений по обеспеченности Рчбл.
Расчет обеспеченностей показателей производится по предложенной нами методике:
а) По водохозяйственным балансам при наличии большого числа назначенных вариантов обеспеченностей стока определяется граничное значение обеспеченности, начиная с которого при ухудшении водности наступают перебойные годы. В рассматриваемом случае расчет водохозяйственных балансов был произведен при ограниченном числе стандартных квантилей обеспеченности, при этом были построены на основе водохозяйственных балансов графики изменений объемов стока приходной и расходной частей плановых и перспективных балансов от обеспеченности стока по лимитирующему и другим месяцам года, в которых имелся дефицит стока. По этим графикам определены граничные значения обеспеченностей Ргр, разделяющие шкалу обеспеченностей на две части: Р=0+Ргр (бесперебойные годы) и Р=Ргр+100 (перебойные годы). Для нахождения числа перебойных лет по таблице ординат кривой аналитического распределения вероятностей превышения расходов годового стока в створе Нижегородского гидроузла определяются для Ргр соответствующие им значения граничных расходов Qгv, а по таблице эмпирического распределения подсчитывается число лет, попавших в область перебойных лет, когда среднегодовой расход Q<Qгp. Полученное число перебойных лет т используется при расчете Рчбл (формула 1).
б) В перебойных годах имеется дефицит баланса и его устранение производится за счет снижения отдачи воды на те или иные цели, что, в свою очередь, используется при расчете глубины перебоев (формула (2)). Оба показателя рассчитываются в годовом разрезе. Расчет производится по составляющим комплексного попуска (санитарному, экологическому, транспортному, хозяйственному попускам), а также водопо-требителям на расчетном водохозяйственном участке (РВХУ).
в) Вместе с тем, обеспеченность по числу бесперебойных лет по водному транспорту для нижнего бьефа ННГУ является низкой в силу жесткости самого показателя, поскольку наличие даже одного перебойного месяца в навигацию относит год той или иной водности в целом к перебойному. В связи с этим рекомендуется для водного транспорта использовать показатели обеспеченности по сумме бесперебойных месяцев многолетнего расчетного периода, что позволяет оценить относительную продолжительность бесперебойных интервалов времени.
Расчет обеспеченности по сумме бесперебойных месяцев производится по формуле:
где М - суммарная продолжительность бесперебойных периодов времени в расчетном
ряду, мес.;
п - продолжительность навигационного периода в году, мес. Принимается с апреля по
ноябрь (п=8).
Последовательность нахождения бесперебойных месяцев при разной обеспеченности стока аналогична указанной выше для определения числа бесперебойных лет, при которой также находятся граничные значения годовых обеспеченностей стока, соответствующие им расходы и число бесперебойных месяцев.
А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, Д.А. Мильцын
Обоснование параметров обеспеченности водохозяйственных балансов и режима работы
По результатам балансовых расчетов при устранении дефицита воды в годы разной обеспеченности стока за счет снижения отдачи воды по составляющим комплексного попуска или уменьшения водопотребления на участке также произведен расчет глубины перебоев по месяцам и году в целом.
Рассчитаны параметры глубины перебоев составляющих комплексного попуска при стандартных квантилях обеспеченности стока. Вместе с тем, для расчета обеспеченности водохозяйственных показателей по числу бесперебойных лет и сумме бесперебойных месяцев требуется знание граничных значений обеспеченностей стока Ргр, с которых начинаются перебойные годы (месяцы). Они определены построением графиков изменений приходной и расходной частей баланса по месяцам года в точках пересечения ветвей графиков.
Рис. 1. Графики изменения приходной и расходной частей баланса по августу
При этом перебойные годы начинаются с граничных значений обеспеченностей стока в лимитирующем месяце (в нашем случае в августе до строительства ННГУ при Ргр=4,6%, после строительства ННГУ при Ррр=4,2%). С использованием полученных значений Ргр и глубины перебоев при стандартных квантилях обеспеченностей построены графики глубины перебоев транспортного, хозяйственного и санитарного попусков по месяцам года до и после строительства ННГУ. Экологический попуск, а также водопотребление на РВХУ дефицитами воды в годовом и месячном разрезах не затронуты.
Расчет обеспеченностей по числу бесперебойных лет и сумме бесперебойных месяцев произведен с использованием графиков соотношений требуемых и расчетных значений попусков по месяцам года. В качестве примера на рисунке 2 приведен такой график для транспортного попуска на период до строительства ННГУ.
ОЧо 209о 40°-с, 60°о S0°o 100°о
Обеспеченность стокл, %
Рис. 2. Соотношение требуемого и расчетных значений транспортного попуска по месяцам (до строительства ННГУ)
По данным рисунка 2 перебои с обеспеченностью транспортного попуска наступают с уменьшением водности, захватывая увеличивающийся период навигации. Так, начиная с обеспеченности стока Ргр=4,6%, перебои наступают в августе, с Ррр=9,9% в сентябре, с Ргр=43,7% в июле и т.д.
Графики изменения глубины перебоев по месяцам для транспортного попуска приведены на рис. 3.
до строительства 11111 >
Обеспеченность стока. " "
после строительства ННГУ
Рис. 3. Глубина перебоев транспортного попуска по месяцам
Значение Ргр в лимитирующем месяце (августе) дает возможность определить число перебойных лет n в гидрологическом ряду, Ргр во всех месяцах - сумму бесперебойных месяцев М. Обобщенные значения рассматриваемых выше показателей приведены в таблице 1.
Анализ данных таблицы 1 показывает, что из составляющих комплексного стока наиболее необеспеченным является транспортный попуск в нижний бьеф ННГУ, обеспеченность которого понижается практически на всем интервале водности. Хозяйственный и санитарный попуски затрагиваются лишь при малой водности (обеспеченности 95% и выше). Аналогичный характер проявления дефицитов воды отражается в показателе глубины перебоев - основные перебои наблюдаются по транспортному попуску почти на всем интервале обеспеченностей стока, возрастая по глубине
А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, Д.А. Мильцын
Обоснование параметров обеспеченности водохозяйственных балансов и режима работы ...
перебоев в целом по навигации до 36-37% при малой водности (в отдельные месяцы выше) и частично по санитарному и хозяйственному попускам до незначительных величин.
Таблица 1
Обеспеченность водохозяйственных показателей
Вид попуска Обеспеченность по числу бесперебойных лет РЧбл, % Обеспеченность по сумме бесперебойных месяцев, Рсб» % Глубина перебоев, %
до строительства ННГУ после строительства ННГУ до строительства ННГУ после строительства ННГУ до строительства ННГУ после строительства ННГУ
Транспортный 3,5 3,5 58,04 57,81 0,11-36,93 0,21-36,90
Хозяйственный 91,2 91,2 - - 0,05-7,60 0,19-8,13
Санитарный 96,5 96,5 - - до 3,87 до 4,17
Экологический 98,2 98,2 - - - -
Комплексный 3,5 3,5 - - 0,04-26,99 0,08-27,03
Поскольку проектируемое водохранилище будет работать в транзитном режиме и предназначено для поддержки уровня воды на расчётном водохозяйственном участке, то сбросы воды через ННГУ зависят от водности года: в маловодные годы неизбежно возникает уменьшение отдачи и, как следствие, ограничение водопотребления в нижнем бьефе низконапорного гидроузла; в многоводные годы излишки воды, сверх необходимых для поддержания заданной отметки уровня воды на участке, сбрасываются в нижний бьеф, увеличивая его водообеспеченность.
Порядок использования водных ресурсов водохранилища в условиях неравномерного стока устанавливается диспетчерским графиком, основной задачей которого является: поддержание гарантированной отдачи с гарантированным обеспечением благоприятных условий для судоходства в верхнем и нижнем бьефах низконапорного гидроузла, смягчение перебоев водоотдачи в маловодные годы, сокращение холостых сбросов в многоводные годы.
Основой метода для разработки диспетчерских графиков являются водохозяйственные балансы по объему годового стока на РВХУ «Створ Нижегородского гидроузла - створ ННГУ» различной обеспеченности, учитывающие приходную, расходную часть баланса и расчетные параметры наполнения и сработки водохранилища в соответствии с методикой [2].
За расчетные интервалы при составлении водохозяйственных балансов принимается месячный интервал с разбивкой на декады в половодье (апрель - июнь) и в ноябре. Это связано не только со значимой внутримесячной неравномерностью стока в половодье, но и особенностями водного режима создаваемого водохранилищем на участке.
Необходимые условия для судоходства, связанные с установлением судоходных глубин на участке при отметке 68,0 мБС, должны быть обеспечены к открытию навигации (как правило, к третьей декаде апреля). Сработка водохранилища до бытовых уровней производится после окончания навигации (как правило, с третьей декады ноября). Поэтому для установления режима работы создаваемого водохранилища необходимо знание водообеспеченности участка в указанные периоды с большей детализацией.
Диспетчерский график включает 4 основных зоны: зону гарантированной отдачи, зону ограничения отдачи, зону избытков стока и зону зимней межени и представляет собой зависимость уровня воды в водохранилище от времени г=/(Ь).
Согласно принятым проектным решениям, эксплуатация водохранилища ННГУ будет осуществляться в двух режимах: заполненное водохранилище до проектной
отметки 68,00 мБС в навигационный период и опорожненное до бытовых уровней реки в межнавигационный период (зимняя межень). В силу специфики режима работы водохранилища ННГУ диспетчерский график будет представлять противопере-бойную линию, являющуюся верхней границей зоны гарантированной отдачи. Эта линия включает: ветвь поддержания проектной отметки 68,00 мБС в водохранилище ННГУ, сработку водохранилища после завершения периода навигации до бытовых уровней в реке, ветвь наполнения, обеспечивающую аккумуляцию запаса воды, необходимую для поддержания проектной отметки в водохранилище.
Методика построения диспетчерских графиков работы водохранилища ННГУ принята в следующей последовательности:
1. Определяется дата начала периода навигации (ориентировочно начало третьей декады апреля), когда уровень воды в водохранилище гарантированно поддерживается на отметке не ниже отметки НПУ = 68,00 мБС.
2. Обратным ходом от даты начала навигационного периода строится ветвь наполнения водохранилища согласно водохозяйственному балансу за расчетные интервалы (декады за апрель). При этом уровни воды за расчетные интервалы времени определяются по данным балансов согласно графику зависимости расхода и уровня воды в нижнем бьефе ННГУ Q=f(z), представленному на рисунке 4. График Q=f(z) получен по результатам инженерных изысканий. В маловодные года во время половодья при уровнях воды в реке менее 68,00 мБС, затворами перекрывают водосливные пролеты бетонной плотины, заполняя чашу водохранилища ННГУ транзитным стоком за расчетные интервалы (декады за апрель). Количество перекрываемых водосливных пролетов бетонной плотины при наполнении водохранилища, в этом случае, определяется графиками маневрирования затворами в зависимости расчетного расхода. В многоводный период как такового наполнения водохранилища не будет, т.к. расходы, проходящие через створ гидроузла, соответствуют уровням воды более 68,00 мБС. Все затворы водосливных пролетов бетонной плотины полностью открыты. Задача регулирования в данном случае сводится к своевременному перекрытию затворами водопропускных отверстий на водосливной плотине ННГУ при снижении расхода в реке в мае - июне.
Расход воды.м /с
Рис. 4. Графики зависимости расхода и уровня воды в нижнем бьефе ННГУ
А.Н. Ситнов, Н.В. Кочкурова, Д.А. Мильцын
Обоснование параметров обеспеченности водохозяйственных балансов и режима работы ...
3. После установления в водохранилище гарантированной отметки НПУ = 68,00 мБС, оно будет работать в транзитном режиме до конца навигации.
4. Определяется дата окончания периода навигации (ориентировочно начало третьей декады ноября).
5. Прямым ходом от даты окончания навигационного периода строится ветвь опорожнения водохранилища, ограниченная снизу уровнями воды в реке за расчетные интервалы времени (третья декада ноября - декабрь). Построение ветви опорожнения выполняется расчетом с соблюдением допустимой скорости понижения уровня воды в водохранилище ННГУ не более 0,5 м/сутки, суммируя объем транзита стока за расчетные интервалы времени (третья декада ноября - декабрь) с объемом опорожняемой чаши водохранилища.
6. По точкам пересечения ветвей наполнения и уровней воды в реке (начальных уровнях воды в водохранилище) определяются даты начала и продолжительности периодов наполнения водохранилищ.
7. По точкам пересечения ветви опорожнения с уровнями воды в реке определяются даты окончания и продолжительности периодов опорожнения водохранилища.
Согласно представленной методике построены диспетчерские графики работы водохранилища ННГУ при обеспеченностях стока 1, 50, 75, 99 %, которые представлены на рисунке 5.
Рис. 5. Диспетчерские графики работы водохранилища ННГУ по 1%, 50%, 75%, 99% обеспеченности годового стока
Результаты проведенных водохозяйственных расчетов и их анализ позволяют сделать следующие выводы:
1. Обеспеченность водохозяйственных показателей в вариантах до строительства низконапорного гидроузла и после строительства отличаются незначительно. Обеспеченности по числу бесперебойных лет до и после строительства ННГУ по всем видам попусков совпадают, по сумме бесперебойных месяцев (для транспортного попуска) после строительства на 0,2% ниже, по глубине перебоев по году на доли процента выше. Это говорит о незначительном влиянии наполняемого на навигацию водохранилища на обеспеченность водохозяйственных показателей.
2. Анализ диспетчерских графиков работы водохранилища ННГУ показывает, что при обеспеченности стока 1, 50, 75% как таковое наполнение водохранилища отсутствует, поскольку расходы, проходящие через створ ННГУ, соответствуют уровням воды выше 68,00 мБС и на диспетчерских графиках показаны временные отрезки по
перекрытию затворами водопропускных отверстий на водосливной плотине при снижении расхода. Ветвь наполнения ложа водохранилища присутствует только при 99% обеспеченности годового стока и составляет 20 дней.
3. Расчеты режимов работы водохранилища ННГУ при различных обеспеченно-стях годового стока показывают, что максимальная продолжительность периода опорожнения составляет 10,5 дней при 99% обеспеченности годового стока, а минимальная - 4,6 дней при 1% обеспеченности годового стока.
Список литературы:
[1] Ситнов А.Н., Гоголев А.Е., Матюгин М.А. Методологические особенности расчета водохозяйственных балансов и их результаты по зоне водохранилища Нижегородского низконапорного гидроузла // Вестник ВГАВТ. Вып. 48. - Н. Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016. -С. 34-44.
[2] Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов, Утв. Приказом МПР РФ от 30.11.2007 - № 314.
JUSTIFICATION OF WATER BALANCES PARAMETERS PROVISION AND OF NIZHNY NOVGOROD LOW-PRESSURE HYDROELECTRIC POWER PLANT RESERVOIR OPERATION MODE
A.N. Sitnov, N. V. Kochkurova, D.A. Miltsin
Keywords: the mode of reservoir operation, indicators of water management calculations.
The article presents the results of basic water-related indicators availability calculations in the area of Nizhny Novgorod low-pressure hydroelectric power plant reservoir in its current state and future prospects, as well as dispatching schedules of reservoir operation under different conditions of water availability.
Статья поступила в редакцию 10.10.2016 г.
