ОСНОВЫ РАСЧЁТА ВОДНОГО БАЛАНСА ВОДОХРАНИЛИЩ И ОЗЁР

Важнейшей составной частью любого гидротехнического проекта регулирования стока с помощью водохранилищ служит расчет водного баланса будущего водоёма. Поэтому в середине XX века были выполнены детальные исследования процессов внешнего водообмена озёр и уже эксплуатируемых немногочисленных водохранилищ. В результате сотрудниками Государственного гидрологического института (ГГИ) была создана методология расчёта месячных и декадных (для периода половодья) водных балансов для лет различной водности. В такие относительно короткие расчетные периоды равенство приходной и расходной частей водного баланса водоёмов отсутствует вследствие изменения в нём объёма воды. Эту третью часть структуры неравновесного водного баланса принято называть аккумуляцией воды (при уменьшении запаса воды в водоёме значение аккумуляции А И⁷ отрицательно):

Приходные составляющие водного баланса. Приток воды с водосбора рассчитывается раздельно для трёх составляющих: основной приток Г₀, боковой приток Г_Б и подземный приток V_n.

Основным притоком принято называть сток с гидрометрически изученной части водосбора, которая расположена выше одного или нескольких гидрометрических створов на реках, питающих водой водоём (рис. 3.2). Эта составляющая водного баланса подсчитывается в м³ суммированием среднесуточных расходов воды g, в имеющихся створах:

где / - число суток в расчетном периоде.

Рис. 3.2. Гидрсмрафическая схема системы водосбор-водосм: 1 - границы водосборов основных притоков в ближайших к водоему гидростворах;

2 - гидроствор; 3 - гидроузел; 4 - часть водосбора, сток с которой определяется гидрометрически в том числе на гидроузле зарегулированного притока; 5 - часть водосбора, где формируется боковой, гидрометрически неучитываемый приток воды в водоём

Боковым притоком называют сток воды в водоём с гидрометрически неучтённой части водосбора площадью Л_Б =

Л_в- YAi (Аъ — площадь водосбора водоёма и YAi ~ площадь гидрометрически учтённой его части), формирующийся, как правило, малыми реками. Его расчёт может быть выполнен по среднесуточным расходам воды Q_Ah в реке- аналоге с площадью водосбора Л_Аи:

Метод расчета бокового притока по данным о стоке реки- аналога мало надёжен из-за сложности подбора речных водосборов- аналогов по ландшафтным стокоформирующим характеристикам. Однако, если часть гидрометрически неучтённой площади озерного водосбора относительно невелика (10-15 %), среднемесячные значения бокового притока, рассчитанные по формуле 3.9, обычно не сильно влияют на точность расчёта водного баланса водоёма.

Подземный приток вод - очень сложно определяемая характеристика потому, что для этого необходимо иметь данные регулярных наблюдений за уровнем подземных вод на нескольких гидрогеологических разрезах в озёрной котловине, оборудованных парой пробурённых на её склонах скважин. Тогда ежесуточный приток подземных вод рассчитывают по формуле Дарси:

где L - расстояние между разрезами, и Л - толщина водоносного слоя, в м, k_f - коэффициент фильтрации воды в этом слое, в м/сут, Н и Hi измеренные отметки уровня воды в скважинах створа, и / - расстояние между ними, в м, для оценки уклона водонасыщснной толши грунта.

Но таких наблюдений, как правило, нет. Единичные оценки по гидрогеологическим данным и по структуре водного баланса величины вклада подземного притока в приходную часть водного баланса и подземного оттока - в расходную его часть приведены в табл. 3.1.

Таблица 3. L

Интенсивность водообмена с подземными водами и его вклад во внешний водообмен озёр и водохранилищ (Викулина, 1979)

Примечание. ¹ расчет но гидрогеологическим данным;² расчет но водному балансу водоёма; ^?в годы заполнения водой до НПУ (1941-1947) (но: Водохранилища Верхней Волги, 1975)

Они показывают, что в сточных озёрах этот вклад мал (1-5 %), а в проточных водохранилищах - ничтожен (<1 %). И только в бессточных озерах он нередко достигает 20-30 % и более. Наиболее велик он в карстовых районах, где доля подземного питания озёр может составлять и 80 % (оз. Баньолис в Испании под Барселоной) (Data Book, 1993), а оттока из озера - и 98 %.

По уточненным гидрогеологическим оценкам^[1], приток подземных вод в Каспий составляет 3,2 км³/год, 60 % дает субмаринная разгрузка Самур- ского, Дагестанского и Терского артезианских бассейнов и 30 % - у его южного побережья. Средняя минерализация подземных вод -8 г/л, что в сочетании с видимым испарением -1000 мм/год ведет к постепенному осолоне- нию каспийской водной массы. По тем же оценкам, общий приток подземных вод в Байкал составляет 1,1 км³/год (1,4 % приходной части водного баланса). Он состоит, в основном, из подруслового стока главных притоков озера, а также из родникового стока термальных и обычных источников с дебитом ~63 млн. м³/год и подводных пресных и высокоминсрализованных источников у глубинных разломов ~5 млн. м³/год. Один из них с расходом порядка 400 л/с обнаружен по аномалии температуры и минерализации в Малом море (участок озера между островом Ольхой и западным берегом).

Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность акватории площадью F₀ (км²) за / суток расчетного периода, рассчитываются, в м³, как:

где лг_ср - средний слой осадков, в мм/сут, который определяют по данным осадкомерных наблюдений на водомерных постах и метеостанциях, расположенных на берегах и иногда на островах крупных водоёмов. При оценке величины за месяцы или годы, кроме вероятных погрешностей измерения осадков при помощи осадкомсров различных конструкций, следует учитывать возможную неравномерность выпадения осадков на большие озера и водохранилища, особенно летом при антициклонической погоде. Ливневые осадки обычно на их берегах интенсивнее, чем над акваторией: в равнинных районах на 5-6 %, а в горах до 10-15 % из-за фёнов и горно-долинных ветров. С уменьшением длительности расчетного периода увеличивается вероятность всё больших ошибок в оценке значения л_ср вследствие крайней неравномерности выпадения интенсивных ливневых осадков и в экваториальных, и в умеренных широтах.

Расходные составляющие водного баланса. Сток воды из сточных озёр рассчитывают по гидрометрическим данным в створе, ближайшем к истоку озёрной реки с учетом бокового притока с водосбора руслового участка исток-створ, либо приближенно по гидравлической формуле (3.5) и данным об уровне воды в озере. Погрешность расчёта стока гидрометрическим методом для крупных рек порядка 5 %, а для малых рек - до 10 % в зависимости от условий измерения расходов в створе.

Сток воды из долинного водохранилища или озера, превращенного в водохранилище, рассчитывается (в м³ за расчетный период t) по данным учёта среднесуточных расходов сброса воды через различные сооружения гидроузла: через турбины ГЭС ??_Турб. и водосли- вы (2вс.. при шлюзовании водного транспорта 0_ШЛ, фильтрационные потери воды (?ф.> техногенные составляющие водного баланса ± Q_rc: водозабор в каналы и рыбоходы, на водоснабжение, санитарные попуски и другие хозяйственные цели:

Расход воды через турбины малых ГЭС, м'‘7с, определяют по специальному прибору - расходомеру, на мощных ГЭС - по регистрируемой суточной выработке электроэнергии Э, кВт час, и /_мч - числу машиночасов работавших турбин. Мощность гидротурбины М = Э/г_мч выражают в кВт (1 кВт = 102 кг-м/с), малая часть (г|) которой тратится на преодоление трения при вращении турбины. Величина г| определяется заводской тарировкой и обычно на несколько процентов меньше 1. Работа М, кг-м/с, совершаемая в единицу времени падающей водой с плотностью р = 1000 кг/м³, вычисляется по формуле:

где Q расход воды через турбину, м³/с и ДН = Я_вв Янб напор воды, м, при пересчете в киловатты она равна М = 1000-Q-A///102 = 9,8 Q Д//, откуда

где г) - коэффициент полезного действия (к. п. д.) конкретной турбины.

Расходы воды через водослив {холостые сбросы) рассчитываются по гидравлическим формулам и высоте уровня воды над порогом водослива. Расход воды на шлюзование вычисляют по зарегистрированному числу наполнения камеры шлюза, его площади и напору АН.

Расход воды, фильтрующейся через плотину, в обход неё, а также утечек через неплотности затворов, оцениваются приближенно на основе опыта эксплуатации гидроузлов с учетом высоты плотины и её конструкции. Он невелик и составляет от 0,5 % на Рыбинском гидроузле до 4 % на Днепрогэсе от величины среднесуточного стока через гидроузел (Викулина, 1979). Если при проектировании возникает предположение, что фильтрационные потери могут быть большими, то либо ищется более благоприятный в гидрогеологическом отношении створ для сооружения водохранилища, либо гидро- изолируют наиболее проницаемые участки его ложа^[4]. Расход воды на различные водозаборы определяется по производительности насосных установок и времени их работы. В целом общепризнанно, что данные учёта стока воды через гидроузлы вдвое более надёжны, чем гидрометрические расчёты среднесуточных расходов в речных створах с использованием зависимости Q = /(//).

Испарение с водоёма площадью Fq (км²) за t суток рассчитывается, в м³, как:

где 2_ср - средний слой испарившейся воды, мм/сут. - величина, которую не измеряют, а оценивают;

• 1) по уравнению водного баланса Е- V+ Р - Q ориентировочно, поскольку вес погрешности расчета трёх остальных составляющих водного баланса искажают значение величины;
• 2) по уравнению теплового баланса водоёма тоже ориентировочно, но несколько точнее; из-за того, что в тепловом балансе роль испарения значительнее, чем в водном балансе, или рассчитывают по экспериментальным данным и эмпирическим формулам.

• [1] Зенкер И.С., Джамалов Р.Г., Месхетели А.В. Подземный водообмен суши и моря.-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
• [2] Зенкер И.С., Джамалов Р.Г., Месхетели А.В. Подземный водообмен суши и моря.-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
• [3] Зенкер И.С., Джамалов Р.Г., Месхетели А.В. Подземный водообмен суши и моря.-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
• [4] Для гидроизоляции применяют кольматацию ложа слоем глины, либо используютдаже полиэтиленовую плёнку с её пригрузкой грунтом. Ею, например, в 1970 г.покрыто ложе перед заполнением водой ирригационного Торт-Гульского водохранилища (объёмом 90 млн. м площадь 6 км") на р. Исфара в Киргизии.