Московский Государственный Университет Природообустройства
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

Кафедра комплексного использования водных ресурсов

           Содержание
 Введение
 Осн. обозначения

Лекционный курс
 Лекция № 1-2
 Лекция № 3-4
 Лекция № 4-5
 Лекция № 6
 Лекция № 7
 Лекция № 8

Практический курс
 Практика № 1
 Практика № 1-2
 Практика № 2-3
 Практика № 4
 Практика № 5
 Практика № 6
 Практика № 7
 Практика № 8
 Практика № 9

    Литература Рекомендуемая литература 

           Скачать
 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

  Скачать Методичку

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

7.  РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕДОТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА НИЖНЕГО БЬЕФА ГИДРОУЗЛА

 

7.1.  Ледотермический режим нижнего бьефа ГЭС

Строительство на реке водохранилища, как правило, является причиной существенного изменения гидрологического, а в его рамках и ледового режима участка водотока ниже гидроузла. В самом водохранилище и в определенной мере в русле реки ниже гидроузла изменяются морфологические и гидравлические условия, которые совместно с климатическими и метеорологическими факторами определяют ледовый режим водотока в нижнем бьефе (рис. 7.1).

Возникновение и развитие ледовых явлений и процессов в водотоке ниже гидроузла существенным образом зависят от размеров водохранилища и его функционального назначения. В нижних бьефах комплексных и энергетических гидроузлов на характер развития ледовых процессов сильно влияет режим работы гидроэлектростанций, обеспечивающих покрытие пиков графика нагрузки энергосистемы, а также других водосбросных сооружений гидроузла.

В период ледостава сброс воды из водохранилища в нижний бьеф производится через глубинные водоводы, вследствие чего температура воды ниже плотины составляет 1,5-5,0°С и для ее охлаждения до температуры замерзания необходимо некоторое время, зависящее от условий теплообмена речного потока с атмосферой. На интенсивность этого процесса влияют метеорологические факторы (температура и влажность воздуха, скорость ветра), а также скорость течения и колебания глубины вследствие энергетических попусков воды ГЭС. Поэтому в нижнем бьефе гидроузлов практически всех водохранилищ России зимой существует открытый участок водной поверхности реки (полынья), протяженность которой изменяется в зависимости от расхода воды и интенсивности ее теплоотдачи. Зимой в морозную погоду полыньи являются “фабриками” шуги и туманов. Шуга, образовавшаяся на переохлажденном участке открытой водной поверхности перед кромкой ледяного покрова, при определенных условиях может подныривать под лед и скапливаться ниже по течению реки, формируя зажор, приводящий к повышению уровня воды и выходу ее на лед с последующим образованием наледей и развитием зимних наводнений. К отрицательным последствиям  приводит и туман, вызывающий в морозную погоду обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.

Отмеченные ледотермические явления характерны особенно для сибирских (в условиях устойчивого зимнего антициклона) и горных рек. Так, на Енисее ниже Саяно-Шушенского гидроузла длина полыньи (до сооружения Майнской ГЭС) достигала 140км, ниже Красноярской ГЭС в разные годы она колебалась от 40 до 220км и более (до 500км). На Новосибирском гидроузле длина полыньи колеблется от 10 до 30км, на Хантайском – от 10-15км (в суровые зимы) до 30-35км (в теплые зимы), на Курейском – от 4 до 20км, на Усть-Илимском – более 40км, на Вилюйском – от 30 до 80км. Сооружение Иркутского водохранилища создало условия для замерзания естественной полыньи, всегда существовавшей в истоке Ангары. После строительства гидроузла размеры полыньи в нижнем бьефе Иркутской ГЭС колеблются от 4 до 49км, что намного меньше прежде формировавшейся в истоке Ангары. В тоже время после заполнения Воткинского водохранилища на Каме полынья в нижнем бьефе Камской ГЭС сократилась с 13-30 до 1,5-15км, и у г.Перми восстановился устойчивый ледостав.

Нередко ниже основной кромки льда образуются вторичные полыньи, например, на  перекатах. Ниже Вилюйских ГЭС вторичная полынья при больших скоростях течения на перекатах располагается в 200 км от плотины.

Участок нижнего бьефа, находящийся в зоне пульсации кромки ледяного покрова, характеризуется неустойчивым ледовым режимом. Под влиянием суточного и недельного регулирования стока ГЭС здесь в течение зимнего периода происходит смена ледовых явлений – чередование ледостава с ледоходом и шугоходом. Кроме того, во время повышенных попусков на ГЭС в результате нарушения гидродинамической устойчивости и срыва кромки ледяного покрова в нижнем бьефе может происходить образование заторов льда, сопровождающееся подъемом уровня воды и возможным развитием зимнего наводнения.

Согласно рекомендациям [10,30] следует различать три основных ледотермических режима водотока (рис.7.2):

  • в период зимних похолоданий, когда происходит перемещение кромки ледяного покрова вверх по течению (режим наступления кромки); режим имеет место, когда створ нулевой изотермы расположен выше кромки льда, и сопровождается уменьшением длины полыньи;
  • в период зимних оттепелей или весенних потеплений, когда происходит отступление кромки ледяного покрова; режим имеет место, когда к кромке подходит вода с положительной температурой, и сопровождается увеличением длины полыньи;
  • в стабильных метеоусловиях, когда кромка ледяного покрова не перемещается (режим стабилизации кромки).

С точки зрения влияния водохранилища на термические условия и развитие ледовых явлений и процессов в нижних бьефах гидроузлов водоток ниже плотины можно разделить на характерные участки.

В режиме наступления кромки нижний бьеф можно разделить на следующие участки (рис.7.3): 1 – охлаждения воды от сброса до створа нулевой изотермы; 2 – от створа нулевой изотермы до створа начала внутриводного ледообразования; 3 – от створа начала внутриводного ледообразования до створа максимального переохлаждения; 4 – от створа максимального переохлаждения до створа наибольшей интенсивности шугообразования; 5 – от створа наибольшей интенсивности шугообразования до створа полного покрытия поверхности воды шугой и повышения температуры воды до 0°С; 6 – от створа полного покрытия поверхности воды шугой до створа формирования устойчивого ледяного покрова.

В режиме стабилизации кромки сохраняются участки 1 и 6. В режиме отступления кромки имеются три участка: 1 – охлаждения воды от сброса до температуры воды у кромки (0°С); 2 – охлаждения воды под ледяным покровом до 0°С; 3 – от створа нулевой изотермы вниз по течению.

К основным элементам ледотермического режима нижнего бьефа относятся: температура воды, расход шуги, длина полыньи, толщина льда. Практический интерес представляет расчет этих элементов, а также определение координат характерных створов.   

Из формулы (6.6) при t=0°С можно найти условие для определения координаты створа нулевой изотермы

                                         Xo = cвrв Q/(a1×b)× ln(1- tНБ/Jэ),                                  (7.1)

полученное решением уравнения теплового баланса движущегося отсека жидкости (6.1) для установившегося гидравлического режима и постоянных морфометрических характеристик русла. В формуле (7.1) a1 - коэффициент теплообмена воды с воздухом, Jэ - эквивалентная температура воздуха, b - ширина потока в нижнем бьефе,  tНБ - температура воды, поступающей в нижний бьеф.

Если по длине нижнего бьефа имеются забереги, то вместо ширины русла b в формулу (7.1) подставляется величина bНБ:

bНБ = b-bЗ ,                                                      (7.2)

где ширина заберегов  bЗ  рассчитывается по формуле Р.А.Нежиховского

bЗ = b(1-m) ,                                                    (7.3)

в которой m=0,42u0,2 ; коэффициент К для русел с мелководными зонами и пологими берегами равен 0,525, при отсутствии мелководных зон и крутых берегах К=0,465.

На шугообразующем участке, когда имеет место всплытие шуги, дифференциальное уравнение теплового баланса для определения средней по глубине температуры воды имеет вид

cвrв Qdt/dx=a1×b(t -Jэ)×(1-bш)- srшVhшbш,                            (7.4)

где  hш - толщина шуговых скоплений, определяемая по (7.5), bш - коэффициент покрытия водной поверхности шуго-ледяными образованиями, rш - плотность шуги, s - удельная скрытая теплота ледообразования.

hш=hнbш,                                                         (7.5)

где  hн - минимальная устойчивая толщина льда на кромке.

Координата створа наибольшей интенсивности шугообразования определяется из условия

dSш/dx=0,                                                        (7.6)

где  Sш - интенсивность шугообразования

Sш=a1×b(t -Jэ)×(1-bш).                                      (7.7)

В случае, когда кромка льда в режиме ее стабилизации совпадает с положением нулевой изотермы, длину полыньи  (расстояние от створа гидроузла до кромки льда)  следует рассчитывать по формуле (7.1). Для режимов наступления и отступления кромки, в том числе с учетом воздействия тепловых стоков и снегопадов, расчет длины полыньи производится согласно методике [30, 31], а в условиях суточного и недельного регулирования мощности на ГЭС - [46].

Для действующих ГЭС начальное положение кромки льда определяется по данным натурных наблюдений.

Для проектируемых ГЭС или в случае отсутствия данных  о начальном положении кромки при проведении поверочных расчетов для действующих ГЭС начальное положение кромки льда рассчитывается по формуле

                                         Xк.н. =2 hн×sл rш V/(a1× (-Jэ))× ХН  + Xo ,                     (7.8)

где ХН - безразмерный параметр, определяющий соотношение между интенсивностью теплообмена воды с атмосферой и объемной скрытой теплотой кристаллизации, которая выделяется при образовании шуги, формирующей кромку, при толщине льда на кромке hн, в единицу времени; параметр ХН находится по графику на рис.7.4 либо по известному предледоставному расходу шуги Qш.0 , либо по ширине заберегов в предледоставный период bЗ, измеренной у створа, ближайшего к кромке льда.

Если задан предледоставный расход шуги Qш.0, то следует рассчитать параметр

ПQ = Qш.0 / (bНБ V hн)                                     (7.9)

и по известному значению параметра ПQ и по графику Qш(Х) (рис.7.4) найти ХН.

Если задана ширина заберегов bЗ, то следует определить степень покрытия шугой водной поверхности вблизи кромки льда в предледоставный период

                                                                        bш.0 = 1 -  bЗ / b                                   (7.10)

и по известному значению  bш.0  и графику bш.(Х) на рис.7.4 найти параметр ХН.

Условия существования того или иного режима движения кромки ледяного покрова представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Режимы движения кромки льда

Режим

Условия существования

Температура воды на кромке льда, °С

Наступление

Хо<Хк.о

Tкр.£0

Отступление

Хо>Хк.о

Tкр.>0

Стабилизация

Хок.о

Tкр.=0

Примечания:   Хо – положение (координата) створа нулевой изотермы;

Хк.о- положение кромки в начале расчетного периода.

 

В течение зимы кромка льда в нижнем бьефе меняет свое положение в зависимости от режима регулирования стока и погодных условий зимнего периода. Скорость перемещения кромки льда на различных гидроузлах и участках нижнего бьефа может изменяться от одного до нескольких десятков километров в сутки (например, на Братской ГЭС от 0,9 до 22км/сут, Волжской ГЭС от 1 до 35км/сут). Со второй половины зимы кромка льда начинает постепенно отступать вниз по течению со скоростью 2,3-30км/сут.

В зависимости от метеорологической обстановки и гидродинамических условий в зоне кромки ледяного покрова могут наблюдаться три типа ледовой обстановки:

Первый – при скорости потока v< uv, когда шугоход имеет тенденцию к постоянному затуханию перед кромкой льда.

                                         ,                                     (7.11)

где e - пористость шуги, hк - глубина воды на кромке. При этом вся шуга, участвующая в шугоходе, оказывается сплоченной на поверхности воды.

Второй тип ледовой обстановки характеризуется наличием интенсивного шугохода и резко очерченной кромки льда. Шуга легко заносится течением под лед и лишь в небольшом количестве задерживается на поверхности, где она идет на приращение ледяного покрова. Процесс характеризуется состоянием потока, для которого справедливо  условие v> uv. Повышенные сбросные расходы в створе плотины и наличие в полынье и ниже ее шуги нередко приводят к формированию зажоров в зоне кромки льда и к разрушению ледяного покрова ниже кромки с последующим образованием заторов.

Третий тип ледовой обстановки соответствует случаю отсутствия шуги в полынье. Границы участков при этом типе ледовой обстановки находятся в постоянной динамике, изменяясь в зависимости от развития метеорологических и гидравлических условий в нижнем бьефе.

Существенное влияние на интенсивность ледовых явлений и процессов на участке реки ниже гидроузла может оказать выпавший на водную поверхность снег, наличие которого может привести к образованию снежуры и снежного льда.

Разрушение льда и вскрытие участка нижнего бьефа гидроузла начинается с наступлением теплой весенней погоды и сопровождается снеготаянием, а иногда и выпадением дождевых осадков. По сравнению с периодом зимней межени повышение водности реки вследствие снего- и ледотаяния на водосборном бассейне и в водохранилище приводит к формированию в водотоке паводковых расходов, требующих большей пропускной способности водосбросных сооружений гидроузла. Интенсивность разрушения льда и возникновение ледохода в нижнем бьефе зависят от объемов и характера попусков воды из водохранилища, а также физико-механического состояния ледяного покрова.

Вскрытие нижних бьефов происходит на 1-2 мес. раньше, чем вскрытие реки в естественных условиях.

8.2. Тепловой расчет полыньи в нижнем бьефе ГЭС

Размеры полыньи зависят от температуры сбрасываемой воды из водохранилища в нижний бьеф, теплоотдачи воды в атмосферу и от скоростного режима реки на этом участке.

Открытые водные поверхности реки в зимний период являются «фабриками» шуги и тумана. Шуга при остановке может образовать зажор, а это обусловит подъем уровня воды и затопление прилегающей территории и, следовательно, приведет к большим социально-экономическим ущербам. К этому же приводит и туман, вызывающий обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.

Расчет площади полыньи распадается на две части — на гидравлическую и теплотехническую.

Гидравлический расчет сводится к построению плана течений в нижнем бьефе ГЭС (например, методом Н. М. Бернадского (рис. 7.5 а)).

Метод построения плана течений предусматривает наличие для нижнего бьефа плана русла в изобатах, а также должны быть известны: отметка горизонта воды, ширина фронта сброса воды через плотину в нижний бьеф, расход сбрасываемой воды и коэффициент шероховатости русла в нижнем бьефе. Построенный план течений должен содержать 4—5 струй.

Тепловой расчет полыньи выполняется после построения плана течений. Для его выполнения используется уравнение теплового баланса для водотока (Практическое занятие №6 уравнение (6.3)), записанное в следующем виде:

 

 

(7.12)

 

где t — температура воды; x — продольная координата; bc и Qc — ширина и расход струи; потери теплоты на зеркале водоема, состоящие из теплоотдачи испарением, конвекцией, из потерь на излучение.

Приход теплоты через дно обычно незначительный, поэтому им можно пренебречь.

По уравнению теплового баланса (7.12), записанному в конечных разностях, расчет выполняется по методу, изложенному в Практическом занятии №6. Он выполняется для каждой струи в отдельности. В результате этого расчета получим кривые падения температуры вдоль каждой струи (рис.7.5 б).

По построенным графикам можно будет определить для каждой струи расстояние от начального створа (от створа сброса воды из водохранилища, где ее температура считается известной) до точки с нулевой температурой воды, т.е. длину полыньи. Линия, соединяющая найденные точки для каждой струи, называется нулевой изотермой.

Рис. 7.5. Схема участка реки в нижнем бьефе ГЭС (а) и кривые падения температуры воды (б) [8]

1 — плотина, 2 — водоворот, 3 — ледяной покров, 4 — кромка ледяного покрова, 5 — нулевая изотерма, 6 — шугопродуцирующая площадь; l1, l2 и т.д. — расстояние до нулевой изотермы в струях. Римские цифры — номера струй.

 

Если расчет нулевой изотермы выполнен для установившихся метеорологических условий, то эта изотерма будет совпадать с кромкой сплошного ледяного покрова. При приходе волны тепла нулевая изотерма продвинется вниз по реке (уйдет под ледяной покров). Лед в этом случае будет таять. Если придет волна холода, то нулевая изотерма, наоборот, продвинется вверх по реке. Так как процесс нарастания льда со стороны его кромки протекает более медленно, чем продвижение нулевой изотермы, то кромка льда будет отставать, а это приведет к появлению полыньи, в зоне которой вода будет переохлажденной.

Чтобы определить это новое положение нулевой изотермы необходимо вновь выполнить описанный выше тепловой расчет для каждой струи потока при новых граничных условиях.

Таким образом, шугообразующей площадью полыньи является не вся площадь открытой водной поверхности, а только та ее часть, которая расположена между нулевой изотермой воды и кромкой сплошного ледяного покрова, т. е. та площадь, где наблюдается переохлаждение воды.

7.3. Зажорные явления на реках

Выше отмечалось, что на отдельных участках рек может произойти задержка в образовании ледяного покрова. Чаще всего это наблюдается в нижних бьефах ГЭС [8], на перекатах и на быстротоках. В образовавшейся полынье может произойти переохлаждение воды. Переохлаждение воды в потоках может привести к образованию внутриводного льда (шуги).

Образовавшаяся шуга увлекается течением на расположенные ниже по течению участки реки, покрытые льдом. Если эти участки прямолинейные, то шуга, как правило, проходит их без задержки. В тех же случаях, когда морфометрические и гидравлические характеристики по длине реки неоднородные (увеличивается глубина или ширина потока, появляются острова, осередки, извилины русла и т. д.), происходит перераспределение скорости потока по его глубине и ширине и соответственно изменяется (уменьшается) его транспортирующая способность. Уменьшение транспортирующей способности потока приводит к отложению шуги под ледяным покровом, в результате образуется так называемый зажор — скопление шуги с включением мелкобитого льда, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды.

Зажоры распространены повсеместно, особенно на реках Кавказа, Средней Азии и горных участках рек Сибири. Ущерб, причиняемый зажорами народному хозяйству, огромен. Они вызывают затопление прибрежных районов, забивку водозаборных сооружений, падение напора на ГЭС и другие негативные явления. Выше зажора уровень воды поднимается, а ниже его, наоборот, опускается, вызывая осушение водозаборных сооружений.

Так, например, зажоры на р.Ангаре достигают по длине 20 км, вызывая при этом подпор воды 7 — 8 м. Развитие зажора с момента его образования определяется соотношением между интенсивностью размыва и отложения шуги: его рост наблюдается при увеличении расхода шуги. С уменьшением расхода шуги или прекращением ее поступления зажор постепенно размывается, оседает, а затем окончательно разрушается.

7.4. Расчет расхода шуги

Выделим в шугопродуцирующем потоке отсек длиной dx, ограниченный створами I и II. Через верхнее сечение (I) этого отсека будет входить количество шуги (удельный расход) qш, а через нижнее (II) — выходить qш + dqш/dx. Образование шуги в пределах отсека в количестве dqш/dx будет определяться теплоотдачей с водной поверхности, равной сумме теплопотоков     определяемых испарением, конвекцией, излучением и т. д.

Составим уравнение теплового баланса для выделенного отсека:

 

(7.13)

 

где Lкр — удельная теплота ледообразования.

Разделив переменные в уравнении (7.13), получим

 

(7.14)

 

Проинтегрируем уравнение (7.14) в пределах от qш0 до qш и от 0 до l:

 

 

(7.15)

 

 

где qш0 — количество шуги (удельный расход)  в начальном створе шугопродуцирующего участка реки (x = 0), a qш — то же в его конечном створе (x = l); l — длина шугопродуцирующего участка реки.

Отсюда

 

(7.16)

 

Если при x = 0    qш0 = 0 (при совпадении начала исследуемого участка реки с нулевой изотермой полыньи), то

 

(7.17)

 

С учетом ширины потока B на участке выражение (7.17) примет вид

 

(7.18)

 

где Qш — расход шуги в конце исследуемого участка реки; Ωш — шугопродуцирующая площадь (см. выше).

Точность расчета расхода шуги по формуле (7.18) зависит от надежности определения теплоотдачи с водной поверхности, которая изменяется по длине рассматриваемого участка в связи с различной плотностью шуголедяных масс, плывущих на поверхности потока.

Рекомендации по расчету зажорных явлений в нижних бьефах ГЭС [35] предлагают расчет расхода шуги выполнять по формуле А.Н.Чижова, учитывающей степень покрытия водной поверхности шуголедяной массой:

Qш = {1 - ехр[- qτ / (Lкрa)]} VaB,                              (7.19)

где q — плотность теплового потока через водную поверхность; τ — время добегания ледяных образований от нулевой изотермы до кромки ледяного покрова; a — количество льда, приходящееся на единицу поверхности; V — средняя скорость шугохода на участке ледообразования; B — ширина реки.


На Практическое занятие № 6
На Практическое занятие № 8

Copyright © 2002-2007 ГОУ Московский государственный университет природообустройства.                                                                                                           Наш e-mail: mailto:web-msuee@rambler.ru
Руководитель проекта: В.В. Шабанов
Дизайн и програмирование: Сиранчиев К.А.