I. Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты

1. Водохозяйственные расчеты (ВХР) – это совокупность вычислительных операций по определению режимов сработки и наполнения водохранилища (уровней воды, объемов и площадей зеркала водохранилища), расходов воды в нижнем бьефе гидроузла водохранилища, расходов потерь воды из водохранилища (на испарение, льдообразование, фильтрацию, шлюзование и пр.), расходов подачи воды из водохранилища потребителям (на водоснабжение, орошение, обеспечение судоходства, переброску стока в другие бассейны, а также режимов пропуска высоких половодий и паводков через гидроузлы водохранилищ и их каскады. Последний вид расчетов обычно называют гидравлическими и выделяют в особый раздел.

2. Сущность ВХР заключается в решении уравнения водного баланса в каждый расчетный интервал времени, продолжительность которого определяется требуемой точностью расчетов, интенсивностью изменения притока воды и водопотребления, располагаемой гидрологической и водохозяйственной информацией, характером решаемой задачи и др.

В общем случае основное укрупненное балансовое уравнение для водохранилища в створе его гидроузла для каждого расчетного интервала времени i в терминах средних за интервал расходов воды имеет следующий вид:

SQ_в.i +SQ_бп.i ± DQ_i - SQ_вп.i - SQ_пi - Q_н/бi ± DQ_εi = 0,

где: SQ_в.i – суммарный расход воды во входных створах водохранилища, представляющий собой сумму естественных расходов воды в этих створах (при отсутствии вышерасположенных водохранилищ) за вычетом расходов безвозвратного водопотребления выше этих створов, либо расходов воды в нижних бьефах гидроузлов вышерасположенных водохранилищ (створы которых, в этом случае являются входными створами рассматриваемого водохранилища);

SQ_бп.i – суммарный расход бокового притока воды в рассматриваемое водохранилище (включая подземный приток и осадки на поверхность водохранилища, возврат воды от таяния льда осевшего на берегах водохранилища во время его сработки и др.);

SQ_вп.i – суммарный расход безвозвратного водопотребления из рассматриваемого водохранилища (забор – возврат);

SQ_пi – суммарный расход потерь из рассматриваемого водохранилища (включая подземный отток, испарение с поверхности водохранилища, временные потери на ледообразование льда оседающего на берегах водохранилища при его сработке и др.);

±DQ_i – расход воды на сработку (+) или наполнение (-) рассматриваемого водохранилища;

Q_н/бi – расход воды в нижнем бьефе рассматриваемого гидроузла, всего, с учетом возвратных затрат стока и потерь (шлюзование, фильтрация через тело, основание и берега плотины гидроузла, протечки через неплотности затворов водопропускных сооружений и др.);

±DQ_εi – суммарная невязка водного баланса рассматриваемого водохранилища, являющаяся результатом неточности измерения или вычисления учтенных статей водного баланса, а также наличия неучтенных статей водного баланса. Определяется только при исследовании фактических режимов работы водохранилищ и может быть как положительной (+) так и отрицательной (-).

3. При проведении ВХР, перечисленные выше укрупненные статьи водного баланса могут быть развернуты в отдельные показатели. Кроме показателей, характеризующих водный баланс водохранилища результатом расчетов являются также такие показатели как уровни и объемы воды в рассматриваемом водохранилище, определенные на границах расчетных интервалов времени (начальный и конечный) и средние за расчетный интервал времени.

4. Водноэнергетические расчеты (ВЭР) – это совокупность вычислительных операций по определению выработки электроэнергии гидроэлектростанциями. Фактически являются некоторым расширением ВХР, когда дополнительно к расчетным показателям ВХР (уровням, расходам и объемам воды) на каждом расчетном интервале времени вычисляются следующие показатели:

- уровни воды в нижнем бьефе гидроузла (у ГЭС);

- напоры ГЭС (брутто и нетто);

- средние и пиковые мощности ГЭС;

- выработка электроэнергии ГЭС.

5. ВХР (а при наличии в составе сооружений гидроузла ГЭС, и ВЭР), являются абсолютно необходимой основой разработки режимов работы водохранилища и соответствующих диспетчерских правил и графиков. Только по результатам этих расчетов могут быть получены оценки надежности водообеспечения потребителей и, в определенной степени, безопасности гидротехнических сооружений водохранилища. Для получения полных оценок критериев безопасности ГТС водохранилища, необходимо проведение еще и гидравлических расчетов.

6. При выполнении ВХР и ВЭР по расчетным интервалам времени, принимается, что интенсивности прихода и расхода воды в водохранилище в течение каждого интервала постоянны и соответствуют некоторому среднему по времени за этот интервал уровню водохранилища. Поскольку значение среднего уровня воды в водохранилище зависит от его конечного (за интервал) наполнения, которое в свою очередь, в значительной мере определяется расходованием воды из водохранилища, расчеты работы водохранилища проводятся методом последовательного приближения, примерно по следующей схеме.

Задается предполагаемое конечное наполнение водохранилища, определяется средний (за расчетный интервал) уровень воды в нем и зависящие от него расходные статьи водного баланса, производится расчет водного баланса и проверяется соотношение между рассчитанным и принятым на конец расчетного интервала наполнением водохранилища. В случае несоответствия последних друг другу вносятся необходимые коррективы и расчет выполняется заново.

7. При проведении расчетов режимов работы водохранилища длительность расчетных интервалов зависит от характера колебаний стока для гидрологических условий рассматриваемого водохранилища. Обычно для анализа меженных периодов достаточным является проведение ВХР и ВЭР по месячным и/или декадным отрезкам времени. В период прохождения половодий приходится переходить к декадам, пятидневкам (пентадам), а в ряде случаев и к суточным интервалам. Переход к коротким расчетным интервалам времени оказывается необходим также для расчетов прохождения дождевых и снего-дождевых паводков. Необходимость уменьшения длительности расчетных интервалов, вытекает из того, что при значительной длительности этих интервалов замена сильно колеблющегося стока средними расходами воды приводит к искажению результатов расчетов.

8. В расчетах по рассматриваемому в проекте ПИВР водохранилищу следует использовать такую временную разрезку водохозяйственного года на расчетные интервалы, чтобы она позволяла достаточно точно учитывать изменчивость статей водного баланса водохранилища, то есть чтобы при дальнейшем сокращении длительности расчетных интервалов, получаемые по результатам расчетов оценки критериев надежности и безопасности рассматриваемых режимов работы водохранилища практически не изменялись.

В расчетах для всех лет многолетнего расчетного ряда должна использоваться единая временная разрезка на расчетные интервалы.

Выполнение расчетов по расчетным интервалам длительностью более 1 месяца (квартал, полугодие, год) не допускается.

9. В целях получения корректных результатов, включая многолетний водный баланс водохранилища, при проведении расчетов по многолетнему ряду должно выполняться условие нулевого изменения наполнения водохранилища за многолетний период, то есть наполнение водохранилища на начало первого расчетного интервала первого в ряду расчетного водохозяйственного года должно точно соответствовать наполнению водохранилища на конец последнего расчетного интервала последнего в ряду расчетного водохозяйственного года. Это достигается путем подстановки в качестве начальных условий результатов расчета на конец рассматриваемого многолетнего периода и проведения повторного расчета. Для достижения требуемого результата обычно достаточно 2-3 итераций.

10. При обосновании разрабатываемого проекта ПИВР все ВХР и ВЭР проводятся по многолетним (календарным) стоковым рядам среднедекадных (среднепентадных, среднесуточных) и среднемесячных расходов воды.

Длительность расчетного ряда должна быть не менее 40-50 лет, а в случае, если период эксплуатации водохранилища превышает указанные величины, то длительность ряда должна быть не менее длительности фактического периода эксплуатации.

При недостаточности рядов фактических наблюдений за стоком они могут быть продлены с помощью известных методов математического моделирования временных рядов.

11. Все ВХР и ВЭР проводятся применительно к определенным правилам управления водными ресурсами водохранилищ (диспетчерским графикам) при допущении, что приток воды в водохранилище считается известным лишь на один расчетный интервал времени вперед.

Возможно использование в расчетах и другого допущения - что приток воды в водохранилище наперед вообще неизвестен и режим работы водохранилища на предстоящий расчетный интервал назначается сразу, исходя только из отметки уровня воды в водохранилище на начало этого расчетного интервала. Результатом последнего подхода будут более «осторожные» правила управления и, возможно, более низкие расчетные показатели обеспеченности отдачи. Такой подход может применяться только для водохранилищ, обладающих значительной полезной емкостью и/или при расчетных интервалах менее 1 декады.

12. В расчетах и, соответственно, в разрабатываемых вариантах правил регулирования режимов работы водохранилищ и диспетчерских графиков, должны быть точно учтены пропускные способности и другие характеристики производительности сооружений и оборудования гидротехнических сооружений водохранилища, а также возможные и допустимые схемы их работы, включая необходимость резервирования и планового ремонта части оборудования, время, необходимое для ввода сооружений и оборудования гидроузлов в действие и перевода их из одного режима работы в другой.

Так показатели отдачи в пределах любой зоны диспетчерского графика для любой отметки уровня воды и любого момента времени, не могут превышать суммарной производительности (пропускной способности) соответствующих сооружений (в том числе, для ГЭС – и максимальной пропускной способности (мощности) отходящих линий электропередач).

В случае если зона диспетчерского графика достаточно широка и имеет место существенное изменение пропускных способностей сооружений при переходе от нижней границы зоны к верхней, отдача должна назначаться в виде соответствующего диапазона значений.

13. В случае если в отдельные периоды водохозяйственного года для рассматриваемого водохранилища, перепады уровней воды, по его длине столь значительны, что объемы воды, вычисленные по приплотинным отметкам (статические объемы), значительно отличаются от реальных объемов воды (динамические объемы), необходим учет влияния динамики движения водных масс на показатели расчетов. В этом случае ВХР и ВЭР должны проводиться с использованием схем учитывающих динамические объемы либо в целом по водохранилищу, либо по нескольким его участкам и по соответствующим укороченным интервалам времени для лимитирующих периодов (пентада, сутки).

14. Порядок проведения ВХР и ВЭР по календарным многолетним рядам стока может зависеть от размеров регулирующего объема водохранилища и от целей, для которых используется этот объем, т.е. от целей регулирования. Но суть его является общей – последовательное вычисление расчетных показателей по каждому расчетному интервалу времени в течение водохозяйственного года и затем последовательно от года к году по всему многолетнему ряду. При этом результаты расчета по предыдущему расчетному интервалу являются начальными условиями для последующего.