Bài giảng thuỷ văn công trình (đại học thủy lợi)

Thuỷ Văn Cơng Trình Chương 5: Điều tiết dịng chảy hồ chứa Nội dung chương I II III IV Hồ chứa điều tiết dòng chảy Phương pháp tính bồi lắng kho nước Các loại tổn thất hồ chứa phương pháp xác định Nguyên lý điều tiết dòng chảy hồ chứa V Mức đảm bảo thiết kế - Tần suất thiết kế cơng trình thuỷ lợi VI Các tài liệu dùng tính tốn hồ chứa VII Tính tốn điều tiết cấp nước VIII Tính tốn điều tiết lũ I Hồ chứa điều tiết dòng chảy Các yêu cầu nước phân loại Khái niệm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy Phân loại điều tiết dịng chảy Hồ chứa cơng trình đầu mối Đặc trưng địa hình hồ chứa thơng số cơng trình Các u cầu nước phân loại Các yêu cầu nước: hoạt động dân sinh người có địi hỏi khác nước Các yêu cầu nước đánh giá đặc trưng: lượng, chất lượng, động thái mức đảm bảo Ví dụ: Các yêu cầu tưới đánh giá lượng nước cấp, chất lượng nước mà nhận được, chế độ tưới mức đảm bảo cấp Yêu cầu nước cho phát điện đánh giá công suất theo thời gian (động thái), tổng điện (lượng), mức đảm bảo cơng suất cấp Những đối tượng có yêu cầu nước gọi chung hộ có yêu cầu nước Các yêu cầu nước phân loại Phân loại: Các hộ dùng nước: hộ có yêu cầu cấp nước Các hộ tiêu hao nước: hộ trình dùng nước làm tiêu hao lượng nước đáng kể mà cung cấp Ví dụ: khu tưới, cơng nghiệp, sinh hoạt Các hộ sử dụng nước: hộ q trình dùng nước khơng làm tiêu hao tiêu hao khơng đáng kể lượng nước cấp Ví dụ: thuỷ điện, giao thông thuỷ, thuỷ sản Các hộ có yêu cầu bảo vệ khỏi mối đe doạ nước Khơng có u cầu cấp nước lại có yêu cầu bảo vệ khỏi bị tai hoạ nước gây Ví dụ: vùng co nguy bị ô nhiễm môi trường nước bị nhiễm bẩn; phòng chống lũ, tiêu úng Khái niệm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy Sự cần thiết điều tiết dịng chảy Các nguồn nước tự nhiên có đặc điểm: phân bố không theo không gian phân bố không theo thời gian Nhu cầu nước người biến đổi theo không gian thời gian Tuy nhiên, biến động nhu cầu nước người biến động dòng chảy tự nhiên thường lệch pha Điều tiết dòng chảy tất tác động người vào dòng chảy tự nhiên nhằm phân phối lại dòng chảy tự nhiên theo thời gian, không gian cho phù hợp với yêu cầu dùng nước, sử dụng nước phòng chống lũ lụt Khái niệm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy Nhiệm vụ điều tiết dòng chảy Nâng cao lưu lượng mùa cạn: cấp nước, phát điện, giao thông thuỷ Giảm bớt lưu lượng mùa lũ: Phòng lũ cho hạ du Phân phối lại dòng chảy cho phù hợp với nhu cầu Khái niệm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy Các biện pháp điều tiết dịng chảy: Biện pháp cơng trình: Đê Kè Kho nước (hồ chứa) Trạm bơm Cống… Trong đó, hồ chứa biện pháp cơng trình có khả làm thay đổi sâu sắc chế độ dịng chảy sơng ngịi theo thời gian khơng gian Ngồi ra, hồ chứa làm thay đổi động vị trí cục Điều ứng dụng để xây dựng nhà máy thủy điện Biện pháp phi cơng trình: Biện pháp nơng nghiệp: bờ vùng bờ thửa, ruộng bậc thang Biện pháp lâm nghiệp: trồng rừng Phân loại điều tiết dòng chảy Theo nhiệm vụ: Điều tiết phục vụ nông nghiệp Điều tiết phục vụ phát điện Điều tiết phục vụ công nghiệp Điều tiết lợi dụng tổng hợp… Theo chu kỳ điều tiết: Điều tiết năm Đ ề tiết Điều ế nhiều ề năm ă Điều tiết tuần Điều tiết ngày đêm Các toán điều tiết đặc biệt: Điều tiết lũ Điều tiết bổ sung Điều tiết bậc thang Đường hầm không áp Khi cửa vào ngập, lưu lượng tháo qua đường hầm tính theo cơng thức chảy qua lỗ Q = µω g ( H − ε h h) Trong đó: µ: hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào hình dạng mức độ thu hẹp cửa vào; ; ω: diện tích mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vào; h: độ cao mặt cắt ngang cuối đoạn cửa vào; H: độ sâu nước trước cửa vào (tính đến đáy cửa vào); εh: hệ số co hẹp đứng Đường hầm không áp Khi cửa vào không ngập, lưu lượng tháo qua đường hầm tính lưu lượng chảy qua đập tràn Q = m.σ n b g H 03/2 Trong đó: m: hệ số lưu lượng ngưỡng tràn, b: bề rộng cuối đoạn cửa vào; σn: hệ số chảy ngập, σn = f(h1/Ho), tra bảng; h1: độ sâu mặt cắt co hẹp; Ho: Cột nước tồn phần ngưỡng tràn; Đường hầm có áp Khả tháo nước đường hầm có áp xác định theo cơng thức ống có áp nói chung Trong Q = µωr gZ ωr: Diện tích mặt cắt ngang tính tốn (thường lấy cửa đường hầm) µ: Hệ số lưu lượng Zo: Cột nước cơng tác tồn phần đường hầm Z0 = Z + α vo2 2g Z: Cột nước công tác: Trường hợp cửa đường hầm không ngập; Z chênh lệch cao độ mực nước thượng lưu tâm mặt cắt đường hầm Trường hợp cửa ngập mực nước hạ lưu: Z chênh lệch cao độ mực nước thượng hạ lưu 3, Tài liệu sử dụng tính tốn điều tiết lũ Tài liệu lũ thiết kế Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p trình lũ kiểm tra theo tiêu chuẩn phịng lũ hồ chứa Q trình lũ thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn phòng lũ hạ du Q trình lũ thiết kế khu từ tuyến cơng trình đến khu phịng lũ Tổ hợp gặp gỡ q trình lũ thượng lưu Tài liệu địa hình địa chất Các quan hệ đặc trưng địa hình lịng hồ Z~V~F Tài liệu địa chất vùng lòng hồ Tài liệu cơng trình xả lũ Các đặc trưng thiết kế cơng trình tháo lũ: Kích thước B, w, m… Quan hệ qxả ~Ztl qxả ~Zhl Tài liệu dân sinh kinh tế: Ví dụ: Tài liệu đối tượng bảo vệ hạ du để xác định phương thức xả; ảnh hưởng việc xả lũ… Tài liệu lưu lượng an toàn (qat) mực nước khống chế (Hkc) Nội dung phương pháp tính tốn điều tiết lũ Nội dung Bài toán thiết kế: Biết Quá trình lũ đến hồ ứng với tần suất thiết kế (Q~t)p Kích thước cơng trình xả lũ Tìm Q trình xả lũ Dung tích siêu cao (mực nước siêu cao) Bài tốn nghịch: Biết (Q~t)p; Vsc (Hsc) Tìm (qxả~t)p kích thước cơng trình xả lũ? Bài tốn tìm tần suất đảm bảo chống lũ P Nội dung phương pháp tính tốn điều tiết lũ Ngun lý tính tốn điều tiết lũ hồ chứa hợp giải hệ hai phương trình sau: PT cân nước dV =Q−q dt PT động lực: q = f[A, Zt, Zh] Các quan hệ phụ trợ: Trong đó: Q- lưu lượng lũ đến (m3/s) q- lưu lượng xả xuống hạ lưu Zt, Zh: Mực nước thượng hạ lưu hồ Đường quan hệ mực nước dung tích Z~V Đường quan hệ mực nước lưu lượng hạ lưu: H~Q Nội dung phương pháp tính tốn điều tiết lũ Viết lại PT cân nước theo dạng sai phân: (Q − q )∆t = V2 − V1 PT động lực có dạng cụ thể tùy theo hình thức cơng trình xả lũ Ví dụ: Bảng phương trình lưu lượng cơng trình xả lũ Các quan hệ phụ trợ: xác định từ tài điệu địa hình lịng hồ quan hệ mực nước hạ lưu với lưu lương xả: Đường quan hệ mực nước dung tích Z~V Đường quan hệ mực nước lưu lượng hạ lưu: H~Q Phương trình lưu lượng cơng trình xả lũ Nội dung phương pháp tính tốn điều tiết lũ Từ PTCBN, biết thay đổi dung tích hồ chứa, thay đổi dung tích hồ lại định khả xả lũ cơng trình tính tốn theo phương trình động lực mà khả xả lớn nhỏ lại phụ thuộc vào độ sâu mực nước đỉnh tràn tức dung tích hồ định, phải có cách giải riêng: Phương pháp tính lặp trực tiếp Phương pháp đồ giải Potapop Phương pháp giản hố Kơ-trê-rin Phương pháp lặp trực tiếp Viết lại hệ phương trình dạng: PTCBN Q1 +Q2 q1 + q2 V2 =V1 + ∆t − ∆t PT động ng llựcc cho cơng trình xxả llũ::2 q = f (Zt , Zh, A) (1) (2) Đường quan hệ mực nước dung tích: Z ~ V Đường quan hệ mực nước lưu lượng hạ lưu H ~ Q Phương pháp lặp trực tiếp Tại thời đoạn tính tốn Bước 1: Giả định giá trị q2gt cuối thời đoạn tính tốn, tính giá trị V2 theo phương trình (1) Bước 2: Xác định giá trị mực nước thượng lưu Zt2 (tra quan hệ Z~V); mực nước hạ lưu Zh2 (tra quan hệ H ~Q hạ lưu) cuối thời đoạn tính tốn Nếu mực nước hạ lưu khơng ảnh hưởng đến khả tháo lũ cơng trình khơng cần xác định mực nước hạ lưu) Bước 3: Tính giá trị q2tt theo phương trình (2) kiểm tra điều kiện: q2tt − q2gt ≤ ε Với ε số dương tùy ý ấn định trước, sai số cho phép hai lần tính Nếu sai số thỏa mãn chuyển sang thời đoạn Nếu sai số khơng thỏa mãn quay lại bước Tiến hành tính tốn cho tất thời đoạn xác định trình xả lũ, đặc trưng dung tích phịng chống lũ mực nước c trng Bắt đầu S tớnh toỏn I=1 Giả định giá trị q(I) Tính V(I)=V(I-1)+0.5[Q(I)+Q(I-1)] t-0.5[q(I)+q(I-1)] t Xác định mực nớc hồ Zt mực nớc hạ lu Zh Tính lại q t (I) theo công thức thủy lực sai q(I)=0.5[q(I)+q t (I)] q t (I)-q(I) ≤ε ®óng I=I+1 ®óng sai I>1 STOP Phương pháp lặp trực tiếp Ví dụ bảng tính tốn điều tiết lũ phương pháp thử dần với CT xả lũ đập tràn STT Thời Qđến q2gt đoạn (m3/s) (m3/s) (1) (2) (3) (4) ∆V (m3) V2 (m3) (5) (6) Zt (m) H (m) q2tt (m3/s) (7) (8) (9) Cột (1) (2) : Số thứ tự thời gian Cột (3): Lưu lượng lũ đến hồ ứng với thời đoạn Cột (4): Lưu lượng xả cuối thời đoạn giả thiết (q2gt) Cột (5) Sự thay đổi dung tích hồ bình qn thời đoạn tính theo q2gt Cột (6): Dung tích hồ cuối thời đoạn tính theo q2gt Cột (7): Mực nước thượng lưu hồ cuối thời đoạn tính tốn tra theo V2 Cột (8): Cột nước tràn Cột (9): Tính giá trị q2t cuối thời đoạn tính tốn theo cơng thức (2) Ghi chú: Sự thay đổi dung tích kho bình qn thời đoạn tính tốn ∆V (cột 5) Cơng thức tính Q- lưu lượng lũ đến (m3/s) Q1 + Q2 q1 + q2 q- lưu lượng xả xuống hạ lưu ∆V = ∆t − ∆t Tính tốn dung tích kho cuối thời đoạn V2: V2 = V1 + ∆V Tính giá trị xả q2t cuối thời đoạn tính tốn (CT đập tràn, chảy tự do) q = mB g h Kiểm tra điều kiện |q2t – q2gt| ≤ ε Nếu thỗ mãn, dừng tính tốn Nếu khơng thoả mãn, giả thiết lại q2gt ε: Sai số cho phép lần tính số cửa B= m= Zngưỡng tràn = MNDBT Thời đoạn = MNTL=MNDBT Vtl= 6m 0.41 V = 0.041Z2 - 39.11Z + 9325 Z(m); V (10^6m3) 495m 2h 495m 16.09 106m3 Thời gian (giờ) Q0,2% (m3/s) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 0.0 19.0 149.3 492.0 756.5 826.3 754.8 622.0 479.5 353.8 253.0 177.0 121.8 82.5 55.3 37.0 24.5 16.3 10.5 8.0 0.0 0.0 0.0 0.0 q2gt Qdt qdt (m3/s) 10 m3 106m3 0.0 0.0 0.0 0.6 0.1 0.0 16.3 1.1 0.1 125.0 3.5 0.9 365.6 5.4 2.6 599.3 5.9 4.3 710.7 5.4 5.1 697.5 4.5 5.0 612.0 3.5 4.4 502.0 2.5 3.6 393.8 1.8 2.8 301.2 1.3 2.2 226.5 0.9 1.6 168.8 0.6 1.2 124.3 0.4 0.9 92.1 0.3 0.7 68.8 0.2 0.5 51.3 0.1 0.4 38.6 0.1 0.3 29.4 0.1 0.2 22.1 0.0 0.2 16.3 0.0 0.1 12.3 0.0 0.1 9.6 0.0 0.1 Vmax Vpl DV 106m3 0.1 0.5 1.8 2.7 2.2 1.0 -0.1 -0.7 -1.0 -1.0 -1.0 -0.8 -0.7 -0.6 -0.4 -0.4 -0.3 -0.2 -0.2 -0.2 -0.1 -0.1 -0.1 Z = -0.012V2 + 1.068V + 480.9 Z(m); V (10^6m3) 24.4x106m3 8.3 x106m3 V Z H 10 m3 m 16.1 495.0 16.2 495.0 16.7 495.4 18.5 496.5 21.2 498.2 23.5 499.4 24.4 499.9 24.3 499.8 23.6 499.4 22.6 498.9 21.5 498.3 20.6 497.8 19.7 497.3 19.1 496.9 18.5 496.5 18.0 496.3 17.7 496.0 17.4 495.9 17.2 495.7 17.0 495.6 16.8 495.5 16.7 495.4 16.6 495.3 16.5 495.3 q2tt m3/s m 0.0 0.0 0.4 1.5 3.2 4.4 4.9 4.8 4.4 3.9 3.3 2.8 2.3 1.9 1.5 1.3 1.0 0.9 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.0 0.6 16.3 125.0 365.6 599.3 710.7 697.5 612.0 501.9 393.8 301.2 226.5 168.8 124.3 92.1 68.8 51.3 38.5 29.4 22.1 16.3 12.3 9.6 Sai số 0.000 0.017 0.003 0.007 0.010 0.012 0.015 0.012 0.012 0.013 0.011 0.010 0.009 0.010 0.009 0.007 0.007 0.007 0.007 0.006 0.005 0.003 0.005 0.005 ... khoảng thời gian dt Phương trình động lực Các trình chảy vào hồ chứa tuân thủ quy luật động học trình chuyển động nước mơ tả phương trình động lực Cửa vào/ cửa đoạn kênh, cơng trình đập tràn, cống... phương trình động lực mơ tả q trình chuyển động nước qua cửa vào cửa Phương trình: q(t) = f [C,Z(t),Zh(t)] Trong C: Đặc trưng cho thông số công tác cửa Z(t) Quá trình mực nước kho nước Zh(t): Quá trình. .. kế cơng trình thuỷ lợi người ta phải xét mức độ đảm bảo an tồn cơng trình an tồn chế độ cung cấp sản phẩm, Mức độ đảm bảo an tồn cơng trình xác định trường hợp xảy tượng khí tượng thuỷ văn đặc