CHƯƠNG 4: TểM TẮT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC
4.3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC
Dòng chảy thiên nhiên có đặc tính phân phối không đều theo không gian và thời gian. Khi chúng ta cần nước thì dòng chảy thiên nhiên lại cạn kiệt, đó là vào mùa khô yêu cầu dùng nước cần nhiều phục vụ cho tưới, cấp nước cho các ngành kinh tế mà nước sông lại can kiệt. Ngược lại về mùa lũ yêu cầu dùng nước không nhiều thì lượng nước mặt do mưa lũ sinh ra quá nhiều gây nên lũ lụt, ngập úng. Từ đây cho thấy sự phân phối dòng chảy không phù hợp với con người, mâu thuẩn với nhu cầu dùng nước của con người. Để khắc phục điều đó chúng ta phải sử dụng các công trình thuỷ lợi, công trình có tác dụng giải quyết tốt nhất để điều tiết dòng chảy là hồ chứa. Vì vậy ý nghĩa của điều tiết dòng chảy là thông qua biện pháp công trình khống chế, phân phối lại dòng chảy sông ngòi sao cho phù hợp với yêu cầu dùng nước của con người. Điều tiết dòng chảy là một khâu chính trong công tác khai thác nguồn tài nguyên thuỷ lợi, phát huy khả năng tiềm tàng của sông, góp phần xây dựng nền kinh tế quốc dân lớn mạnh, làm thay đổi bộ mặt thiên nhiên của lưu vực. Hai nhiệm vụ chủ yếu của điều tiết dòng chảy là làm tăng lưu lượng dòng chảy kiệt và làm giảm nhỏ lưu lượng dòng chảy lũ. Nội dung của tính toán điều tiết hồ là đi xác định mực nước chết, dung tích chết, dung tích hữu ích của hồ tương ứng với mực nước dâng bình thường(MNDBT).
4.3.1 Xác định mực nước chết (MNC).
Mực nước chết là mực nước thấp nhất ở trong kho nước, ứng với mực nước chết ta co dung tích chết (Vc). Dung tích chết là phần dung tích không tham gia vào quá trình điều tiết dòng chảy. Phần dung tích này nằm ở phần dưới cùng của kho nước nên còn gọi là dung tích lót đáy. Tác dụng chính của dung tích chết trữ lượng bùn cát mang đến kho nước trong suốt thời gian phục vụ công trình, nhằm nâng cao đầu nước trong kho cũng như chiều sâu về phía thượng lưu kho nước. Mực nước chết và dung tích chết có quan hệ với nhau theo quan hệ địa hình kho nước Z ~ V.
Xác định mực nước chết phải đảm bảo điều kiện sau:
Đảm bảo chứa hết bùn cát lắng đọng trong thời gian hoạt động của công trình:
h Zbc
MNC = +
∇1
(m) (4-26)
Zbc
Cao trình bùn cát trong suốt thời gian hoạt động của hồ chứa.
Zbc
được xác
định bằng cách tra quan hệ trên đường đặc tính (Z ~ V) theo
T
Vbc
.
Với
T V VbcT = bcnamì
(m3) (4-27)
nam
Vbc
: Dung tích bùn cát bồi lắng hằng năm như đã tính ở mục 4.1 thì:
nam
Vbc
=87750(m3).
T : Tuổi thọ công trình, theo QCVN 04-05:2012 quy định tuổi thọ công trình phụ thuộc vào cấp công trình đầu mối, nhưng ta vẫn chưa xác định được cấp công trình đầu mối, do đó ta phải tính cho các cấp công trình đầu mối khác nhau. Ở đây ta giả thiết 2 cấp công trình khác nhau để tính ra MNC.
+ Công trình cấp I: Thời gian tính toán dung tích bồi lắng T1 = 100 năm.
+ Công trình cấp II: Thời gian tính toán dung tích bồi lắng T2 = 75 năm.
h : Cột nước trước cống nhỏ nhất thoả mãn điều kiện tháo được lưu lượng thiết kế, ở đây ta lấy sơ bộ h = 5m.
Đối với kho nước có nhiệm vụ tưới tự chảy, MNC không được nhỏ hơn cao trình mực nước tối thiểu để có thể bảo đảm được tưới tự chảy
tk HT
c y
MNC =∇ +h
∇2 /
(m) (4-28)
Do nước được trả lại lòng sông Kôn để cấp nước tưới cho hạ lưu nên yêu cầu xác định MNC theo công thức (4-28) không xét đến. Ta chỉ xác định cao trình MNC theo công thức (4-26). Kết quả tính toán xác định cao trình mực nước chết và dung tích chết được thể hiện ở bảng sau
Bảng 4.18:Bảng tính toán cao trình mực nước chết và dung tích chết.
Cấp công trình I II
T(năm) 100 75
Cấp công trình I II
T
Vbc
(106m3) 8,775 6,581
Zbc
(m) 59,71 58.28
∇MNC
(m) 64,71 63.28
VC
(106m3) 15,869 13,837
4.3.2 Xác định tổn thất hồ chứa.
Sau khi xây dựng kho nước thì tổn thất sẽ tăng lên. Nguyên nhân của sự tăng đó là do mặt tiếp xúc giữa nước, không khí và đất tăng lên. Tổn thất bao gồm nhiều loại:
tổn thất do bốc hơi, do thấm qua vai đập, thân đập, đáy đâpvà do rò rỉ qua công trình.
Các xác định các loại tổn thất như sau:
+ Tổn thất do bốc hơi.
Theo [3] ta có thể xác định tổng lượng tổn thất bốc hơi của kho nước như sau:
tb
i
bh F
W =∆Ziì
(103m3) (4-29) Trong đó:
Zi
∆
: Lượng tổn thất bốc hơi
Ftb: Diện tích mặt nước trung bình của kho nước ở từng thời đoạn được xác định bằng cách tra trên đường đặc tính quan hệ (Z ~ F ~V) theo dung tích bình quân lòng
hồ i V
+ Tổn thất do thấm.
Ở giai đoạn này ta chưa xác định tổn thất thấm nên cho phép lấy tổng tổn thất
do thấm như sau: i V kì
=
i
Wth
(m3) (4-30) Với k: tiêu chuẩn thấm trong kho nước, k = 1%.
Vi
: Dung tích bình quân trong kho nước.
+ Tổng tổn thất.
i th i bh
tt W W
Wi= +
(4-31) Kết qủa tính tổn thất hồ chứa xem kèm theo các bảng điều tiết hồ xác định mực nước dâng bình thường (MNDBT), phụ lục tính toán điều tiết.
4.3.3 Điều tiết hồ và xác định mức nước dâng bình thường(MNDBT).
a. Phương pháp điều tiết.
Trong tính toán điều tiết dòng chảy, điều tiết năm là loại được sử dụng rộng rãi nhất. Nhiệm vụ của tính toán điều tiết năm đối với bài toán mà ta đang nghiên cứu là căn cứ vào đường quá trình nước đến năm thiết kế, theo yêu cầu dùng nước đã định, tính toán dung tích hiệu quả cần thiết của kho nước. Để tính toán điều tiết năm người ta dùng hai phương pháp sau: Phương pháp theo thứ tự thời gian và phương pháp thống kê.
+Đặc điểm của phương pháp theo thứ tự thời gian là có thể trực tiếp đối chiếu quỏ trỡnh nước đến và quỏ trỡnh nước dựng, kết quả tớnh toỏn cho biết tương đối rừ ràng quá trình vận hành của kho nước, do đó phương pháp này được dùng rộng rãi trong tính toán điều tiết năm. Phương pháp này lại chia thành hai loại: phương pháp lập bảng và phương pháp đồ giải.
+Phương pháp thông kê thấy ít dùng trong tính toán điều tiết năm nhưng lại dùng nhiều trong tính toán điều tiết nhiều năm.
Ở đây ta dùng phương pháp điều tiết theo thứ tự thời gian bằng phương pháp lập bảng. Nguyên lý cơ bản của phương pháp tính toán là tiến hành cân bằng lượng nước trong kho nước được biểu thị bằng phương trình sau:
(Q q ) T
V = v − r ì∆
∆
(4-32) Trong đó:
∆T
: Thời gian tính toán.
∆V
: Lượng nước chứa trong kho được tăng lên hay giảm trong thời
đoạn ∆T
Qv : Lưu lượng chảy vào kho trong thời đoạn ∆T
qr : Lưu lượng nước từ kho chảy ra trong thời đoạn ∆T
do bị tổn thất và do lấy nước để dùng.
Muốn tìm dung tích của kho nước được dễ dàng, ta cần phân biệt các trường hợp kho nước sử dụng một lần hay sử dụng nhiều lần. Dựa vào quan hệ giữa lượng nước đến và lượng nước cần của vùng dự án, tiến hành vẽ đường quá trình tích và xã của kho nước đã xác định được trường hợp làm việc của kho nước là sử dụng một lần.
Cụ thể xem biểu đồ sau:
Hình 4.1: Đường quá trình tích và xã của hồ chứa.
Giải thích các cột trong các bảng điều tiết ở phụ lục tính toán điều tiết (3.3) và 3.4):
+ Cột 1: các tháng được sắp xếp theo thứ tự của thời kỳ thiếu nước hay thừa nước liên tục nhau, ở đây sắp xếp bắt đầu từ tháng 9 là tháng đầu tiên có lượng nước thừa đầu mùa lũ.
+ Cột 2: lượng nước đến của các tháng được lấy từ bảng số liệu phân phối dòng chảy năm thiết kế (8.3).
+ Cột 3: lượng nước cần của các tháng được lấy từ số liệu bảng (7.5)
+ Cột 4: d c1
W W
W = −
∆ +
hay (4) = (2) – (3).
+ Cột 5: c1 d
W W
W = −
∆ −
hay (5) = (3) – (2).
+ Cột 6, cột 7: lượng nước chứa và xã của kho nước theo phương án vận hành chứa sớm. Sau khi xác định được dung tích hiệu quả của kho khi chưa kể đến tổn thất.
hi
V =V−
(4-33) Lấy ví dụ như ở bảng (hình 4.1) ta có như sau:
6 3
320.87(10 )
Vhi = m
Phương án chứa sớm là ngay khi có lượng nước đến ta tiến hành trữ nước vào kho ngay, khi nào kho đầy thì sẽ xã ra. Sở dĩ ở đây ta chọn phương án này vì vùng xây dựng công trình chưa có trạm dự báo nào. Nếu dùng phương án chứa muộn mà không có dự báo thì kho nước khó đảm bảo chứa đầy nước, vì vậy ta chọn phương án chứa sớm để việc chứa nước đầy kho đảm bảo chắc chắn hơn.
+ Cột 8: dung tích của hồ chứa theo từng tháng bao gồm cả dung tích chết + Cộ 9: diện tích mặt nước của hồ được xác định bằng cách dùng số liệu Vhô ở cột 8 tra trên đường đặc tính ( Z~ F ~ V).
+ Cột 10: dung tích bình quân tính từ số liệu của cột 8
2
+1
= hoi + hoi
bq
V V V
+ Cột 11: diện tích mặt nước bình quân tính từ số liệu của cột 9
2
+1
= hoi + hoi
bq
F F F
+ Cột 12: lớp nước bốc tiêu chuẩn từng tháng tính bằng mm/ tháng + Cột 13: lượng nước tổn thất của hồ do bốc hơi trong từng tháng (13) = (12) x (11)
+ Cột 14: lượng nước thấm tiêu chuẩn từng tháng, lấy chung là 1%.
+ Cột 15: lượng nước tổn thất của hồ do thấm trong từng tháng.
(15) = (14) x (10) + Cột 16: Tổng tổn thất của hồ:
(16) = (13) + (15)
+ Cột 17: lượng nước cần dùng trong từng tháng đã kể đến tổn thất.
(17) = (3) + (16)
+ Cột 18, 19: lượng nước thừa, thiếu trong từng tháng giống cột 4,5
Dựa vào cột 18,19, ta xác định được dung tích hiệu quả của hồ đã kể đến tổn thất theo công thức (4-33).
+ Cột 20, 21: kết quả tính toán quá trình vận hành của kho nước tương tự như cột 6, và 7.
b. Xác định dung tích hữu ích của hồ chứa (Vhi):
Dung tích hữu ích là phần dung tích nằm trên phần dung tích chết làm nhiệm vụ điều tiết cấp nước. Về mùa lũ, nước được tích vào phần dung tích hữu dụng để bổ sung nước dùng cho thời kỳ mùa kiệt khi nước đến không đủ cung cấp cho nhu cầu dùng nước. Phần dung tích hữu ích được xác định theo công thức (8-8) dùng cho kho nước sử dụng hai lần.
c. Xác định mực nước dâng bình thường (MNDBT):
MNDBT là mực nước cao nhất của kho có thể giữ được trong thời gian lâu dài để bảo đảm cung cấp nước cho các ngành dùng nước. Cách xác định MNDBT dựa vào dung tích hồ khống chế bởi dung tích chết và phần dung tích hiệu dụng ( VBT =VC + VHi) tra trên đường quan hệ (Z ~ V) khi biết VBT.
Kết quả sau khi điều tiết ta xác định được các thông số như sau:
Bảng 4.19: Các đặc trưng của hồ chứa theo các phương án khác nhau.
CÁC ĐẶC TRƯNG HỒ CHỨA
Cấp công trình I II
Dung tích chết Vc (106m3) 15.87 13.84 Cao trình mực nước chết (m) 64.71 63.28 Dung tích hữu ích Vhi (106m3) 320.87 320.69 Dung tích hồ ứng với MNDBT (106m3) 336.74 334.53
Cao trình MNDBT (m) 99.62 99.47
4.3.4 Tính toán điều tiết lũ.
a. Lựa chọn hình thức công trình tháo lũ.
Nhiệm vụ cơ bản của điều tiết dòng chảy là nâng cao lưu lượng mùa kiệt và hạ thấp lưu lượng mùa lũ. Điều tiết năm và nhiều năm chủ yếu là nghiên cứu cách nâng cao lưu lượng mùa kiệt hoặc lưu lượng năm ít nước, còn điều tiết dòng chảy lũ là nghiên cứu cách hạ thấp lưu lượng mùa lũ, lưu lượng đỉnh lũ lớn. Mục tiêu của việc nghiên cứu điều tiết lũ hồ chứa là thông qua tính toán, tìm ra dung tích phòng lũ cần thiết của hồ chứa, phương thức trữ nước và tháo nước thích hợp, từ đó giảm bớt kích thước công trình tháo lũ và thoả mãn cột nước hạn chế lúc tháo lũ. Đối với những công trình đầu mối không có nhiệm vụ phòng lũ như công trình Định Bình thì căn cứ vào tầm quan trọng của công trình để xác định cấp công trình, tìm ra lũ thiết kế. Thông qua tính toán điều tiết lũ tìm ra lưu lượng lũ trong trường hợp bình thường nhằm lựa chọn quy mô kích thước công trình xã lũ một cách hợp lý.
Theo như các giải pháp tuyến đâp, tuyến cống, tuyến tràn trong việc lựa chọn bố trí cụm công trình đầu mối. Ta đã xác định được hình thức công trình xã lũ là đập tràn có cửa. Kiểu đập tràn thực dụng có mặt cong dạng Ophixêrôp, công thức tính lưu lượng qua tràn xác định như công thức
2 /
. 3
2g H mB
Qxã =ε
(m3/s) (4-34) Trong đó:
ε :hệ số co hẹp bên ε = 0,9.
B : tổng bề rộng nước tràn theo giả thiết
m : hệ số lưu lượng, đối với đập tràn thực dụng Ôphixêrôp thì m tiêu chuẩn, m = 0,49
H : cột nước trên đỉnh tràn khi không kể lưu tốc tới gần. Vì trong trường hợp chiều rộng mặt nước trước ngưỡng tràn lớn hơn nhiều so với chiều rộng tràn thì có thể bỏ qua lưu tốc tới gần.
b. Xác định tần suất lũ thiết kế và tần suất lũ kiểm tra.
Theo QCVN 04-05:2012 quy định tần suất lũ thiết kế phụ thuộc vào cấp công trình đầu mối, nhưng ở giai đoạn này ta chưa xác định được cấp công trình, do vậy
phải tính cho các cấp công trình khác nhau. Trong khi tính toán điều tiết hồ ta đã giả thiết công trình cấp I và cấp II để tính toán xác định MNDBT. Tương ứng với các cấp công trình như vậy tra theo QCVN 04-05:2012 ta có được tần suất lũ thiết kế và kiểm tra như sau:
Bảng 4.20: Các đặc trưng để tính toán điều tiết lũ.
Cấp công trình Cấp I Cấp II
Tần suất PTK= 0,5 PKT = 0,1 PTK = 1,0 PKT = 0,2
Qmaxp(m3/s) 3226,5 3552,8 3067,5 3418,6
Cao trình MNDBT (m) 99,62 99,47
c.Phương pháp điều tiết lũ và xác định MNLTK.
Nguyên lý cơ bản của các công thức tính toán điều tiết lũ cân bằng là cân bằng lượng nước đến và nước xã của kho nước. Xét trong thời đoạn Δt phương trình cân bằng nước có dạng:
1 2 2
1 2
1 ( )
2 ) 1 2(
1 Q +Q ∆t− q +q ∆t =V −V
(4-35) Trong đó:
Q1, Q2: lưu lượng chảy vào kho đầu và cuối thời đoạn Δt.
q1, q2 : lưu lượng xã ở đầu và cuối thời đoạn.
V1, V2: dung tích kho nước ở đầu và cuối thời đoạn Δt.
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được dùng trong tính toán điều tiết lũ bằng kho nước. Nhưng tất cả đều dựa trên phương trình cân bằng (4-40), tuỳ theo cách thức giải phương trình đó mà có các phương pháp khác nhau như: phương pháp thử dần, phương pháp đồ giải Potapop, phương pháp của Trịnh Học Mẫn.
Để đơn giản cho công tác tính toán ở đây ta sử dụng phương pháp của tác giả Trịnh Học Mẫn. Cụ thể phương pháp này như sau:
2 ) ( 1 ) 2 (
1
1 1 1
2
2 q t Q q t V q t
V + ∆ = − ∆ + + ∆
(4-36)
Các bước tính toán như sau:
+ Xây dựng biểu đồ phụ trợ:
Lựa chọn bước thời gian Δt, sau đó giả thiết nhiều giá trị mực nước trong kho để tính lưu lượng xã tương ứng theo công thức (4-39), từ đó tính ra biểu đồ phụ trợ :
2 ) (V 1q t f
q= + ∆
+ Sử dụng biểu đồ để tính toán điều tiết:
Sau khi đã xây dựng xong hai đường quan hệ trên ta tìm quan hệ (q ~ t) bằng phương pháp đồ giải như sau:
Ở mổi thời đoạn Δt, tính được
) 2(
1
2
1 Q
Q
Q= +
Từ q1 đã biết, tức là lưu lượng xã ở đầu thời đoạn. Ở đây ngay khi lũ tới mực nước hồ là MNDBT, cao trình ngưỡng tràn thấp hơn MNDBT, giả thiết tràn có các bề rộng khác nhau nhưng đặt cùng cao trình ngưỡng tràn là 95,80m. Đối với tràn có cửa điều gây bất lợi cho công trình là ngay khi lũ tới ta tiên hành mở hết cửa van để xã lũ, sau đó lượng xã qua tràn sẽ phụ thuộc vào lượng lũ đến, nên chính vì vậy ta mới có thể xem như đập không tràn và sử dụng công thức tính lưu lượng như đập không tràn
được. Có q1 ta tính được
t q V2+ 2∆
2 1
theo công thức(4-36)
Khi tính được
t q V2 + 2∆
2 1
dựa vào đường quan hệ phụ trợ đã xây dựng
2 ) (V 1q t f
q = + ∆
ta sẽ có được q2 tức là lưu lượng xã cuối thời đoạn.
Lấy q2 của thời đoạn trước làm q1 của thời đoạn tiếp theo và tính toán tương tự cho đến khi kết thúc.
Kết qủa tính toán cho hai phương án ứng với hai cấp công trình khác nhau, hai MNDBT khác nhau. Ứng với một MNDBT ta lại giả thiết hai B tràn khác nhau để tính.
Kết quả xem các bảng phụ lục tính toán điều tiết (3.5) đến (3.8).
Cách xác định MNLTK.
Đối với tràn có cửa : MNLTK = Cao trình ngưỡng tràn + Hmaxtràn (m)
Đặc điểm của tràn có cửa là cao trình ngưỡng tràn thấp hơn MNDBT để có thể xã trước được một lượng nước trong hồ khi lũ về. Bằng cách giả thiết các cao trình
ngưỡng khác nhau : ∇ngưỡng = ∇MNDBT – h, sơ bộ kiểm tra xem tràn có khả năng tháo được lưu lượng lũ thiết kế hay không. Qua quá trình đó ta đã xác định được cao trình đặt ngưỡng tràn là : 94,62m thấp hơn cao trình MNDBT 5m.
Sau khi tính tóan ta được kết quả xác định các mực nước dâng gia cường và cột nước H tràn như sau:
Bảng 4.21: Bảng tổng hợp kết quả tính điều tiết lũ thiết kế theo các phương án.
Tần suất thiết kế lũ P (%) 0,50% 1,00%
Bề rộng tràn giả thiết (m) 40 60 40 60
Cao trình MNDBT (m) 99,62 99,62 99,47 99,47
Lưu lượng xã max Qxã max (m3/s) 2327,76 2562,20 2216,60 2418,98
Cột nước qua tràn max H (m) 9,61 7,82 9,3 7,52
Cao trình MNLTK (m) 104,23 102,44 103,92 102,14 d. So sánh và lựa chọn bộ thông số: MNC, MNDBT, MNLTK.
Để lựa chọn bộ thông số của hồ chứa một cách hợp lý thì trước tiên ta phải xác định được cấp công trình để loại bỏ đi một trường hợp tính toán. Theo QCVN 04- 05:2012 thì cấp công trình xác định theo hai chỉ tiêu: theo năng lực phục vụ và theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thủy công trong cụm công trình đầu mối. Như vậy ta phải xác định sơ bộ được cao trình đỉnh đập không tràn và chiều cao đập lớn nhất như sau: