Giáo trình thủy nông - Chương 7 potx

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THUỶ LỢI ĐẦU MỐI CỦA HỆ THỐNG TƯỚI Tính toán thuỷ lợi cho công trình đầu mối của hệ thống tưới là phối hợp giữa khả năng cung cấp nước của nguồn nước với yêu cầu lấy

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THUỶ LỢI ĐẦU MỐI CỦA HỆ THỐNG TƯỚI

Tính toán thuỷ lợi cho công trình đầu mối của hệ thống tưới là phối hợp giữa khả năng cung cấp nước của nguồn nước với yêu cầu lấy nước vào đầu kênh để xác định qui mô công trình hoặc xác định diện tích có thể đảm bảo đủ nước tưới khi có sẵn công trình lấy nước

7-1: CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN DÙNG TRONG TÍNH TOÁN

7-1-1: Tài liệu lượng nước cần (Q c ∼t)

Tài liệu (Qc∼t) xác định theo thời đoạn tháng, được lấy theo lượng nước cần của cây trồng trong tháng đó

Trường hợp lợi dụng tổng hợp nhu cầu nước (phát điện, cấp nước sinh hoạt, đẩy măn ) thì lượng nước cần (Qc∼t) là tổng hợp các quá trình các nhu cầu nước trên

7-1-2: Tài liệu lượng nước đến (Q đ ∼t)

Lượng nước đến bao gồm: nước mưa, nước mặt từ sông suối, ứng với tần suất tính toán Tần suất tính toán được lấy theo nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống (ví dụ: đối với hệ thống tưới thì tần suất đảm bảo p= 75%, đối với cấp nước p= 95% )

Từ tài liệu lưu lượng của sông, ứng với tần suất thiết kế ta chọn được lưu lượng thiết kế Qtk=QP, từ lưu lượng thiết kế, ta chọn năm điển hình để phân phối dòng chảy năm thiết kế cho các tháng

trong năm qua hệ số phân phối k= Qp / Qđh

Qp,tháng= k Qđh,tháng

Vậy đường quá trình lưu lượng nước đến (Qđ∼t)= (Qp,tháng∼t)

7-1-3: Phân tích và đánh giá tài liệu

Căn cứ vào 2 tài liệu nêu trên ta vẽ đường quá trình (Qđ∼t) và (Qc∼t) trên cùng một hệ trục toạ độ Sẽ có 2 trường hợp xãy ra sau đây:

Trường hợp 2 Trường hợp 1

(Q C ∼t)

(Q d ∼t)

Q (m3/s)

Q

(m3/s)

(Q C ∼t)

(Q d ∼t)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Trường hợp 1: Ta thấy đường quá trình (Qđ∼t) bao phủ toàn bộ (Qc∼t) trong tất cả các tháng trong năm, do đó không cần công trình điều tiết tại đầu mối Tuỳ thuộc vào vị trí địa hình và nguồn nước mà phân ra các loại công trình lấy nước sau đây:

-Khi Hsông > Hy/c thì dùng cống lấy nước tự chảy không có đập dâng

-Khi Hsông ≤ Hy/c thì dùng đập dâng ngăn sông kết hợp cống lấy nước

-Khi H << H thì dùng trạm bơm (Trường hợp này được trình bày ở môn học Trạm bơm)

Trường hợp 2: Lưu lượng nước đến (Qđ∼t) của một số tháng đảm bảo được lưu lượng yêu cầu tuy nhiên có một số tháng không đủ theo lưu lượng yêu cầu, do đó cần có công trình điều tiết tại đầu mối bằng cách xây dựng hồ chứa để trử nước của các tháng thừa nước và cung cấp cho các tháng thiếu nước Tuỳ theo mức độ thiếu hụt của lượng nước yêu cầu mà có các loại công trình điều tiết khác nhau:

-Hồ điều tiết năm: Khi tổng lượng nước yêu cầu nhỏ hơn tổng lượng nước đến trong năm (năm thiết kế) Hồ điều tiết năm rất thường gặp ở các công trình thuỷ lợi lấy tưới làm chính

-Hồ điều tiết nhiều năm: Khi tổng lượng nước yêu cầu khu tưới lớn hơn tổng lượng nước đến trong năm Do đó cần điều tiết nhiều năm để đảm bảo đủ lượng nước yêu cầu của khu tưới Đối với công trình chỉ phục vụ tưới không nên làm hồ điều tiết nhiều năm, vì qui mô công trình lớn dẫn đến không hiệu quả kinh tế, loại hồ điều tiết nhiều năm chỉ dùng cho các công trình thuỷ điện Trong chương này ta không xét đến hồ điều tiết nhiều năm

7-2: TÍNH TOÁN PHỐI HỢP NGUỒN NƯỚC TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG CÓ CÔNG TRÌNH ĐIỀU TIẾT

Căn cứ vào tài liệu nước đến (Q đ∼t) và tài liệu nước cần (Q c∼t), kết hợp với các đường quan hệ giữa lưu lượng và mực nước của sông (Q s∼Hs ) , lưu lượng kênh và mực nước sông (Q k∼Hs ) Từ đó tính toán phối hợp cân bằng giữa lượng nước đến và lượng nước cần để xác định sơ bộ qui mô công trình cần phải thiết kế hoặc xác định diện tích mà công trình có khả năng đảm bảo tưới (Xác định sơ bộ kích thước công trình để từ đó xác định cấp công trình đầu mối)

7-2-1: Trường hợp lấy nước tự chảy không có đập

Điều kiện : Qsông > Qkênh và Hsông > Hkênh

a Khi Qk < (15%÷20%)Q s

Trong trương hợp này việc lấy nước vào kênh không ảnh hưởng đến dòng chảy trên sông

Q S

HS

∆Z

h k

Hdk

H K

Hệ thức quan hệ giữa mực nước sông và mực nước kênh như sau:Phương trình (1) và (2)

Z h H

H

Z g h b m

Q

k dk S

K C K

∆ + +

=

∆

Trong đó:

hk: chiều sâu nước trong kênh phía sau cống

bC: chiều rộng cống lấy nước

m: hệ số lưu lượng

Hđk: cao trình đáy kênh sau cống

HS: mực nước sông trước cống

∆Z: tổn thất cột nước qua cống

Để tính toán phối hợp ta dùng biểu đồ 4 góc như sau: Các tài liệu ban đầu gồm: (Qc∼t); (Qs∼t); (Qs∼Hs); vấn đề là phải xác định quan hệ: (QK∼Hs) và (QK∼t)

BIÓU §ơ PHỉI HîP NGUơN

N¦íC

Bước 1: Xây dựng quan hệ (QK ∼ HS)

I

II

(Q S ∼HS)

(Q K ∼HS)

Q K

H S

Q S

t

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

IV III

(Q K ∼t) (Q C ∼t)

(Q S ∼t)

Dựa vào hai phương trình đã nêu, Chọn bc tương ứng với lưu lượng QK cho trước và với mặt cắt kênh cho trước, ta xác định được hK, sau đó thay vào (1) xác định được ∆Z, thay ∆Z vào (2) xác định được HS Tóm lại ứng với 1 giá trị QK ta một giá trị HS từ đó xác định được quan hệ (QK∼HS) và đưa vào góc phần tư thứ II của biểu đồ

Bước 2: Phối hợp nguồn nước

Từ đường quan hệ (QS ∼ t) cứ một giá trị QS ta có một giá trị HS dựa vào (QS ∼ HS) và tương ứng với HS ta có QK dựa vào (QK ∼ HS) Từ đó suy ra (QK ∼ t) là đường lưu lượng có khả năng lấy vào kênh

So sánh (QC ∼ t) và (QK ∼ t)

*Nếu QK vừa đủ thoả mãn QC thì khẩu độ cống bc đã chọn là hợp lý

*Nếu QK quá lớn hoặc quá nhỏ so với QC thì khẩu độ cống bc đã chọn không hợp lý, cần chọn lại bc

*Nếu thay đổi bc nhiều lần mà (QK ∼ t) > (QC ∼ t) thì xử lý như sau:

-Thay đổi hình thức công trình đầu mối bằng cách làm đập dâng

-Thay đổi (QC ∼ t) bằng cách giảm diện tích tưới hoặc thay đổi cơ cấu cây trồng

-Tăng hệ số sử dụng nước của hệ thống bằng cách phòng thấm đường kênh

Đối với cống đã xây dựng rồi thì thông qua quá trình phân phối nước để kiểm tra lại diện tích tưới bằng cách thay (QC ∼ t) bằng (q ∼ t) khi đó diện tích tưới xác định như sau

q

Q K ht

tuoi

η

b.Khi lưu lượng lấy vào kênh vượt quá (15% ÷ 20%) so với lưu lượng sông:

Q S

b C

∇HTC

∇HK

∇Hdk

h k

∇HS

∆Z ∇HDC

V DC

Z n

Do lưu lượng lấy nước vào kênh quá lớn do đó làm hạ thấp mực nước sông, dẫn đến ảnh hưởng đến điều kiện lấy nước vào kênh Vì vậy khi phối hợp giữa nước đến và nước cần nên xét đến ảnh hưởng này

Hệ phương trình dùng để tính toán phối hợp nguồn nước:

) .(

) (

2 0 15 0

) (

2 1 2

3

) .(

) .(

2

2

e Q

Q

Q

d Q

Q

k

c g

V k

k Z

b Z

H

H

a H

H g h b m

Q

K DC

S

S

K

DC n

n DC TC

K TC k

c K

+

=

÷

=

=

−

=

−

=

−

=

Trong đó:

HTC: mực nước sông trước cửa cống

HDC: mực nước sông phía dưới cống lấy nước, sau khi đã lấy vào kênh

HK: mực nước đầu kênh, HK= Hđáy kênh+ hK

Zn: chênh lệch mực nước sông ỏ vị trí trước cống và sau cống

VDC: vận tốc trung bình trên sông phía dưới cống

Yêu cầu đặt ra là xác định được quan hệ (QK∼HS) để đưa vào góc thứ II của đồ thị 4 góc Muốn vậy ta phải thông qua các bước trung gian sau đây:

Bước 1:Xây dựng quan hệ (QS∼HTC)

Xác định quan hệ giữa 3 đại lượng HTC, QK, QS bằng cách với 1 cặp giá trị QK và QS ta tính được QDC theo công thức (e), từ quan hệ đã có của sông (QS∼HS) và (VS∼QS) ta tra được cặp giá trị

HDC và VDC

Xác định hệ số k theo công thức (d), khi đã có k và VDC ta xác định được Zn theo công thức (c) và tính được HTC theo công thức (b)

Tóm lại kết quả tính được làd quan hệ (QK∼QS∼HTC) như hình dưới đây:

Q S

H S

H TC

Q K

Q K1

(Q S ∼HS) (Q K ∼HS)

(Q K ∼HTC)

III

IV

lÍy b 0 lµm th«ng sỉ

IV

I

II

III

Q K1

Q K

H TC

H S

Q S

Q K2

Q S

Q K1

(Q K ∼HTC); lÍy Q K lµm th«ng sỉ

Q K2

(Q K ∼HTC); lÍy Q K lµm th«ng sỉ

Q K1

Q K3

H TC

Q S

Sử dụng đường quan hệ này để tìm quan hệ (QK∼HS) được thể hiện ở góc phần tư thứ I

Bước2:Xây dựng quan hệ (QK∼HTC)

Thông qua việc thiết kế mặt cắt dọc và mắt cắt ngang của kênh sẽ có quan hệ (QK∼hK), với 1 giá trị bc cố định và đã có QK, hK ta xác định được HTC theo công thức HHC= H®k+hk+∆Z Sau khi xác định qua hệ (QK∼HTC) ta đưa vào góc phấn tư thứ II

Bước3:Xây dựng quan hệ (QK∼HS)

Xem đồ thị 4 góc trên, xuất phát từ góc thứ II, với 1 giá trị QK suy ra được HTC, đo đường quan hệ trong góc thứ I và thứ IV ta có được HS Vậy ta có được quan hệ (QK∼HS) ở góc thứ III, đường quan hệ này sẽ được đưa vào góc phần tư thứ II để phối hợp giữa lượng nước đến và nước cần ở đầu kênh, cách phối hợp tương tự như đã nêu

7-2-2: Trường hợp lấy nước tự chảy có đập dâng kết hợp cống lấy nước

Điều kiện : Qsông ≥ Qkênh và Hsông < Hkênh

Lưu lượng phong phú, luôn thoả mãn lưu lượng cần lấy nhưng trong quá trình lấy nước có những lúc mực nước sông hạ thấp không thể lấy tự chảy vào trong kênh Vì thế cần xây dựng đập dâng để đảm bảo lấy nước tự chảy vào trong kênh trong mọi trường hợp, vấn đề đặt ra là phải xác định được chiều cao đập dâng Hđ là bao nhiêu để thoả mãn yêu cầu trên, khi tính toán ta xét 2 trường hợp sau:

a.Lưu lượng sông lớn hơn lưu lượng lấy vào kênh, Q S > Q K :

Mực nước sông được xác định theo công thức: HS® = Hđk+ hK+ ∆Z (1)

∆Z tổn thất cột nước qua công xác định theo công thức: Q K =m.b c.h k 2g.∆Z ( )2

Chiều cao đập dâng xác định theo công thức : Hđ= HS- ∆H- Hcđ (3)

∆H cột nước tràn qua đập xác định theo công thức: 2 3 ( )4

2

H g b m Q

Trong đó:

Hđ: chiều cao đập dâng

HS®: mực nước sông sau khi x©y dùng ®Ịp

Hcđ: cao trình chân đập

bđ: chiều rông đập dâng

A-A

Cống lấy nước

∇H c®

∆Z

H d

h K

Gỉa thiết chiều rộng đập dâng bđ, dùng biểu đồ 4 góc để tính toán phối hợp nguồn nước Tuy nhiên cần kiểm tra khả năng tháo lũ củng như tình hình ngập lụt phía thượng lưu

Gỉa thiết chiều rộng đập dâng b

b.Lưu lượng sông vừa đủ cung cấp lưu lượng lấy vào kênh, Q S = Q K :

b.Lưu lượng sông vừa đủ cung cấp lưu lượng lấy vào kênh, Q

đ, dùng biểu đồ 4 góc để tính toán phối hợp nguồn nước Tuy nhiên cần kiểm tra khả năng tháo lũ củng như tình hình ngập lụt phía thượng lưu

Mực nước sông được xác định theo công thức: HS® = Hđk+ hK+ ∆Z

Mực nước sông được xác định theo công thức: H

S = Q K :

S® = Hđk+ hK+ ∆Z

Z g h b m

Q K = c k 2 ∆

∆Z tổn thất cột nước qua công xác định theo công thức:

Chiều cao đập dâng xác định theo công thức : Hđ= HS® - Hcđ với (∆H=0) Việc tính toán phối hợp nguồn nước tương tự như trường hợp không có đập ngăn sông, tuy nhiên khi đập dâng xây dựng xong thì mực nước sông HS sẽ dâng cao lên HSđ vì thế ta phải thay quan hệ (QS∼HS) thành (QS∼HSđ) và (QK∼HS) thành (QK∼HSđ), với HSđ là mực nước sông sau khi xây dựng đập xong Sau đó đưa quan hệ (QS∼HSđ) vào góc phần tư thứ III và (QK∼HSđ) vào góc phần tư thứ II của đồ thị 4 góc để tiến hành phối hợp nước Cách xác định (Q S∼H Sđ ) và (Q K∼H Sđ ) tiến hành

như sau:

Bước 1: Xác định quan hệ (QS∼HSđ), chú ý: lúc này cống không tham gia lấy nước

( ) ( )b H H H H

a H

g b m

Q

cd d Sd KL

KL d

S

2

3

−

−

=

∆

∆

=

∆HKL: Chiều cao cột nước tràn qua đập khi cống không tham gia lấy nước

Với 1 giá trị bđ làm tham số cho trước, thì ứng với một giá trị QS ta xác định được ∆HKL dựa vào phương trình (a) và dựa vào phương trình (b) xác định được HSđ Tóm lại cứ mỗi giá trị QS có một giá trị HSđ ⇒ quan hệ (QS∼HSđ)

Bước 2: Xác định quan hệ (QK∼HSđ), chú ý: lúc này cống đang lấy nước

Để xác định đường quan hệ này ta phải xác định 2 đường quan hệ (QK∼HTC) và (Qtràn∼HTC)

*Xác định quan hệ (Q K∼H TC )

( ) ( )b Z h H

H

a Z g h b m

Q

K dk TC

K c K

2

∆ + +

=

∆

=

Trong đó:

HTC: mực nước trước cống

m: hệ số lưu lượng

Mỗi giá trị QK ta xác đinh được ∆Z dựa vào (a) và từ (b) xác định được HTC, từ đó ta vẽ đường quan hệ (QK∼HTC)

*Xác định quan hệ (Q tràn∼H TC )

( ) ( )b H H H H

a H g b m

Q

cd d TC DL

DL d

tran

2

3

−

−

=

∆

∆

=

∆HĐL: cột nước tràn qua đập khi cống đang lấy nước

Gỉa thiết chiều rộng đập dâng bđ cố định Mỗi giá trị Qtràn ta xác đinh được ∆HĐL dựa vào (a) và từ (b) xác định được HTC, từ đó ta vẽ đường quan hệ (Qtràn∼HTC)

*Xác định quan hệ (Q S ∼ Q K )

Ghép 2 đường quan hệ (Q K∼H TC ) và (Q tràn∼H TC ) với nhau, cứ mỗi giá trị HTC ta có một cặp giá trị Qtràn và QK Lưu lượng sông QS= Qtràn+ QK

Vậy cứ mỗi giá trị QK ta xác định được một giá trị QS, từ đó vẽ quan hệ (QS∼QK)

(Q S ∼QK)

Q S

Q K

Q S

(Q tran ∼HTC)

(Q K ∼HTC)

H TC

Khi có QS dựa vào quan hệ (QS∼HSđ) và (QS∼QK) ta xác định được quan hệ (QK∼HSđ) như sau

(Q K ∼HSđ)

(Q S ∼H Sđ ) (Q S ∼Q K )

H Sđ

H Sđ

Q K

Q S

7-3: TÍNH TOÁN PHỐI HỢP NGUỒN NƯỚC TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ CÔNG TRÌNH ĐIỀU TIẾT (Điều tiết năm)

Nội dung chính của việc tính toán phối hợp nguồn nước trong trường hợp này là tính toán điều tiết giữa lượng nước đến và lượng nước cần trong năm cho phù hợp (trữ lượng nước đến trong mùa mưa để cung cấp nước cho mùa khô) Hay còn gọi là điều tiết hồ

7-3-1 Tài liệu cơ bản dùng trong tính toán:

Để tính toán điều tiết hồ ta cần có các tài liệu cơ bản sau đây:

-Tài liệu lượng nước đến và lượng nước cần

-Đường đặc trưng lòng hồ, bao gồm 2 đường quan hệ sau:

*Đường quan hệ giữa dung tích hồ và cao trình tương ứng (V∼Z)

*Đường quan hệ giữa diện tích mặt thoáng và cao trình tương ứng (F∼Z)

-Tài liệu bốc hơi mặt thoáng

-Tài liệu về ngấm bao gồm: ngấm qua thâm , vai đập và ngấm qua đáy công trình

7-3-2 Tính toán qui mô hồ chứa:

Z (m)

F (106 km2)

V (106 m3)

§Ịp

DiÖn tÝch lưu vùc hơ

§ưíng ®Ưc tÝnh lßng hơ

(F∼Z)

(Z∼V)

Qui mô của hồ chứa hay còn gọi là cấp công trình đầu mối phụ thuộc vào cột nước trước đập và

tình hình địa chất nền (tra theo qui phạm TCXDVN 285.2002)

Cột nước trước đập ở đây là cột nước tương ứng với dung tích hửu ích của hồ chứa, tức là cột nước ứng với mực nước dâng bình thường của hồ chứa (MNDBT)

Để xác định MNDBT ta tiến hành điều tiết hồ như sau:

a.Xác định mực nước chết (MNC):

Mực nước chết được xác định theo 2 công thức sau

*Xác định theo yêu cầu tưới tự chảy tại đầu kênh chính:

MNC1≥ MNĐK + ∆h

∇MNC

∇MNDGC

∇MNDBT

§Ịp

*Xác định theo yêu cầu bồi lắng bùn cát:

MNC2≥ Zbc + h

MNC= max (MNC1 , MNC2)

Trong đó:

MNĐK: cao trình mực nước đầu kênh chính cần khống chế để đảm bảo tưới tự chảy

∆h : tổn thất cột nước qua cống lấy nước dưới đập

Zbc : cao trình bồi lắng bùn cát tương ứng với tuổi thọ của công trình đầu mối

h : cột nước trước cống nhỏ nhất để đảm bảo tháo được lưu lượng tưới thiết kế

Dung tích ứng với MNC gọi là dung tích chết Vchết , đây là dung tích tối thiểu của hồ chứa, do đó khi tính toán điều tiết hồ ta phải bắt đầu tính điều tiết từ dung tích chết trỡ đi

b Lập bảng tính toán điều tiết hồ: Phần này đã được giới thiệu ở môn học thuỷ văn

Môc ®Ých x¸c ®Þnh cao tr×nh mùc nưíc d©ng b×nh thưíng (MNDBT) ; dung tÝch hơ Vhơ; dung tÝch höu Ých Vhc