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

Yêu cầu về nước cho phát điện được đánh giá bởi công suất theo thời gian động thái, tổng điện năng lượng, mức đảm bảo của công suất được cấp.. Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy S

Chương 5: Điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Thuỷ Văn Công Trình

Chương 5: Điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Nội dung chương 5

Hồ chứa và điều tiết dòng chảy

I Hồ chứa và điều tiết dòng chảy

1 Các yêu cầu về nước và phân loại

2 Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy

3 Phân loại điều tiết dòng chảy

4 Hồ chứa và công trình đầu mối

Đặc trưng địa hình hồ chứa và các thông số chính

5 Đặc trưng địa hình hồ chứa và các thông số chính

của công trình

1 Các yêu cầu về nước và phân loại

Các yêu cầu về nước: các hoạt động dân sinh của con người có những đòi hỏi khác nhau về nước.

Các yêu cầu về nước được đánh giá bởi các đặc trưng: lượng, chất lượng, động thái và mức đảm bảo Ví dụ:

Các yêu cầu về tưới được đánh giá bởi lượng nước được cấp, chất lượng của nước mà nó nhận được, chế độ tưới

và mức đảm bảo cấp.

Yêu cầu về nước cho phát điện được đánh giá bởi công suất theo thời gian (động thái), tổng điện năng (lượng), mức đảm bảo của công suất được cấp.

Những đối tượng có yêu cầu về nước gọi chung là các

hộ có yêu cầu về nước

Phân loại:

Các hộ tiêu hao nước: là các hộ trong quá trình dùng nước làm tiêu hao một lượng nước đáng kể mà nó được cung cấp Ví dụ: khu tưới, công nghiệp, sinh hoạt

Các hộ sử dụng nước: là các hộ trong quá trình dùng nước không làm tiêu hao hoặc tiêu hao không đáng kể lượng nước được cấp

1 Các yêu cầu về nước và phân loại

làm tiêu hao hoặc tiêu hao không đáng kể lượng nước được cấp

Ví dụ: thuỷ điện, giao thông thuỷ, thuỷ sản

Các hộ có yêu cầu bảo vệ khỏi mối đe doạ của nước

Không có yêu cầu cấp nước nhưng lại có yêu cầu được bảo vệ khỏi bị tai hoạ do nước gây ra Ví dụ: những vùng co nguy cơ bị ô nhiễm môi trường do nước bị nhiễm bẩn; phòng chống lũ, tiêu úng

2 Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy

Sự cần thiết điều tiết dòng chảy

Các nguồn nước trong tự nhiên có đặc điểm:

Nhu cầu về nước của con người cũng biến đổi theo không gian

Nhiệm vụ điều tiết dòng chảy

Nâng cao lưu lượng mùa cạn: cấp nước, phát điện, giao thông thuỷ

Giảm bớt lưu lượng của mùa lũ: Phòng lũ cho hạ du

Phân phối lại dòng chảy cho phù hợp với nhu cầu

2 Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy

Phân phối lại dòng chảy cho phù hợp với nhu cầu

Các biện pháp điều tiết dòng chảy:

Trong đó, hồ chứa là biện pháp công trình có khả năng làm

2 Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy

Trong đó, hồ chứa là biện pháp công trình có khả năng làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy sông ngòi theo thời gian

và không gian Ngoài ra, hồ chứa còn làm thay đổi thế

năng và động năng ở những vị trí cục bộ Điều này được ứng dụng để xây dựng các nhà máy thủy điện.

Biện pháp phi công trình:

Biện pháp nông nghiệp: bờ vùng bờ thửa, ruộng bậc thang

Biện pháp lâm nghiệp: trồng rừng

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

3 Phân loại điều tiết dòng chảy

Điều tiết nhiều năm

Điều tiết tuần

Điều tiết ngày đêm

Các bài toán điều tiết đặc biệt:

Điều tiết lũ

Điều tiết bổ sung

Điều tiết bậc thang

Hồ chứa là công trình trữ nước nhân tạo được xây dựng trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang

sông.

Chức năng chính của hồ chứa là làm ổn định dòng chảy bằng cách điều tiết khả năng cấp nước của dòng chảy tự nhiên hoặc thỏa mãn các yêu cầu về nước khác nhau của các hộ dùng nước

Các công trình đầu mối:

4 Hồ chứa và công trình đầu mối

Các công trình đầu mối:

Đập chắn

Công trình lấy nước: cống lấy nước

Công trình tháo lũ: đập tràn tự do, cống ngầm, xi phông hoặc kết hợp Các công trình tháo lũ có hai hình thức: có cửa đóng mở hoặc không có cửa đóng mở

5 Đặc trưng địa hình hồ chứa và các thông số chính của công trình

a Đặc trưng địa hình hồ chứa: các thành phần dung tích và

mực nước đặc trưng của hồ chứa:

Dung tích chết và mực nước chết

Dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường

Dung tích siêu cao và mực nước siêu cao

Dung tích kết hợp và mực nước trước lũ

b Thông số chính của công trình

Vkh Vpl

Hbt Hsc

a Các thành phần dung tích và mực

nước đặc trưng của hồ chứa

Sơ họa mặt cắt hồ chứa

Vc

Vh Vkh

Hc Htl

Hhl H

Dung tích chết và mực nước chết

Dung tích chết (Vc): là phần dung tích dưới cùng của hồ chứa không tham gia vào quá trình điều tiết dòng chảy, còn gọi là dung tích lót đáy

Mực nước chết (Hc): là giới hạn trên của dung tích chết Vc

Hc và Vc có quan hệ với nhau theo quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V

Nguyên tắc lựa chọn:

Chứa đựng toàn bộ bùn cát đến hồ chứa trong thời gian hoạt động của công trình Vc

≥Vbl

Bảo đảm đầu nước tưới tự chảy Hc ≥ Zcống=Zruộng + ∆Z + a

Bảo đảm cột nước tối thiểu để phát điện

Bảo đảm mực nước tối thiểu để giao thông trong mùa kiệt

Bảo đảm dung tích tối thiểu để nuôi trồng thuỷ sản

Bảo đảm dung tích tối thiểu để du lịch và vệ sinh môi trường

Dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường

Dung tích hiệu dụng (Vh) là phần dung tích nằm phía trên dung tích chết Vc, làm nhiệm vụ điều tiết cấp nước cho các đối tượng dùng nước Còn gọi là dung tích hữu ích

Mực nước dâng bình thường (Hbt) là giới hạn trên của dung tích hiệu dụng

Dung tích khống chế phần dung tích chết và dung tích hiệu dụng là:

Vbt = Vc + Vh

HHbtbt là Vlà Vbtbt có quan hệ theo đường cong Z~Vcó quan h theo ng cong Z~V

Nguyên tắc lựa chọn:

Căn cứ vào đường quá trình nước đến thiết kế

Căn cứ vào đường quá trình nước dùng thiết kế

Tính toán điều tiết cấp nước xác định các đặc trưng hồ chứa

Căn cứ vào điều kiện địa hình địa chất của vùng hồ chứa

Lựa chọn các đặc trưng thiết kế của hồ chứa theo các điều kiện kinh tế và

kỹ thuật

Dung tích siêu cao và mực nước siêu cao

Dung tích siêu cao (Vsc) là bộ phận dung tích trên cùng của

hồ chứa, làm nhiệm vụ trữ lũ tạm thời trong thời gian lũ đến công trình với mục đích giảm khả năng tháo lũ về hạ lưu, giảm kích thước công trình xả lũ Còn gọi là dung tích gia cường.

Mực nước siêu cao (Hsc) là giới hạn trên của dung tích siêu cao.

Gọi V là dung tích toàn bộ hồ chứa: V = V + V + V

Gọi VT là dung tích toàn bộ hồ chứa: VT = Vc + Vh + Vsc

Hsc và VT có quan hệ theo đường cong Z ~ V.

Nguyên tắc lựa chọn:

Căn cứ vào đường quá trình lũ thiết kế đến hồ

Căn cứ vào yêu cầu phòng lũ ở hạ du

Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất, dân sinh kinh tế vùng xây dựng hồ chứa (đảm bảo điều kiện ngập cho

phép)

Giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật

Dung tích kết hợp và mực nước trước lũ

Dung tích kết hợp (Vkh) là dung tích vừa làm nhiệm vụ cấp nước vừa làm

nhiệm vụ phòng lũ

Ở một số hồ chứa, vào đầu mùa lũ người ta tận dụng một phần củaVh đểtrữ lũ, gọi làVkh Khi đó, dung tích làm nhiệm vụ phòng lũ của hồ chứa là:

Vpl = Vkh + Vsc

Vkh sẽ được lấp đầy vào cuối mùa lũ để lấy nước cấp cho thời kỳ mùa kiệt

Mực nước trước lũ (Ztl) là mực nước giới hạn dưới của dung tích kết hợp

Mực nước trước lũ (Ztl) là mực nước giới hạn dưới của dung tích kết hợp

GọiVtl là dung tích trước lũ: Vtl = Vc + Vh –Vkh

Ztl vàVtl có quan hệ theo đường cong Z~V

Nguyên tắc lựa chọn:

Đủ dung tích điều tiết lũ theo nhiệm vụ chống lũ cho công trình

Giảm thiệt hại cho thượng lưu do bị ngập lụt

Đảm bảo an toàn về mặt tích nước vào hồ

b Thông số chính của công trình

Các công trình lấy nước và tháo lũ cần được mô tả đầy đủ về hình thức kết cấu, cao trình ngưỡng, kích thước và chế độ làm việc của nó.Ví dụ:

II Phương pháp tính bồi lắng hồ chứa

Phân loại bùn cát trong sông:

Bùn cát lơ lửng: là loại bùn cát ở trạng thái lơ lửng và

bị dòng nước cuốn theo

Bùn cát di đáy: là loại bùn cát chuyển động theo các phương thức trượt, lăn hoặc nhảy cóc trên mặt đất ở đáy sông.

Lưu lượng bùn cát lơ lửng trung bình nhiều năm Ro (kg/s)

Lưu lượng bùn cát lơ lửng (suất chuyển cát đơn vị) là trọng lượng bùn cát lơ lửng chuyển qua một mặt cắt nào đó trong thời gian một giây.

Khi chuỗi tài liệu đo đạc về bùn cát đủ dài thì Ro có thể xác định như trị số trung bình của toàn chuỗi các trị số lưu lượng bùn cát lơ lửng đo được hàng năm Ri

Khi chuỗi thực đo ngắn cần xây dựng quan hệ giữa lưu lượng bùn cát lơ lửng hàng năm và lưu lượng trung bình hàng năm để bổ sung và kéo dài tài liệu bùn cát, sau đó xác định Ro như trường hợp có tài liệu, hoặc có thể dùng công thức đơn giản sau:

1 Tính toán lượng bùn cát

Q

đơn giản sau:

Trong đó: Qo: Chuẩn dòng chảy năm (m3/s); Q, R: trị số trung bình của lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát trong thời kỳ đo đạc tương ứng.

Trong trường hợp không có tài liệu đo đạc bùn cát người ta thường sử dụng tài liệu của lưu vực tương tự và bản đồ phân vùng độ đục Độ đục là trọng lượng bùn cát được chứa trong một đơn vị thể tích nước, ký hiệu là ρ, đơn vị g/m3

Lưu lượng bùn cát di đẩy trung bình nhiều năm

(kg/s)

Tài liệu đo đạc về bùn cát di đẩy thường không có, vì vậy lưu lượng bùn cát di đẩy thường được tính theo một tỷ lệ nào đó so với bùn cát lơ lửng:

R = β.R

1 Tính toán lượng bùn cát

Rođ = β.Ro

Đối với sông đồng bằng, β = 1 – 10%, trung bình lấy 4%

Đối với sông miền núi, β = 10 – 80%

Khi xác định tỷ lệ cụ thể cho trường hợp thiết kế cần tham khảo kết quả thực đo của một số trạm có tài liệu trong khu vực.

Phương pháp giản hoá tính bồi lắng hồ chứa:

2 Tính bồi lắng kho nước

Kbl: hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng, với sông đồng bằng trung bình Kbl = 0.6 – 0.7

γ: dung trọng riêng bùn cát (tấn/m3), những năm đầu sau khi hồ chứa đi vào hoạt động bùn cát chưa chặt, γ = 0.5 − 0.7 tấn/m3; những năm tiếp theo γ

III Các loại tổn thất hồ chứa và phương pháp xác định

Do lượng bốc hơi mặt nước lớn hơn lượng bốc hơi mặt đất, mặt lưu vực nên khi xây dựng kho nước cần phải tính thêm lượng bốc hơi phụ sinh ra do diện tích mặt

nước tăng lên, ký hiệu là ∆Z

Trước khi xây hồ đã xác định được dòng chảy đến tuyến xây hồ là y1.Ta biểu thị pt CBN dạng: y1 = X –Z1 ; với X

là lượng mưa bq lưu vực ;Z1 là bốc hơi bq trên lưu vực

(gọi là b/h lưu vực).

1 Tổn thất do bốc hơi phụ thêm

(gọi là b/h lưu vực).

Sau khi xây hồ, dòng chảy đến hồ là y2 biểu thị bằng pt

y2= X- Z2 .Nếu giả sử sau khi xây hồ toàn bộ diện tích LV

bị ngập nước thì lượng bốc hơi Z2 là bốc hơi mặt nước

Do Z2 > Z1, nên y2 < y1 ,tức là dòng chảy sẽ bị giảm đi

một lượng là y1 – y2 = X- Z1- X +Z2 = Z2- Z1 =∆Z Nói

cách khác, sau khi xây hồ lượng bốc hơi trên hồ tăng lên một lượng là ∆Z = Zn- Zlv nên dòng chảy bị tổn thất một lượng tương ứng

Vì vậy, lớp bốc hơi phụ thêm (mm): ∆Z = Zn-Zlv

Cách xác định ∆Z

Tính Zlv: Vì bốc hơi lưu vực rất khó xđ chính xác ,do nó bao gồm nhiều thành phần,trong đó có những thành phần không thể lượng hoá được( B/h qua thảm phủ.qua ao hồ đầm lầy…) cho nên khi thiết kế thường lấy lượng bốc hơi trung bình nhiều năm suy từ pt CBN : Zlv= Z0= X0- Y0với X là lượng mưa bình quân lưu vực trung bình nhiều

Xác định phân phối bốc hơi phụ thêm

Lựa chọn tần suất để tính toán bốc hơi PZ

Trường hợp 1: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là chặt chẽ thì lựa chọn Pz=1-Py

Trường hợp 2: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là

Tính phân phối bốc hơi mặt nước ứng với tần suất thiết

kế (Zn~t)p theo phương pháp năm điển hình.

Tính ∆Zp : ∆Zp= Znp-Zlv

Mượn hệ số phân phối b/h mặt nước thiết kế (kn~t) để tính phân phối ∆Z

(∆Z~t) =(kn~t)∆Zp , với kni= Zni/Znp

cột nước trong hồ tại thời điểm tính toán

Trong tính toán điều tiết, Wth thường lấy bằng tỉ lệ phần trăm dung tích trữ trong hồ tại thời điểm tính toán

Wth (t) = K% V(t)

K = 1 ÷ 3%

Tiêu chuẩn thấm trong hồ chứa

Điều kiện

địa chất

lòng hồ

Lượng thấm tính theo lượng nước bình quân (%)

Lớp thấm tính theo diện tích bình quân (m)

0.5-1 1-1.5 1.5-3

<0.5 0.5-1 1-2

0.001-0.002 0.002-0.003 0.003-0.004

Nguồn: Giáo trình TVCT, bảng 8-2, trang 337

IV Nguyên lý điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Tính toán điều tiết dòng chảy thực chất là giải bài toán động học (cân bằng lượng, động lượng và năng lượng), tìm ra quan hệ giữa các biến vào Qv(t), biến ra qr(t) và biến trạng thái của hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa

1 Biến vào, ra và biến trạng thái

1 Biến vào, ra và biến trạng thái

2 Phương trình cân bằng nước

3 Phương trình động lực

4 Công thức tính tổn thất

Các biến vào (hàm vào): Là các quá trình lưu lượng

chảy vào hồ chứa ở các cửa vào

Qv(t) = {Q1(t), Q2(t),…,Qj(t),…,Qn(t)} (1)

Trong đó: Q(t): tập hợp các hàm vào của kho nước

Biến ra: Là các quá trình lưu lượng ra khỏi kho nước

qr(t) = {qb(t), qt(t), q1(t),…qi(t),…,qm(t)} (2)

Trong đó q (t) là tập hợp các hàm ra của kho nước

1 Biến vào, biến ra và biến trạng thái

Trong đó qr(t) là tập hợp các hàm ra của kho nước

qb(t) là lưu lượng tính đổi từ tổn thất bốc hơi

qt(t) là lưu lượng tổn thất qua công trình do thấm và rò rỉ tại thời điểm t

q1(t)…qm(t) là lưu lượng chảy ra từ hồ chứa qua các cửa lấy nước và công trình xả lũ.

Biến trạng thái đặc trưng cho sự thay đổi trạng thái của kho nước biểu thị bằng quá trình thay đổi mực nước hoặc dung tích theo thời gian

2 Phương trình cân bằng nước

Phương trình: [Qv(t) – qr(t)]dt = dV(t)

Trong đó:

Qv(t): Lưu lượng chảy vào hồ chứa trong khoảng thời gian tính toán dt

qr(t): Lưu lượng ra khỏi hồ chứa trong khoảng thời gian dt, bao gồm lượng cấp nước, lượng nước xả và lượng tổn thất…

dV(t): Chênh lệch dung tích hồ trong khoảng thời gian dt

dV(t): Chênh lệch dung tích hồ trong khoảng thời gian dt

3 Phương trình động lực

Các quá trình chảy vào hoặc ra của hồ chứa tuân thủ quy luật động học của quá trình chuyển động của nước và được mô tả bằng các phương trình động lực Cửa vào/ cửa ra có thể là

một đoạn kênh, một công trình đập tràn, cống ngầm hoặc lòng sông tự nhiên, tương ứng với nó sẽ có các phương trình động lực mô tả quá trình chuyển động nước qua các cửa vào hoặc cửa ra

Phương trình: q(t) = f [C,Z(t),Zh(t)]

Trong đó

C: Đặc trưng cho các thông số công tác của các cửa ra

Z(t) Quá trình mực nước trong kho nước

Zh(t): Quá trình mực nước ở hạ lưu tuyến ra

4 Công thức tính tổn thất

Tổn thất do bốc hơi

qb(t) = K.F(t).∆Z(t) (7) Trong đó

K là hệ số đổi đơn vị

F(t) là diện tích mặt hồ tại thời điểm t

∆Z(t) là lớp bốc hơi phụ thêm trên mặt hồ trong một đơn vị thời gian

Tổn thất do thấm qt(t) phụ thuộc vào mực nước trong

hồ Z(t) và điều kiện địa chất công trình và lòng hồ

qt(t) = ft(Z(t), Dc) (8) Trong đó

Dc là tham số hình thức đặc trưng cho điều kiện địa chất của công trình.

V Mức đảm bảo thiết kế - Tần suất thiết kế các công trình thuỷ lợi

Khi thiết kế các công trình thuỷ lợi người ta phải xét mức độ

đảm bảo về an toàn công trình và an toàn đối với chế độ cung cấp sản phẩm,

Mức độ đảm bảo về an toàn công trình được xác định trong trường hợp xảy ra các hiện tượng khí tượng thuỷ văn đặc biệt lớn gây phá hoại công trình như lũ lụt…

Mức đảm bảo về cung cấp sản phẩm đươc đánh giá trong điều kiện

Mức đảm bảo về cung cấp sản phẩm đươc đánh giá trong điều kiện xảy ra những hiện tượng thuỷ văn gây ra sư phá hoại chế độ cung cấp sản phẩm (cấp nước, phát điện…)

Mức đảm bảo trên của công trình thuỷ lợi được đánh giá bằng khái niệm tần suất theo 3 cách

Tần suất đảm bảo theo năm

Tần suất đảm bảo theo thời gian

Tần suát bảo đảm theo lượng sản phẩm

Tần suất đảm bảo theo năm: là tỷ số giữa số năm mà chế độ cung cấp sảnphẩm của công trình không bị phá hoại (m) với tổng số năm vận hành côngtrình (n), không xét tới thời gian bị phá hoại trong từng năm là bao nhiêu:

Tần suất bảo đảm theo thời gian: là tỷ số giữa thời gian (số ngày hoặc số

tháng) mà chế độ cung cấp sản phẩm của công trình không bị phá hoại (Tbd)

so với toàn bộ thời gian vận hành công trình (T)

V Mức đảm bảo thiết kế - Tần suất thiết kế các công trình thuỷ lợi

100%

1

m P

n

= +

so với toàn bộ thời gian vận hành công trình (T)

Tần suất bảo đảm theo lượng sản phẩm: là tỷ số giữa lượng sản phẩm màcông trình đã cung cấp (tổng lượng nước hoặc tổng lượng điện…) Wcc so vớitổng lượng sản phẩm yêu cầu trong toàn bộ thời gian vận hành công trình(Wyc)

100%

Tbd P

P =

VI Các tài liệu cơ bản dùng trong tính toán hồ chứa

1 Tài liệu khí tượng, thuỷ văn

2 Tài liệu dân sinh kinh tế

3 Tài liệu địa hình kho nước

1 Tài liệu khí tượng thuỷ văn

Mục đích: Cần thiết cho phân tích đặc điểm của lưu vực để định hướng khai thác và sử dụng trong tính toán điều tiết dòng chảy

Tài liệu Khí tượng:

Chế độ khí hậu của lưu vực: Lượng và quá trình thay đổi theo không gian và thời gian của mưa, bốc hơi, nhiệt độ, độ ẩm, gió, độ bức xạ, số giờ nắng …

Các đặc trưng bốc hơi thiết kế

Các đặc trưng bốc hơi thiết kế

Tài liệuThủy văn: đặc biệt là các đặc trưng thủy văn thiết kế

Tình hình địa lý thủy văn của lưu vực

Tài liệu dòng chảy năm và sự thay đổi dòng chảy trong năm, trong nhiều năm

(lượng và phân phối dòng chảy năm thiết kế)

Tài liệu dòng chảy lũ (đỉnh lũ, lượng lũ và quá trình lũ thiết kế)

Tài liệu dòng chảy kiệt (dòng chảy kiệt thiết kế)

Tài liệu dòng chảy bùn cát…

2 Tài liệu dân sinh kinh tế

Mục đích: Sử dụng trong khi phân tích các yêu cầu về cấp nước, bảo vệ môi trường, phòng chống ngập lụt cho vùng thượng hạ lưu công trình và cũng là cơ sở cho phân tích kinh tế khi thiết kế

hồ chứa

Tài liệu yêu cầu về nước:

Yêu cầu dùng nước: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt …

Yêu cầu sử dụng nước: phát điện, giao thông, nuôi trồng thủy sản, du lịch, bảo vệ môi trường …

Yêu cầu phòng lũ

Các tài liệu dân sinh kinh tế khác:

Dân cư và phân bố dân cư ở hạ lưu và thượng lưu hồ

Các tài nguyên thiên nhiên: rừng, khoáng sản, các tài nguyên khác nằm trong vùng ảnh hưởng của hồ

Các hoạt động kinh tế vùng bị ảnh hưởng

Các vấn đề chính trị, xã hội và dân tộc

Ghi chú: Mức độ chi tiết của các loại tài liệu này tùy thuộc và tính chất và quy mô của của hệ thống công trình