Bài giảng thuỷ văn công trình

Phân loại:Các hộ dùng nước: những hộ có yêu cầu cấp nước 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.. Khái niệm và

Chương 5: Điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Thuỷ Văn Công Trình

Chương 5: Điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

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 dùng nước: những hộ có yêu cầu cấp nước

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:

phân bố không đều theo không gian

phân bố không đều theo thời gian

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

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 Đ c trưng đ a hình h ch a và các thông s chính c a công trình

Dung tích hi u d ng và m c nư c dâng bình thư ng

Dung tích siêu cao và m c nư c 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 k t h p và m c nư c trư c lũ

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:

Chiều rộng tràn m 56

d Cống lấy nước

Hình thức cống Cống tròn Khẩu diện cống m D = 0,8

Độ dốc đáy cống 0,002 Cao độ đáy cửa vào m +33 Chiều dài cống m 56,25 Lưu lượng thiết kế m3/s 0,72

II Phương pháp tính b i l ng h ch a

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 lư ng 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 lư ng 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.

III Các lo i t n th t h ch a và phương pháp xác đ nh

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 T n th t do b c hơi ph 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

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

Tiêu chu n th m trong h ch a

Đi u ki n

đ a ch t

lòng h

Lư ng th m tính theo lư ng nư c bình quân (%)

L p th m tính theo di n 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

0 ồ 7 # + ả AC@+ >><

IV Nguyên lý đi u ti t dòng chFy bGng h ch a

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 Bi n vào, bi n ra và bi n tr ng 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 bGng nư c

9 ươ IJ & ' 8 ) & 'K 2 #& '

đ,

4 Công th c tính t n th t

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 M c đFm bFo thi t k 3 T n su t thi t k các công trình thuH l i

= +

P =

VI Các tài li u cơ bFn dùng trong tính toán h ch a

1 Tài li u khí tư ng thuH văn

2 Tài li u dân sinh kinh t

3 Tài li u đ a hình, đ a ch t h ch a

Mục đích: sử dụng trong tính toán điều tiết để xác định các thành phần dung tích và các mực nước đặc trưng của hồ chứa và tổn thất do thấmTài liệu địa hình:

Các quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V, Z~F

Quan hệ Z~F được xây dựng từ bản đồ địa hình vùng lòng hồ

Quan hệ Z~V được xây dựng dựa theo quan hệ Z~F với cách tính gần đúng như sau:

Tài liệu địa chất:

Tình hình đất đai thổ nhưỡng vùng xây dựng lòng hồ

$ ặ

0 500

1000 1500

2000 2500

VII Tính toán đi u ti t c p nư c

1 Khái niệm

2 Tính toán hồ chứa điều tiết năm

3 Tính toán hồ chứa điều tiết nhiều năm

Chú ý: Giới hạn Hồ chứa nước độc lập làm nhiệm

vụ cấp nước, bài toán thiết kế (xác định các thông số

cơ bản của hồ chứa) với yêu cầu cấp nước cố định (không thay đổi từ năm này qua năm khác).

1 Khái ni m cơ bFn

Hồ chứa điều tiết cấp nước là hồ chứa chỉ có nhiệm vụ cấp nước cho các ngành kinh tế quốc dân

Hai hình thức hồ chứa cấp nước dài hạn thường gặp:

Hồ chứa điều tiết năm (mùa): ồ ứ , ệ ụ

ượ ướ ừ ủ ờ ỳ ừ ướ để ấ ổ

Dấu hiệu nhận biết hình thức điều tiết: Mức độ điều tiết của kho nước do sự thay đổi của dòng chảy hàng năm

và yêu cầu cấp nước quyết định Khi yêu cầu cấp nước (kể cả tổn thất) có mâu thuẫn với quá trình nước đến và nếu:

W ≤ W hoặc q ≤ Q tiến hành điều tiết năm

1 Khái ni m cơ bFn

Wq ≤ WP hoặc q ≤ QP tiến hành điều tiết năm

Khi q < Qp: Điều tiết năm không hoàn toàn

q càng gần Qp điều tiết càng sâu và q = Qp là điều tiết năm hoàn toàn

Ngược lại, nếu WP < Wq ≤ W0 hoặc QP < q ≤ Q0 tiến hành điều tiết nhiều năm

Khi q càng gần Qo điều tiết càng sâu và q = Qo là điều tiết nhiều năm hoàn toàn (trường hợp giới hạn, toàn bộ lượng nước của sông thiên nhiên được

sử dụng triệt để lợi dụng, quá trình dao động dòng chảy hàng năm được phân phối lại đều hoàn toàn thành một đường thẳng nằm nhang ứng với trị

số Qo).

1 Khái ni m

Tính toán điều tiết kho nước là nhằm xác định mối

quan hệ giữa 3 đại lượng Vh, q và P hoặc (βh, α và P)

3 bài toán cơ bản:

Bài toán thiết kế: tìm dung tích hiệu dụng của kho nước

Tần suất đảm bảo cấp nước P

Biết quá trình nước đến thiết kế (Q~t)p

Biết quá trình nước dùng thiết kế (q~t)p

Tìm dung tích hiệu dụng của hồ chứa Vh?

Bài toán tìm khả năng cung cấp nước của kho nước

Tần suất đảm bảo cấp nước P

Biết quá trình nước đến (Q~t)P

Biết dung tích hiệu dụng của hồ chứa Vh

Tìm quá trình nước dùng (q~t)

Bài toán tìm mức độ đảm bảo cấp nước của hồ chứa

Biết quá trình nước đến (Q~t)

Biết dung tích hiệu dụng của hồ chứa Vh

Biết quá trình nước dùng q~t

Tìm tần suất đảm bảo cấp nước

1 Khái ni m

Phương pháp tính toán điều tiết cấp nước: Phụ thuộc vào việc đánh giá dòng chảy đến trong tương lai

Phương pháp trình tự thời gian:

Coi dòng chảy đến trong tương lai lặp lại hoàn toàn như trong quá khứ (cả về

lượng và thứ tự sắp xếp)

Phương pháp lập bảng

Phương pháp đồ giải

Phương pháp thống kê:

Coi luật phân bố xác suất của dòng chảy trong tương lai giống như trong quá khứ: Phương pháp này giả thiết rằng dòng chảy trong tương lai là một ĐLNN cùng nằm trong một tổng thể với dòng chảy trong quá khứ Điều đó có nghĩa là các đặc

trưng thống kê của tổng thể Qo, Cv, Cs có thể tính từ tài liệu quan trắc trong quá khứ

Theo cách xác định này không thể biết được một trị số lưu lượng sẽ xuất hiện tại thời điểm nào đó trong tương lai, nhưng biết được nó sẽ xuất hiện với xác suất bằng bao nhiêu Như vậy các trị số lưu lượng đã được quan trắc trong quá khứ có thể chiếm vị trí bất kỳ trên trục thời gian tương lai, tạo nên vô vàn những tổ hợp dòng chảy khác nhau, trong đó có cả những tổ hợp bất lợi nhất Những tổ hợp này đều ứng với sx nhất định do phân phối xs đã biết quy định Từ đó so sánh với yêu cầu dùng nước sẽ tính ra dung tích hiệu dụng ứng với mức đảm bảo cấp nước P.

Nguyên lý tính toán điều tiết năm theo phương pháp lập bảng:

PTCB nước hồ chứa: Qi ti – qi ti = Vi – Vi~1

Qi: lưu lượng dòng chảy vào hồ trung bình trong thời đoạn ti,

Vi~1: Dung tích hồ chứa ở thời điểm ti~1, đây là đầu thời đoạn tính toán nên là trị số đã biết

Vi: Dung tích hồ ở thời điểm ti, đây là cuối thời đoạn tính toán, là trị số cần tìm

ti: thời đoạn tính toán cân bằng thứ i: ti = ti – ti~1

q : Lưu lượng chảy từ hồ ra bình quân trong thời đoạn ti, nó bao gồm lượng

2 Tính toán cho h ch a đi u ti t năm theo phương pháp lMp bFng

cấp nước yêu cầu (qyi), tổn thất bốc hơi (qbi), tổn thất do thấm, rò rỉ qua công trình (qti) và lượng nước xả thừa (qxi): qi = qyi + qbi + qti + qxi

(qyi) đại lượng đã biết theo kế hoạch dùng nước

(qbi) phụ thuộc vào lớp nước bốc hơi gia tăng Zivà diện tích mặt hồ Fi, tương ứng với dung tích bình quân Vi = (Vi~1 + Vi)/2

(qti): phụ thuộc vào địa chất lòng hồ, hình dạng hồ, loại công trình ngăn nước và lượng trữ nước trong hồ… (xác định theo phần trăm lượng nước chứa bình quân trong hồ) (qxi): phụ thuộc vào quá trình nước đến, quá trình cấp nước và phương thức vận hành

hồ chứa (trữ sớm, trữ muộn…)

Tổn thất bốc hơi (qbi), tổn thất do thấm, rò rỉ qua công trình (qti) và lượng nước xả thừa (qxi) đều phụ thuộc vào Vi là trị số cần tìm nên trong tính toán điều tiết cấp nước phải sử dụng phương pháp thử dần với sự hỗ trợ của các quan hệ địa hình hồ chứa Z ~ V và Z ~ F.