- •1. Аномальные свойства воды
- •2. Двухмерное стационарное температурное поле
- •3. Аналитические методы решения уравнения теплопроводности
- •3.1. Метод разделения переменных при решении уравнения теплопроводности
- •3.2. Частный пример нестационарного температурного поля в стенке
- •3.3. Решение уравнения теплопроводности при различных граничных условиях [8]
- •4. Расчет тепловых потоков через поверхность и дно водоема
- •Расчет температуры воды по глубине водоема
- •Расчет температуры воды по глубине водоема
- •Расчет элементов термического режима водотока
- •6.1. Термический режим водотоков
- •6.2. Расчет температуры воды в водотоке
- •6.3. Расчет температуры воды в водохранилище-охладителе тэс
- •7. Расчет элементов ледотермического режима нижнего бьефа гидроузла
- •7.1. Ледотермический режим нижнего бьефа гэс
- •Режимы движения кромки льда
- •8.2. Тепловой расчет полыньи в нижнем бьефе гэс
- •7.3. Зажорные явления на реках
- •7.4. Расчет расхода шуги
- •8. Расчет толщины ледяного покрова
- •8.1. Общие сведения о толщине льда на водоемах и водотоках
- •8.2. Начальная толщина льда
- •Формулы для расчета начальной толщины льда
- •8.3. Толщина льда на водоемах и водотоках в период ледостава
- •Изменение толщины льда к окончанию ледостава
- •9. Взаимодействие льда и сооружений
- •Экспериментальные данные в.П.Афанасьева и ю.В.Долгополова
7. Расчет элементов ледотермического режима нижнего бьефа гидроузла
7.1. Ледотермический режим нижнего бьефа гэс
Строительство на реке водохранилища, как правило, является причиной существенного изменения гидрологического, а в его рамках и ледового режима участка водотока ниже гидроузла. В самом водохранилище и в определенной мере в русле реки ниже гидроузла изменяются морфологические и гидравлические условия, которые совместно с климатическими и метеорологическими факторами определяют ледовый режим водотока в нижнем бьефе (рис. 7.1).
Возникновение и развитие ледовых явлений и процессов в водотоке ниже гидроузла существенным образом зависят от размеров водохранилища и его функционального назначения. В нижних бьефах комплексных и энергетических гидроузлов на характер развития ледовых процессов сильно влияет режим работы гидроэлектростанций, обеспечивающих покрытие пиков графика нагрузки энергосистемы, а также других водосбросных сооружений гидроузла.
В период ледостава сброс воды из водохранилища в нижний бьеф производится через глубинные водоводы, вследствие чего температура воды ниже плотины составляет 1,5-5,0С и для ее охлаждения до температуры замерзания необходимо некоторое время, зависящее от условий теплообмена речного потока с атмосферой. На интенсивность этого процесса влияют метеорологические факторы (температура и влажность воздуха, скорость ветра), а также скорость течения и колебания глубины вследствие энергетических попусков воды ГЭС. Поэтому в нижнем бьефе гидроузлов практически всех водохранилищ России зимой существует открытый участок водной поверхности реки (полынья), протяженность которой изменяется в зависимости от расхода воды и интенсивности ее теплоотдачи. Зимой в морозную погоду полыньи являются “фабриками” шуги и туманов. Шуга, образовавшаяся на переохлажденном участке открытой водной поверхности перед кромкой ледяного покрова, при определенных условиях может подныривать под лед и скапливаться ниже по течению реки, формируя зажор, приводящий к повышению уровня воды и выходу ее на лед с последующим образованием наледей и развитием зимних наводнений. К отрицательным последствиям приводит и туман, вызывающий в морозную погоду обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.
Отмеченные ледотермические явления характерны особенно для сибирских (в условиях устойчивого зимнего антициклона) и горных рек. Так, на Енисее ниже Саяно-Шушенского гидроузла длина полыньи (до сооружения Майнской ГЭС) достигала 140км, ниже Красноярской ГЭС в разные годы она колебалась от 40 до 220км и более (до 500км). На Новосибирском гидроузле длина полыньи колеблется от 10 до 30км, на Хантайском – от 10-15км (в суровые зимы) до 30-35км (в теплые зимы), на Курейском – от 4 до 20км, на Усть-Илимском – более 40км, на Вилюйском – от 30 до 80км. Сооружение Иркутского водохранилища создало условия для замерзания естественной полыньи, всегда существовавшей в истоке Ангары. После строительства гидроузла размеры полыньи в нижнем бьефе Иркутской ГЭС колеблются от 4 до 49км, что намного меньше прежде формировавшейся в истоке Ангары. В тоже время после заполнения Воткинского водохранилища на Каме полынья в нижнем бьефе Камской ГЭС сократилась с 13-30 до 1,5-15км, и у г.Перми восстановился устойчивый ледостав.
Нередко ниже основной кромки льда образуются вторичные полыньи, например, на перекатах. Ниже Вилюйских ГЭС вторичная полынья при больших скоростях течения на перекатах располагается в 200 км от плотины.
Участок нижнего бьефа, находящийся в зоне пульсации кромки ледяного покрова, характеризуется неустойчивым ледовым режимом. Под влиянием суточного и недельного регулирования стока ГЭС здесь в течение зимнего периода происходит смена ледовых явлений – чередование ледостава с ледоходом и шугоходом. Кроме того, во время повышенных попусков на ГЭС в результате нарушения гидродинамической устойчивости и срыва кромки ледяного покрова в нижнем бьефе может происходить образование заторов льда, сопровождающееся подъемом уровня воды и возможным развитием зимнего наводнения.
Согласно рекомендациям [10,30] следует различать три основных ледотермических режима водотока (рис.7.2):
в период зимних похолоданий, когда происходит перемещение кромки ледяного покрова вверх по течению (режим наступления кромки); режим имеет место, когда створ нулевой изотермы расположен выше кромки льда, и сопровождается уменьшением длины полыньи;
в период зимних оттепелей или весенних потеплений, когда происходит отступление кромки ледяного покрова; режим имеет место, когда к кромке подходит вода с положительной температурой, и сопровождается увеличением длины полыньи;
в стабильных метеоусловиях, когда кромка ледяного покрова не перемещается (режим стабилизации кромки).
С точки зрения влияния водохранилища на термические условия и развитие ледовых явлений и процессов в нижних бьефах гидроузлов водоток ниже плотины можно разделить на характерные участки.
В режиме наступления кромки нижний бьеф можно разделить на следующие участки (рис.7.3): 1 – охлаждения воды от сброса до створа нулевой изотермы; 2 – от створа нулевой изотермы до створа начала внутриводного ледообразования; 3 – от створа начала внутриводного ледообразования до створа максимального переохлаждения; 4 – от створа максимального переохлаждения до створа наибольшей интенсивности шугообразования; 5 – от створа наибольшей интенсивности шугообразования до створа полного покрытия поверхности воды шугой и повышения температуры воды до 0С; 6 – от створа полного покрытия поверхности воды шугой до створа формирования устойчивого ледяного покрова.
В режиме стабилизации кромки сохраняются участки 1 и 6. В режиме отступления кромки имеются три участка: 1 – охлаждения воды от сброса до температуры воды у кромки (0С); 2 – охлаждения воды под ледяным покровом до 0С; 3 – от створа нулевой изотермы вниз по течению.
К основным элементам ледотермического режима нижнего бьефа относятся: температура воды, расход шуги, длина полыньи, толщина льда. Практический интерес представляет расчет этих элементов, а также определение координат характерных створов.
Из формулы (6.6) при t=0С можно найти условие для определения координаты створа нулевой изотермы
Xo = cвв Q/(1b) ln(1- tНБэ), (7.1)
полученное решением уравнения теплового баланса движущегося отсека жидкости (6.1) для установившегося гидравлического режима и постоянных морфометрических характеристик русла. В формуле (7.1) 1 - коэффициент теплообмена воды с воздухом, э - эквивалентная температура воздуха, b - ширина потока в нижнем бьефе, tНБ - температура воды, поступающей в нижний бьеф.
Если по длине нижнего бьефа имеются забереги, то вместо ширины русла b в формулу (7.1) подставляется величина bНБ:
bНБ = b-bЗ , (7.2)
где ширина заберегов bЗ рассчитывается по формуле Р.А.Нежиховского
bЗ = b(1-m) , (7.3)
в которой m=0,420,2+К ; коэффициент К для русел с мелководными зонами и пологими берегами равен 0,525, при отсутствии мелководных зон и крутых берегах К=0,465.
На шугообразующем участке, когда имеет место всплытие шуги, дифференциальное уравнение теплового баланса для определения средней по глубине температуры воды имеет вид
cвв Qdt/dx=1b(t -э)(1-ш)- шVhшш, (7.4)
где hш - толщина шуговых скоплений, определяемая по (7.5), ш - коэффициент покрытия водной поверхности шуго-ледяными образованиями, ш - плотность шуги, - удельная скрытая теплота ледообразования.
hш=hнш, (7.5)
где hн - минимальная устойчивая толщина льда на кромке.
Координата створа наибольшей интенсивности шугообразования определяется из условия
dSш/dx=0, (7.6)
где Sш - интенсивность шугообразования
Sш=1b(t -э)(1-ш). (7.7)
В случае, когда кромка льда в режиме ее стабилизации совпадает с положением нулевой изотермы, длину полыньи (расстояние от створа гидроузла до кромки льда) следует рассчитывать по формуле (7.1). Для режимов наступления и отступления кромки, в том числе с учетом воздействия тепловых стоков и снегопадов, расчет длины полыньи производится согласно методике [30, 31], а в условиях суточного и недельного регулирования мощности на ГЭС - [46].
Для действующих ГЭС начальное положение кромки льда определяется по данным натурных наблюдений.
Для проектируемых ГЭС или в случае отсутствия данных о начальном положении кромки при проведении поверочных расчетов для действующих ГЭС начальное положение кромки льда рассчитывается по формуле
Xк.н. =2 hнл ш V/(1 (-э)) ХН + Xo , (7.8)
где ХН - безразмерный параметр, определяющий соотношение между интенсивностью теплообмена воды с атмосферой и объемной скрытой теплотой кристаллизации, которая выделяется при образовании шуги, формирующей кромку, при толщине льда на кромке hн, в единицу времени; параметр ХН находится по графику на рис.7.4 либо по известному предледоставному расходу шуги Qш.0 , либо по ширине заберегов в предледоставный период bЗ, измеренной у створа, ближайшего к кромке льда.
Если задан предледоставный расход шуги Qш.0, то следует рассчитать параметр
ПQ = Qш.0 / (bНБ V hн) (7.9)
и по известному значению параметра ПQ и по графику Qш(Х) (рис.7.4) найти ХН.
Если задана ширина заберегов bЗ, то следует определить степень покрытия шугой водной поверхности вблизи кромки льда в предледоставный период
ш.0 = 1 - bЗ / b (7.10)
и по известному значению ш.0 и графику ш.(Х) на рис.7.4 найти параметр ХН.
Условия существования того или иного режима движения кромки ледяного покрова представлены в табл. 7.1.
Таблица 7.1