Определение расчетной зависимости «емкость водохранилища – гарантированная водоотдача»

5.1. Определение расчетной зависимости «емкость водохранилища – гарантированная водоотдача»

 

Расчет проектного водопотребления обобщенным методом.

Таблица 10. Минимальные расчетные требования А_мин, предъявляемые в створе №2 , млн.м³

Месяцы	4	5	6	7	8	9	10	11	12	1	2	3	Год
Попуски	25,7	9,3	1,4	0,4	0,6	0,7	0,7	0,8	1,3	0,8	0,7	4,3	46,7
БВ	0,047	0,605	1,554	1,275	1,442	0,939	0,047	0,047	0,047	0,047	0,047	0,047	6,144
Амин	25,747	9,905	2,954	1,675	2,042	1,639	0,747	0,847	1,347	0,847	0,747	4,347	52,85

Под А_мин понимается суммарное расчетное водопотребление, которое понимается, как базовая величина для дальнейшего развития отрасли.

Определяем возможности максимального развития отрасли по объему А_макс.

Таблица 11.

Cv	≤0,3	0,3 – 0,5	>0,5
Ψ	0,95	0,85 – 0,9	0,8

Расчетное водопотребление любой ВХС складывается из полезного водопотребления и потерь стока на дополнительное испарение, фильтрацию как самого водохранилища, таки на сооружения ВХС. Суммарные потери складываются вместе с полезной отдачей, определяя будущую ситуацию хозяйственного использования вод.

Таблица 12. Результаты водохозяйственных расчетов обобщенным методом

Полезная отдача		Потери из водохранилища			Отдача Брутто	Относительная отдача Брутто aбр	Приведенная обеспеченность P , %	Составляющие емкости водохранилища
Сверх Амин	∑	Фильтрация	Дополнительное испарение	∑				Многолетняя Vмн	Сезонная Vсез	Полезная Vплз	Мертвый объем Vмо	Полная емкость Vполн
0	52,85	0,5	0,5	1,0	53,85	0,65	77,1	0	1,99	1,99	0,9	2,89
5,15	58,0	1,0	1,0	2,0	60	0,73	78,5	0	6,70	6,70	0,9	7,60
10,3	63,15	1,5	1,5	3,0	66,15	0,80	79,6	12,4	13,24	25,64	1,0	26,64
15,45	68,3	2,0	2,0	4,0	72,3	0,87	80,6	16,5	18,72	35,22	1,5	36,72
20,6	73,45	2,5	2,5	5,0	78,45	0,95	81,4	37,2	22,79	59,99	2,0	61,99
25,75	78,6	3,0	3,0	6,0	84,6	1,02	82,1	74,5	27,01	101,51	2,5	104,01
17,5	70,88	2,4	2,4	4,8	75,38	0,91	80,0	26,85	20,76	48,00	1,75	50,00

Потери на фильтрацию обусловлены:

1.  фильтрация через тело плотины и другие сооружения в составе напорного фронта

2.  потери через уплотнение затворов

3.  фильтрация через основание и береговые примыкания водохранилищного гидроузла

Фильтрационные потери рассчитываются на основе гидрогеологических изысканий и специальных расчетов с учетом гидромеханических свойств грунтов основания. Исходной зависимостью для последующих расчетов является зависимость для момента стабилизации гидравлического режима.

В проекте фильтрационные потери определим в зависимости от свойств основания экспертным методом.

Таблица 13.

Гидрогеологические условия	Величина потерь, см/год
благоприятные условия	50
суглинки	50 – 100
Неблагоприятные условия	>100

Потери на льдообразование определяется по толщине льда, нарастающего в период намерзания. Кроме того, лед, осевший на берегах, сокращает и саму величину регулирующей емкости, снижая эффект регулирования.

Потери на дополнительное испарение.

В практике расчет дополнительного испарения в ряде случаев заменяют расчетом видимого испарения.

i – индекс отрасли

Р_i – расчетная обеспеченность i-го потребителя

Определение емкости водохранилища обобщенным методом.

 при

t – водопотребление лимитирующего периода в долях годового стока

m – объем стока лимитирующего периода в долях годового стока

По данным таблицы 12 строим график зависимости суммарной полезной гарантированной отдачи и ее перспективного прироста от полного объема водохранилища.

5.2 Постановка задачи оптимизации и определение оптимального варианта параметров водохозяйственной системы

 

В соответствии с постановкой проектной задачи определяется оптимальное сочетание регулирования стока и дотации воды из внешнего бассейна. При этом возможны следующие варианты:

1.  вода подается из внешнего бассейна в равномерном режиме, в этом случае требуется буферное водохранилище для перерегулирования графика водопотребления

2.  переброска ведется в графике водопотребления

3.  вода перебрасывается по каналу

4.  вода подается по трубопроводу в соответствующей пропускной способности

Потери по трассе водоподачи принимаем в размере 5% от объема переброски. Окончательно получаем функциональную зависимость между требуемым объемом водоподачи и пропускной способностью канала:

 

Площадь сечения находим из уравнения неразрывности:

u ,

где

u - расчетная скорость в канале

Скорость определяется применительно к равномерному движению формулой Шези:

 

Гидравлический уклон примем =0,0005. Гидравлически выгоднейшее сечение канала, скорректированное с учетом удобства строительных работ, выбираем с заложением откосов и значением .

Коэффициент шероховатости примем как для оросительного канала в глинистом русле . Соответственно  и расходная характеристика  выразятся в виде функций нормальной глубины h следующим образом:

м²

м

м

Параметры сечения канала определим c помощью уравнения:

Таким образом, зная объем переброски можно найти расчетную глубину  из последнего выражения и, используя зависимости, определяем  и  u. Расчетная скорость в канале проверяется по условиям размыва русла и незаиления: u_нз £ u £ u_нр

Неразмывающая средняя скорость потока в каналах определяется в зависимости от вида грунтов, в которых проложен канал. Удельное сцепление суглинков равно С=24кН/м², h=0,85м → u_нр=1,48м/с >u=0,67м/с

Незаиляющая скорость находится по формуле:

→ → 

Таким образом,

u_нз=0,35м/с<u=0,67м/с<u_нр=1,48м/с, условие выполняется.

Расчет канала при неравномерном и неустановившемся движении связан с большим объемом вычислений при построении кривой подпора. Будем считать, что возможность превышения уровня, вызванное выклиниванием кривой подпора, снимается собственной регулирующей способностью канала. Площадь сечения выемки примем несколько выше площади живого сечения:

Выразим теперь объем выемки через объем переброски:

При  в метрах получаем объем выемки по трассе канала в млн.м³.

Таким образом каждому значению переброски  ставится в соответствие величина  , а следовательно, и стоимость мероприятий по переброске стока, определяемых в свою очередь стоимостью водозабора и канала переброски.

В случае водоподачи посредством напорного водовода методика расчета принципиально не меняется. Так определение параметров трубопровода круглого сечения можно вести на основе совместного решения уравнений Шези и Дарси-Вейсбаха.

Коэффициент сопротивления по длине находим по формуле Павловского :

После несложных преобразований получаем формулу зависимости гидравлического радиуса от расхода и затем от требуемого объема переброски :

 

С целью отыскания оптимума воспользуемся методом динамического программирования. Для каждого из рассматриваемых значений гарантированной отдачи (в диапазоне от  до ) определяются стоимостные показатели разных вариантов решения проектной задачи. Варианты обусловлены сочетаниями емкость водохранилища – объем переброски.

Экономический эффект от дополнительного орошения определен на основании нескольких критериев, связанных с доходностью и затратами в отрасль. В учебном проекте в качестве целевой функции  берется ежегодный чистый доход  от дополнительной сельскохозяйственной продукции при условии, что коэффициент рентабельности не меньше нормативного значения (). Капиталовложения  определяются по комплексным сооружениям  (плотина, водохранилище, тракт переброски вместе с головным водозабором), а также по отраслевым сооружениям .  в свою очередь можно оценить по разнице стоимости продукции  и ежегодных отраслевых издержек . Стоимость продукции всех отраслей кроме орошения в рассматриваемом проекте фиксирована, поскольку прирост идет только за счет орошения. Экономический эффект определяется только от дополнительного орошения, поэтому он соотносится с величинами затрат сверх тех, которые необходимы для обеспечения минимальной отдачи _. С целью сокращения объема вычислений расчеты выполняются на основе примерных укрупненных стоимостных показателей, без учета фактора времени.

 

Комплексные затраты (руб. в ценах 2006г.)

К_в-ща – капитальные затраты по водохранилищу

К_кнл – капитальные затраты по каналу переброски

К_вдзб – капитальные вложения на строительство водозабора, включая затраты на регулирование стока в створе изъятия

 

 

 – полный объем водохранилища рассматриваемого варианта по отдаче

– объем водохранилища, необходимый для покрытия минимальной гарантированной водоотдачи    

k_в-ща – удельные капвложения на кубометр емкости водохранилища, (руб./м³) kпер – удельные капвложения на кубометр выемки, учитывающие стоимость водозаборного сооружения, (руб./м³)

 

Отраслевые затраты (руб.)

 – прирост отдачи на орошение;

 – площадь орошения, обеспеченная при объеме водоподачи;  

 – оросительная норма комплексного гектара, принята 1730 м³/га

- к. п. д. оросительной системы, принимаем 0,8 .

Стоимость продукции

, где

 – урожайность, закупочная цена и доля в севообороте  - ой культуры

 – закупочная цена на продукцию, полученную с комплексного гектара, принята в расчетном примере 15000 руб./га при площадях орошения до 20 тыс.га. Для больших площадей учтено снижение эффекта по причине сложности сбыта продукции, конкуренции и т.д. При 100 тыс. га стоимость продукции снижена до 9000 руб./га.

Параметры водохозяйственной системы:

·  Полезный объем водохранилища – 48млн.м³

·  Полный объем водохранилища  50млн.м³

·  Отметка НПУ=161м

·  Отметка УМО= 142м

·  Отметка ФПУ=163,5м

·  Площадь зеркала при НПУ= 4,5км²

·  Гарантированная полезная отдача водохранилища – 70,875млн.м³

- минимальные требования ВХК – 52,85млн.м³

- гарантированное орошение – 17,5млн.м³

·  Объем переброски 17,5млн. м³

·  Итого гарантированная полезная отдача ВХС – 88,375млн.м³

·  В том числе орошение – 35млн.м³

·  Расход канала (производительность водозабора) 1,91м³/с

·  Расчетная глубина в канале 0,85м

·  Скорость течения в канале 0,67м /с

·  Параметры альтернативного напорного водовода для переброски млн.м³:

- Диаметр водовода – 2м

- Скорость  0,7м /с

Таблица 14. Технико-экономическое сопоставление вариантов по результатам оптимизационных расчетов.

Прирост гарантированной отдачи на орошение, Аор, млн.м3	Долевое участие в покрытии требований орошения		Стоимостные показатели проектируемых водохозяйственных мероприятий, направленных на развитие орошения, млн.руб.
	Водохранилище, Авдхр, млн.м3	Канал переброски, Апер, млн.м3	Затраты по водохранилищу с учетом компенсации затопления		Канал переброски и водозаборное сооружение		Отраслевые затраты на орошение		Суммарные затраты ВХС		Площадь орошения, Fор,, тыс.га	Стоимость с/х продукции за вычетом затрат на реализацию	Размер ежегодного чистого дохода, ЕЧД	Коэффициент рентабельности, Крн
			К	С	К	С	К	С	К	С
5,15	0 3 5,15	5,15 2,15 0	0 15,66 28,26	0 0,23 0,42	182,7 92,1 0	5,48 2,76 0	86,4 86,4 86,4	8,64 8,64 8,64	269,1 194,16 114,66	14,12 11,63 9,06	2,4	36	21,88 24,37 26,94	0,08 0,13 0,23
10,3	0 5,15 10,3	10,3 5,15 0	0 28,26 142,5	0 0,42 2,14	317,88 182,7 0	9,54 5,48 0	172,8 172,8 172,8	17,28 17,28 17,28	490,68 383,76 315,3	26,82 23,18 19,42	4,8	72	45,18 48,82 52,58	0,09 0,13 0,17
15,45	0 5,45 10 15,45	15,45 10 5,45 0	0 30,66 132,66 202,98	0 0,46 1,99 3,04	434,58 308,16 189,78 0	13,04 9,24 5,69 0	255,6 255,6 255,6 255,6	25,56 25,56 25,56 25,56	690,18 594,42 578,04 458,58	38,6 35,26 33,24 28,6	7,1	106,5	67,9 71,24 73,26 77,9	0,10 0,12 0,13 0,17
20,6	0 10,3 15 20,6	20,6 10,3 5,6 0	0 142,5 192,66 354,6	0 2,14 2,89 5,32	546 317,88 190,68 0	16,38 9,54 5,72 0	342 342 342 342	34,2 34,2 34,2 34,2	888 802,38 725,34 696,6	50,58 45,88 42,81 39,52	9,5	142,5	91,92 96,62 99,69 102,98	0,10 0,12 0,14 0,15
25,75	0 10 15,75 25,75	25,75 15,75 10 0	0 142,5 204,66 606,72	0 2,14 3,07 9,10	654,78 445,62 308,16 0	19,64 13,37 9,24 0	428,4 428,4 428,4 428,4	42,84 42,84 42,84 42,84	1083,18 1016,52 941,22 1035,12	62,48 58,35 55,15 51,94	11,9	178,5	116,02 120,15 123,35 126,56	0,11 0,12 0,13 0,12
35	0 15 17,5 25,75	35 20 17,5 9,25	0 192,66 246,66 606,72	0 2,89 3,70 9,10	840,96 533,16 481,2 289,14	25,23 15,99 14,44 8,67	583,2 583,2 583,2 583,2	58,32 58,32 58,32 58,32	1424,16 1309,02 1311,06 1479,06	83,55 77,2 76,46 76,09	16,2	243	159,45 165,8 166,54 166,91	0,11 0,13 0,13 0,11
50	0 10 20 25,75	50 40 30 24,25	0 132,66 330,66 606,72	0 1,99 4,96 9,10	1127,64 942,24 743,64 625,98	33,83 28,27 22,31 18,78	831,6 831,6 831,6 831,6	83,16 83,16 83,16 83,16	1959,24 1906,5 1905,9 2064,3	116,99 113,42 110,43 111,04	23,1	207,9	90,91 94,48 97,47 96,86	0,05 0,05 0,05 0,05
60	0 10 20 25,75	60 50 40 34,25	0 132,66 330,66 606,72	0 1,99 4,96 9,10	1310,4 1127,64 942,24 824,58	39,31 33,83 28,27 24,74	997,2 997,2 997,2 997,2	99,72 99,72 99,72 99,72	2307,6 2257,5 2270,1 2428,5	139,03 135,54 132,95 133,56	27,7	249,3	110,27 113,76 116,35 115,74	0,05 0,05 0,05 0,05
70	0 10 20 25,75	70 60 50 44,25	0 132,66 330,66 606,72	0 1,99 4,96 9,10	1486,56 1310,4 1127,64 1016,58	44,60 39,31 33,83 30,50	1166,4 1166,4 1166,4 1166,4	116,64 116,64 116,64 116,64	2652,96 2609,46 2624,7 2789,7	161,24 157,94 155,43 156,24	32,4	291,6	130,36 133,66 136,17 135,36	0,05 0,05 0,05 0,05