Способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнических объектов Советский патент 1993 года по МПК E02B9/04 

Изобретение относится к природоохранной области гидротехнических объектов и может применяться для сохранения экологического равновесия в местах их расположения особенно для высоконзпорных гидроэлектростанций, находящихся в резкоконтинентальных климатических условиях и работающих в режиме суточного регулирования мощности.

Многолетние натурные исследования, выполненные на действующих гидроэлектрических станциях институтами Гидропроект им. С.Я.Жука, ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Дивногорский гидрометеорологической обсерваторией и Институтом водных проблем АН СССР, показал1,, что создание глубоководных водохранилищ крупных

ГЭС, предназначенных для покрытия суточных графиков электрической нагрузки, обус- ловило нарушение экологического равновесия в их нижнем бьефе, в частности:

- понизились на 3-4°С по сравнению с естественными условиями средняя годовая температура воды на участке реки, расположенном ниже по течению сооружений гид- роузла, и в самый тёплый месяц не поднимается она в нижнем бьефе ГЭС выше 7-10°С, в то время как в естественных условиях максимальная средняя суточная температура воды в реке в июле - августе обычно достигает 15-18°С в зависимости от климатических условий;

- в зимний период года средняя месячная температура воды на участке реки в

XI

со с

а

СА) 00

нижнем бьефе ГЭС значительно повысилась и в зависимости от суровости зимы составляет: в декабре 3,0-4,0°С, в январе, феврале - около 2,5-3,0°С, а в марте 1,5- 1,9°С, в то время как в естественных условиях температура воды в реке в продолжение всего зимнего сезона составляет ежегодно около 0°С;

- поступление в нижний бьеф гидроэлектростанции теплой воды зимой из глубоководного водохранилища и значительные суточные колебания расходов, сбрасываемых через турбины ГЭС, приводят к образованию в нижнем бьефе протяженной полыньи, длина которой составляет для высоконапорных ГЭС в суро- вую зиму 100-150 км, а в теплую - 200-300 км;

- наличие зимой открытой водной поверхности обусловливает в нижнем бьефе ГЭС сильное туманообразование (в результате испарения воды) и шугоход, а ежедневные колебания расходов и уровней воды в результате суточного регулирования мощности ГЭС являются основной причиной взламывания в нижнем бьефе заберегов и тонкого ледяного покрова. Мелкобитый лед вместе с шугой выносится вниз по.течению, где на затороопасном участке в нижнем бьефе образуются мощные зажоры и заторы льда, которые закупоривают русло реки зимой на 70-80% и вызывают затопление прилегающей территории.

Указанные отрицательные изменения ледового и термического режима на участке реки в нижнем бьефе ГЭС наносят ежегодно значительные ущербы народному хозяйству и обусловливают неблагополучную экологическую обстановку, усиливающую рост заболеваемости населения Например, в нижнем бьефе Красноярской ГЭС, где имеет место полынья протяженностью не менее 150 км в суровую зиму и около 300 км - в теплую зиму, образуются сильные туманы и наблюдается ежегодно образование зажоров и заторов льда, которые вызывают под- топление населенных пунктов ниже плотины Красноярской ГЭС, а повышенная влажность воздуха вместе с промышленными дымами и выхлопами автомобильного транспорта обусловливает образование Смога зимой в г.Красноярске.

Известны устройства, предназначе н- ные для приближения температуры воды в нижнем бьефе ГЭС к естественному режиму реки посредством селективного отбора воды к турбинам ГЭС из поверхностных слоев водохранилища.

Указанные устройства представляют Собой водоприемники, установленные перед входным отверстием турбинного водовода, вследствие чего имеет место относительно большой удельный расход воды (20-25 м /с) и более) на оголовках этих устройств, что приводит к подсосу воды более теплой (зимой) и более холодной (летом) из нижележащих слоев водохранилища. Вместе с тем, рассмотренные выше устройства по селективному отбору воды к турбинам

ГЭС не устраняют в нижнем бьефе электростанции суточные колебания расходов и уровней воды, которые являются (наряду с термическим фактором) одной из основных причин, обусловливающих ежедневное

взламывание тонкого ледяного покрова на

нижележащем участке реки, в результате чего образуется в нижнем бьефе ГЭС протяженная полынья и мощные зажоры и заторы льда. . Наиболее близким к заявляемому является принятая за прототип система сохранения естественного ледотермического режима реки в нижнем бьефе ГЭС, включающая основной и контррегулирующий гидроузлы, реализованная на построенной Саяно-Шу.шенской ГЭС с Майнским контр- регулирующим гидроузлом.

Основным недостатком принятой за прототип системы является то, что оно не

обеспечивает в достаточной мере приближение ледового и термического режима реки в нижнем бьефе Саяно-Шушенской ГЭС к его естественным значениям несмотря на то, что ее Майнский контррегулирующий

гидроузел сооружен специально для перерегулирования эксплуатационных расходов указанной ГЭС и предотвращения колебаний расходов и уровней воды на нижележащем участке реки. Это объясняется тем, что

площадь зеркала водной поверхности Май- нского контррегулиругощёго гидроузла определена без учета возможности естественного нагревания воды в нем летом и остывания в зимний период. Так, исследования показали, что расстояние от створа плотины Саяно-Шушенской ГЭС до створа плотины Майнского контррегулирующего гидроузла должно составлять не менее 40 км; чтобы воды охлаждались в нем зимой на

1°С, в то время, как фактическое расстояние между указанными плотинами составляет лишь 21,5 км. Вместе с тем, забор воды к турбинам Саяно-Шушенской ГЭС осуществляется из глубоких слоев водохранилища,

что обусловливает поступление в ее нижний бьеф относительно теплой воды (до 4°С) зимой и.относительно холодной (до 8-10°С) - летом.

Целью изобретения является предотвращение на нижележащем участке реки в

нижнем бьефе ГЭС суточных колебаний расходов и уровней воды, повышение средних суточных температур воды до требуемых значений в летний период года и снижение их до 0°С в зимний период года и снижение их до 0°С в зимний период и обеспечение тем самым рекреационных свойств водотока летом и уменьшение в 2-3 раза длины полыньи, предотвращение туманов и затопления территории в результате зажорных и заторных подъемов уровней воды зимой.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сохранения естественного ледового и термического режима гидротехнического объекта, включающего основной гидроузел, селективный водоприемник - для отбора воды к турбинам ГЭС из поверхностных слоев водохранилища и контррегу- лирующий гидроузел, располагающийся ниже основного гидроузла на расстоянии не менее определяемого по зависимости:

N I At

2 Н I S I Ь,

ср

0)

где L- расстояние от створа плотины основного гидроузла до створа плотины контррегулирующего гидроузла, м;

N - мощность развиваемая ГЭС;

Н - напор на основной плотине; At- изменение температуры воды на участке контррегулирующего гидроузла, °С;

S - интенсивность теплового п отока на границе вода - воздух, Вт/м2;

Ьср - средняя ширина водохранилища, образованного контррегулирующим1 гидроузлом, м..

Проведенными исследованиями не обнаружено технических решений со сходными признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа, т.е. предлагаемый способ отвечает критерию изобретения существенные отличия.

Существо предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. .1 изображен предлагаемый способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнического объекта.

На фиг. 2 - предлагаемый способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнического объекта, в плане.

На фиг. 3 - показан водоприемник.

На фиг. 4 - результаты натурных исследований и расчетов распределения температур воды по глубине в верхнем бьефе ГЭС в зимний период года. /

На фиг. 5 -результаты натурных исследований и расчетов распределения температур воды по глубине в верхнем бьефе ГЭС в летний период года.

Способ сохранения естественного ледового и термического режима гидротехни- 5 ческого объекта содержит водоприемник 1 для отбора воды к турбинам ГЭС, смонтированный вдоль напорной грани основного гидроузла 2, вертикальная стенка сливной грани водоприемника выполнена составной

10 из секций 3, имеющих возможность перемещения по вертикальным направляющим (на чертеже не показаны) с помощью крана 4. Подвижные секции 3 могут быть выполнены либо в виде шандор, либо в виде плоских

5 затворов. Дно 5 водоприемника 1 расположено ниже порога аванкамер турбин водоводов 6 и опирается на уширение бычки 7. Ниже основного гидроузла 2 расположен контррегулирующий гидроузел 8 на рассто0 янии не менее определяемого по зависимости (1).

Способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнического объекта выполняется следующим

5 образом (фиг. 1,2).

В зависимости от задаваемого снижения (зимой) или повышения (летом) температуры воды в нижнем бьефе плотины (п.2 на фиг. 1) плотина-контррегулятор располага0 ется на расстоянии зависимости (1). Этим положением контррегулятора определяется средняя ширина водохранилища-контрре- гулятора и поток тепла между водной поверхностью в нем и атмосферой,

5

Формула изобретения Способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнических объектов, преимущественно

0 гидроэлектростанций, включающий селективный отбор воды из верхнего бьефа плотины и сброс ее в расположенное с нижнем бьефе плотины водохранилище, ограниченное контррегулирующим гидроузлом, о т л и5 чающий с я тем, что, с целью создания экологического равновесия в месте расположения гидротехнического объекта, контррегулирующий гидроузел выполняют на расстоянии от плотины, определяемом сле0 дующей зависимостью:

б N I At

2НТS I bcp

где L - расстояние от створа плотины ГЭС до створа контррегулирующего гидроузла, м;

N - мощность ГЭС в лимитирующий период (зима или лето), кВт;

д1 - модуль величины изменения температуры воды в водохранилище на лимитирующий период (постоянная величина для данного объекта), °С;

Н - напор ГЭС в лимитирующий период, м:

S - интенсивность теплового потока на границе вода-воздух в лимитирующий период, Вт/м , (постоянная величина для данного объекта);

ЬСр - средняя ширина водохранилища в лимитирующий период, м.

Изобретение относится к природоохранной области гидротехнических объектов и может применяться для сохранения эколо- гического равновесия в местах их расположения, особенно для высоконапорных гидроэлектростанций, находящихся в резкоконтинентальных климатических условиях и работающих в режиме, суточного регулирования мощности. Целью изобретения является создание экологического равновесия в местах расположения гидротехнического объекта. Поставленная цель достигается путем селективного отбора воды из верхнего бьефа основной плотины в ее нижний бьеф, который ограничивается контррегулирующим гидроузлом, выполни- ющимся на расстоянии, определяемом из выражения, приведенного в формуле изобретения. 5 ил.

Уровень 8одь1 б 1$одбхранп/1ище

Фиг. 5

а Красноярская ГЭС. ТЗанные натурных и,неренцц Нарт /9 $ггодл.

{#2 V5 #4

$ Туру анска-Я ГЭС. Ванные расчетов

f г з {ос о / г з , О f г в j г s 4у

™ f. ги / « / w

а Красноярская ГЭС. Ванные натурных иьпррент. июль Шгрода..

Туру ханская ГЭС. Ванные расчетов

Редактор -А.Вер

Составитель В.Дебольский

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

$Л

5 (О 15i О У Ю 1 j

Фиг.5