Bài giảng Thủy văn công trình - Chương 8: Hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Phần II Điều tiết dòng chảyNội dung:Chương 8: Hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứaChương 9: Tính toán hồ chứa điều tiết cấp nướcChương 10: Tính toán hồ chứa điều tiết lũChương 11: Biểu đồ điều phốiTài liệu: Giáo trình “Thủy văn công trình”CHƯƠNG 8: Hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứaI. Khái niệm chungSự cần thiết điều tiết dòng chảy:Các nguồn nước trong tự nhiên có đặc điểm:phân bố không đều theo không gianphân bố không đều theo thời gianNhu cầu về nước của con người cũng biến đổi theo không gian và thời gianTuy nhiên, sự biến động nhu cầu về nước của con người và sự biến động dòng chảy tự nhiên thường lệch pha nhauKhái niệm điều tiết dòng chảyĐiều tiết dòng chảy là tất cả các tác động của con người vào dòng chảy tự nhiên nhằm phân phối lại dòng chảy tự nhiên theo thời gian, không gian cho phù hợp với yêu cầu dùng nước, sử dụng nước và phòng chống lũ lụtCác biện pháp điều tiết dòng chảyBiện pháp công trình:ĐêKèKho nước (hồ chứa)Trạm bơmCống 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 thangBiện pháp lâm nghiệp: trồng rừngPhân loại điều tiết dòng chảyTheo nhiệm vụ:Điều tiết phục vụ nông nghiệpĐiều tiết phục vụ phát điệnĐiều tiết phục vụ công nghiệpĐiều tiết lợi dụng tổng hợpTheo chu kỳ điều tiết:Điều tiết nămĐiều tiết nhiều nămĐiều tiết tuầnĐiều tiết ngày đêmCác bài toán điều tiết đặc biệt:Điều tiết lũĐiều tiết bổ sungĐiều tiết bậc thangKho nướcKho nước là nơi trữ nước với dung tích lớn nhỏ khác nhau:Bể chứa nước kín: bể bằng kim loại, đá xây hoặc bê tông, được đặt ở trên cao (các tháp nước), trên mặt đất hoặc dưới nướcBể chứa nước hở: được xây dựng trên mặt đất hoặc vừa đào vừa đắp.Kiểu hồ chứa: được xây dựng ngay trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang sôngHồ chứa và các công trình đầu mốiHồ 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.Hồ chứa và các công trình đầu mối (tiếp)Các công trình đầu mối:Đập chắnCông trình lấy nước: cống lấy nướcCông 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.Một số hình ảnh về hồ chứaII. Các tài liệu cần thiết cho tính toán điều tiết dòng chảyTài liệu khí tượng thuỷ vănTài liệu địa hình địa chấtTài liệu dân sinh kinh tếa) Tài liệu khí tượng thủy vănTài liệu Khí tượng: 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 kếTài liệu Thủy văn: đặc biệt là các đặc trưng thủy văn thiết kế Tình hình địa lý thủy văn của lưu vựcTài 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 cátb) Tài liệu địa hình địa chấtTài liệu địa hình:Các quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V, Z~FQuan hệ Z~F được xây dựng từ bản đồ địa hình vùng lòng hồQuan hệ Z~V được xây dựng dựa theo quan hệ Z~F với cách tính DV gần đúng như sau:Tài liệu địa chất:Tình hình đất đai thổ nhưỡng vùng xây dựng lòng hồHoặcQuan hệ Z~V~F của hồ chứac) Tài liệu dân sinh kinh tếTài 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 lũCác tài liệu dân sinh kinh tế khác:Dân cư và phân bố dân cư ở hạ lưu và thượng lưu hồCác tài nguyên thiên nhiên: rừng, khoáng sản, các tài nguyên khác nằm trong vùng ảnh hưởng của hồCác hoạt động kinh tế vùng bị ảnh hưởngCác vấn đề chính trị, xã hội và dân tộcGhi chú: Mức độ chi tiết của các loại tài liệu này tùy thuộc và tính chất và quy mô của của hệ thống công trìnhIII. Các thành phần dung tích và mực nước của hồ chứaSơ họa mặt cắt hồ chứaVcVhVscVkhVplHcHtlHbtHscHhlHa) Dung tích chết và mực nước chếtDung 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  VblBảo đảm đầu nước tưới tự chảy Hc  Zcống=Zruộng + DZ + aBảo đảm cột nước tối thiểu để phát điệnBảo đảm mực nước tối thiểu để giao thông trong mùa kiệtBảo đảm dung tích tối thiểu để nuôi trồng thuỷ sảnBảo đảm dung tích tối thiểu để du lịch và vệ sinh môi trườngPhương pháp giản hóa tính bồi lắng hồ chứaDung tích bồi lắng tổng cộng Vbl:Vbl = Vll+VdđDung tích bùn cát lơ lửng Vll:Kbl: hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng g: dung trọng riêng bùn cát (tấn/m3)T: tuổi thọ công trìnhRl0: lưu lượng bùn cát lơ lửng bình quân nhiều năm (kg/m3)Dung tích bùn cát di đáy Vdđ:Tính gần đúng bằng 20% - 80% Vll, tùy theo điều kiện vùng xây dựng hồ chứaDung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thườngDung 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 + VhHbt là Vbt có quan hệ theo đường cong Z~VNguyên tắc lựa chọn:Căn cứ vào đường quá trình nước đến thiết kếCăn cứ vào đường quá trình nước dùng thiết kếCăn cứ vào điều kiện địa hình địa chất của vùng hồ chứaTính toán điều tiết cấp nước xác định các đặc trưng hồ chứaLựa 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 caoDung 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 VT là dung tích toàn bộ hồ chứa: VT = Vc + Vh + VscHsc và VT có quan hệ theo đường cong Z ~ V.Nguyên tắc lựa chọn:Căn cứ vào đường quá trình lũ thiết kế đến hồCăn 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 chứaGiải quyết bài toán kinh tế kỹ thuậtDung tích kết hợp và mực nước trước lũDung tích kết hợp (Vkh) là dung tích vừa làm nhiệm vụ cấp nước vừa làm nhiệm vụ phòng lũỞ một số hồ chứa, vào đầu mùa lũ người ta tận dụng một phần của Vh để trữ lũ, gọi là Vkh. 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 hợpGọi Vtl là dung tích trước lũ: Vtl = Vc + Vh – VkhHtl và Vtl có quan hệ theo đường cong Z~V.Các loại tổn thất khi xây dựng hồ chứaTổn thất do bốc hơi phụ thêmTổn thất do thấmTính toán tổn thất do bốc hơi phụ thêmTrước khi xây dựng hồ chứa, trên bề mặt lưu vực có lượng bốc hơi gọi là bốc hơi lưu vực Zlv. Do bề mặt lưu vực rất đa dạng nên lượng bốc hơi lưu vực trên thực tế rất khó đo đạc Lượng bốc hơi lưu vực bình quân nhiều năm có thể xác định dựa trên phương trình cân bằng nước viết cho lưu vực.Zlv0=Z0=X0-Y0 (Trường hợp lưu vực kín)Sau khi xây dựng hồ chứa làm ngập một phần lưu vực và phần bị ngập này sẽ có lượng bốc hơi là bốc hơi mặt nước Zn.Thông thường Zn>Zlv.Lớp bốc hơi phụ thêm (mm): Z = Zn-Zlv Lượng bốc hơi phụ thêm (m3): Wbh= Z. F.103 Bốc hơi phụ thêm thiết kếXác định lượng bốc hơi phụ thêm ứng với tần suất thiết kế:Lựa chọn tần suất tính toán Pz:Trường hợp 1: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là chặt chẽ thì lựa chọn Pz=1-PyTrường hợp 2: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là không chặt chẽ thì lựa chọn Pz=50%Trường hợp 3: Nếu ít tài liệu thì lấy năm có lượng bốc hơi lớn nhấtXác định lượng bốc hơi mặt nước bình quân nhiều năm Zn0Xác định lượng bốc hơi phụ thêm bình quân nhiều năm: Z0 = Zn0-Zlv0Lựa chọn các đặc trưng thống kê: Cv, CsXác định lượng bốc hơi phụ thêm thiết kế Zpz= f(Z0, Pz,Cv,Cs)Bốc hơi phụ thêm thiết kế (tiếp)Xác định phân phối bốc hơi phụ thêm thiết kế:Xác định lượng bốc hơi mặt nước ứng với tần suất thiết kế ZnpMượn dạng phân phối bốc hơi mặt nước tính bình quân trong nhiều năm Zni ~ tTính tỷ số thu phóng: Tính lượng bốc phụ thêm từng tháng theo công thức: Zi = KZniTính toán tổn thất do thấmLượng tổn thất do thấm Wth là lượng nước bị mất đi do thấm qua đáy hồ, qua thân đập, qua công trình lấy nước, qua vai đập, rò rỉ.Wth phụ thuộc vào:Vật liệu xây dựng công trìnhđịa chất lòng hồcột nước trong hồ tại thời điểm tính toánTrong tính toán điều tiết, Wth thường lấy bằng tỉ lệ phần trăm dung tích trữ trong hồ tại thời điểm tính toánWth (t) = K%. V(t)Tiêu chuẩn thấm trong hồ chứaĐiều kiện địa chất lòng hồLượng thấm tính theo lượng nước bình quân (%)Lớp thấm tính theo diện tích bình quân (m)NămThángNămNgày đêmTốt Bình quânXấu5-1010-2020-300.5-11-1.51.5-3<0.50.5-11-20.001-0.0020.002-0.0030.003-0.004