БЕЗОПАСНОСТЬ КОМПЛЕКСА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ЧЕРНОРЕЧЕНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В Г. СЕВАСТОПОЛЕ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрены вопросы безопасности комплекса гидротехнических сооружений Чернореченского водохранилища – основного источника водоснабжения города Севастополя. Исследован вопрос пропуска паводка Р=0,1 % обеспеченности с учетом трансформации части паводкового объема водохранилищем. Дана оценка пропуска максимального паводка с Q0,01% (с учетом гарантийной поправки) всеми водопропускными сооружениями гидроузла при наполненном водохранилище до отметки НПУ, как наиболее ответственного мероприятия.

Ключевые слова:
Безопасность, комплекс гидротехнических сооружений, водохранилище, паводок, пропускная способность
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение. Крымский полуостров относится к территориям с низкой водообеспеченностью для среднего года Р=50 %, водообеспеченность составляет 0,4 тыс. м3/год на 1 человека, в целом по РФ – 29,1 тыс. м3/год на 1 человека. На территории Крымского полуострова расположено 15 водохранилищ естественного стока с суммарным объемом при НПУ W=253,12 млн. м3 [1]. Суммарное водопотребление Крыма на 1990 г. составляло 3909,09 млн. м3, в том числе 3202 млн. м3 (81,91 %) – вода Северо-Крымского канала; 296,73 млн. м3 (7,59 %) – речные воды (местный сток, аккумулированный в водохранилищах и прудах); 257,85 млн. м3 (6,60 %) – подземные воды; 152,51 млн. м3 (3,90 %) – морские воды [3, 6].

С 2014 г. Украиной подача воды по Северо-Крымскому каналу прекращена и водопотребление изменено. В Крыму ныне эксплуатируется 8 водохранилищ Северо-Крымского канала с суммарным объемом при НПУ W=185 млн. м3, на сегодняшний день они наполнены менее чем на 50 %.

На территории Крымского полуострова имеется 1657 рек, ручьев и балок общей длиной около 6 тыс. км. Гидрологическая сеть Крыма включает 34 гидропоста (1 гидропост в Крыму приходится на 794 км2 площади водосбора). Для сопоставления. Площадь водосбора, в км2, приходящейся на 1 один гидропост составляет: во Франции – 203 км2, в Великобритании – 175 км2, в Германии – 119 км2, в Японии – 67 км2.

Малая река Черная имеет длину 35 км и площадь водосбора 427 км2. Первая рукописная работа о р. Черная была подготовлена 80 лет назад (1939 г.) сотрудником Крымского гидрометеобюро П.М. Шликарь [6].

Гидропост в низовье малой р. Черная у с. Хмельницкое был установлен в 1946 г. (площадь водосбора F=342 км2, средняя высота водосбора Нср=520 м). На период проектирования и строительства Чернореченского водохранилища на р. Черная гидрологическая информация была достаточно скудной. Грунтовая плотина была построена в 1956 г., имела высоту Н=28 м, длину L=1082 м и создавала водохранилище объемом W=33,2 млн. м3. В период с 1979 г. по 1984 гг. была проведена реконструкция грунтовой плотины Чернореченского водохранилища, в результате которой увеличена высота плотины на 8 м (Н=36 м), доведя полный объем при НПУ до W=64,2 млн. м3, а полезный – до 61,2 млн. м3.

Чернореченское водохранилище является основным источником водоснабжения в городе Федерального значения Российской Федерации Севастополе и самым крупным водохранилищем естественного стока (площадь зеркала составляет 604 га, объем воды при НПУ – 64,2 млн. м3) Крымского полуострова, предназначено для водообеспечения населения города (443 тыс. 212 чел. на 01.01.2019 г.). Комплекс ГТС Чернореченского водохранилища относится к ГТС I класса – чрезвычайно высоко опасности и находится под постоянным государственным надзором Ростехнадзора.

Комплекс ГТС Чернореченского водохранилища эксплуатируется 63 года и на нем начали проявляться проблемы старения сооружений.

Цель исследования – обосновать безопасность комплекса гидротехнических сооружений (ГТС) Чернореченского гидроузла при пропуске паводка Р=0,1 % обеспеченности (основной расчетный случай) с учетом трансформации части объема водохранилищем и пропуске паводка Р=0,01 % (поверочный расчетный случай с учетом гарантированной поправки) всеми водопропускными сооружениями гидроузла [2 – 12, 14, 15].

Основные характеристики дождевого паводка за весь жизненный цикл Чернореченского гидроузла, используемые при расчётах трансформации максимального расхода воды водохранилищем: максимальный расход Q0,01% = 660 м3/с; объём паводка W0,01% = 89,4 млн. м3;  продолжительность паводка T = 5,5 сут; продолжительность подъёма t1 = 1,25 сут; продолжительность спада t2 = 4,25 сут.

В данных расчётах водохранилище характеризуется «батиграфическими кривыми» (рис. 1), из которых устанавливается ёмкость форсировки (трансформации) расходов воды и глубина слоя форсировки: Vф = WФПУWНПУ = 81,0 – 64,2 = 16,8 млн. м3;  hф = 263,30 – 261,00 = 2,30 м.

Рис. 1. Фрагменты батиграфических кривых водохранилища на р. Черная

В состав водосбросных и водопропускных сооружений Чернореченского ГУ входят: автоматический водосброс; донный водовыпуск из четырёх ниток трубопровода; водозаборное сооружение из двух ниток трубопровода.

Водохозяйственный расчёт водохранилища на пропуск максимальных расходов выполняется на основе уравнения баланса воды в водохранилище. В общем виде баланс воды в водохранилище за время dt может быть выражен следующим дифференциальным уравнением:  

где Q – расчётный расход во входном створе водохранилища, м3/с; Qсб – расход в створе водосбросного сооружения (сбросной расход); Ω – площадь водной поверхности водохранилища; уровень воды в водохранилище, м.

При детальных балансовых расчётах применяют различные приёмы приближенного интегрирования. При этом весь период половодья делят на конечные малые интервалы времени, в течение которых расходы притока и сброса можно считать изменяющимися линейно.

Гидрограф модели паводка приведен на рис. 2.

Рис. 2. Расчётный гидрограф паводка 0,01% обеспеченности

Уравнение с конечными интервалами времени примет вид:

,

где ΔW – изменение объёма водохранилища; индексы н и к означают начало и конец расчётного интервала времени.

В уравнении неизвестны сбросной расход Qсб.к  и объём водохранилища Wк на конец интервала.

Расчет выполнен численными табличными способами. В начале первого расчётного интервала расходы притока и сброса равны нулю. В конце интервала приток определяют, как ординату гидрографа половодья (паводка) и вычисляют объём стока за интервал. Сбросной расход на конец интервала неизвестен; задаются отметкой уровня воды в водохранилище на конец интервала Z ' к   и по графику пропускной способности водосброса находят в первом приближении сбросной расход. Решая уравнение баланса воды в водохранилище, находим его объём на конец интервала, и по батиграфической кривой Z = f(W) устанавливаем соответствующую отметку уровня воды ZУВ. Если ZУВ и Z 'к  не совпадают, то изменяется отметка Z 'к 

и расчёт повторяется.  Конечный расход стока Qк, сбросного расхода Qсб.к и ёмкости Wк одного интервала являются начальными для последующего.

В результате расчёта находят ординаты гидрографа сбросных расходов (расходы и уровни). Сбросные расходы вычисляют в зависимости от уровня воды в водохранилище.

При заданных условиях в указанных границах возможно переполнение водохранилища; уровень может подняться до отметки 264,30 м, т.е. на 1,0 м выше отметки ФПУ. По оценке баланса притока и сброса, необходима предпаводковая сработка водохранилища ~ 20,0 млн. м3, до отметки 256,40 м БС. В этом варианте предусмотрено включение водовыпуска на пропуск расходов с началом паводка; величина этих расходов будет зависеть от устанавливающегося уровня воды в водохранилище.

Результат расчёта показывает, что даже при столь глубокой сработке уровня (до отметки 256,40 м БС) возможно переполнение водохранилища от отметки ФПУ на 0,1 м (до отметки 263,4 м БС). Период стояния максимальных уровней составляет 0,5 суток. При таком режиме возможно ещё избежать катастрофических последствий.

Основные характеристики дождевого паводка, используемые при расчёте трансформации максимального расхода воды водохранилищем: максимальный расход Q0,1% = 370 м3/с; объём паводка W0,01% = 50,1 млн. м3; коэффициент несимметричности гидрографа ks = 0,33;  продолжительность паводка T = 5,5 сут; продолжительность подъёма t1 = 1,25 сут; продолжительность спада t2 = 4,25 сут.

Гидрограф модели паводка 0,1 % приведен на рис. 3.

Рис. 3. Расчётный гидрограф паводка 0,1% обеспеченности

Расчёт трансформации паводка представлен в таблице. Расчётные графики показаны на рис. 4 и 5.

 

Таблица – Расчет пропуска паводка 0,1% ВП в створе Чернореченского гидроузла существующими сооружениями ZНПУ = 261,00 м; ZФПУ = 263,30 м; hф = 2,30 м; WНПУ = 64,2 млн. м3; WФПУ = 81,0 млн. м3; Vф = 16,8 млн. м3; Q0,1% = 370 м3/с;  Δt = 0,25 сут. (21,6·103 с)

№ интервала

Δt,

 сут

∑Δt

нарастающим итогом

Приток

Сброс

Wакк (сраб.)

за интервал

(по формуле), млн.м3

Водохранилище

Qн,

 м3

Qк,

 м3

(Qн+Qкt/2,

 млн. м3

Qсб.н,

 м3

Z 'к ,

м БС

Qсб.к,

 м3

(Qсб.н+Qсб.кt/2,

 млн. м3

Wн,

млн. м3

Wк,

млн. м3

ZУВ,

м БС

1

0,25

0,25

0

0

0

 

 

 

 

 

64,20

64,20

261,00

2

 

0,50

0

44,4

0,48

0

261,10

30,0

0,19

0,29

64,2

64,49

261,10

3

 

0,75

44,4

199,8

2,64

30,0

261,15

64,0

1,02

1,62

64,49

66,11

261,15

4

 

1,00

199,8

329,3

5,71

64,0

261,8

125,0

2,04

3,67

66,11

69,78

261,80

5

 

1,25

329,3

370,0

7,55

125,0

262,45

220,0

3,73

3,82

69,78

73,60

262,45

6

 

1,50

370,0

340,4

7,67

220,0

262,90

265,0

5,24

2,43

73,60

76,03

262,95

7

 

1,75

340,4

284,9

6,75

265,0

263,00

246,5

5,52

1,23

76,03

77,26

263,00

8

 

2,00

284,9

218,3

5,43

246,5

263,00

246,5

5,32

0,11

77,26

77,37

263,05

9

 

2,25

218,3

162,8

4,12

246,5

262,90

228,0

5,12

-1,00

77,37

76,37

262,90

10

 

2,50

162,8

114,7

3,00

228,0

262,80

210,0

4,73

-1,73

76,37

74,64

262,70

11

 

2,75

114,7

81,4

2,12

210,0

262,20

114,6

3,51

-1,39

74,64

73,25

262,40

12

 

3,00

81,4

55,5

1,48

114,6

262,10

100,6

2,32

-0,84

73,25

72,41

262,20

13

 

3,25

55,5

37,0

1,00

100,6

262,00

87,2

2,03

-1,03

72,41

71,38

262,10

14

 

3,50

37,0

25,2

0,67

87,2

261,90

74,4

1,75

-1,08

71,38

70,30

261,90

15

 

3,75

25,2

16,7

0,45

74,4

261,80

62,4

1,48

-1,03

70,30

69,27

261,80

16

 

4,00

16,7

11,5

0,30

62,4

261,60

40,5

1,11

-0,81

69,27

68,46

261,70

17

1,0

5,00

11,5

1,9

0,58

40,5

261,30

14,0

2,35

-1,77

68,46

66,69

261,30

18

 

6,00

1,9

0

0,10

14,0

 

7,8

0,94

-0,84

66,69

65,85

261,10

19

 

7,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

261,00

Рис.4. Гидрографы притока и сброса паводка в створе Чернореченского гидроузла существующими водосбросными сооружениями

Рис. 5. Динамика уровня воды в водохранилище при пропуске паводка существующими сооружениями

Выводы

1. Обоснованы расходы редкой обеспеченности (Р=0,1 % и Р=0,01 %) р Черная в створе Чернореченского водохранилища с учетом всего периода наблюдений на гидропосте в с. Хмельницкое (бывшее Чернореченское, Т=63 года) и данных службы эксплуатации гидроузла за весь его жизненный цикл.

2. Комплекс гидротехнических сооружений (ГТС) Чернореченского водохранилища и его противопаводковая емкость позволяет трансформировать паводок Р=0,1 % обеспеченностью без превышения отметки НПУ.

3. На спаде основной волны паводка Р=0,1 % возможно отключение донного водовыпуска, так как водосбросное сооружения самостоятельно справится с пропуском оставшейся части гидрографа притока в Чернореченское водохранилище.

4. В целях контроля за состоянием водохранилища и его водосбора и своевременного принятия мер по пропуску паводков редкой обеспеченности рекомендуется создание автоматизированной системы мониторинга и прогнозирования состояния водных объектов, влияющих на безопасность гидротехнических сооружений гидроузла Чернореченского водохранилища. В состав такой системы входят три автоматизированных гидрологических поста (АГК) – уровнемеры и осадкомеры, а также подсистема гидрологического моделирования на основе математических моделей, позволяющая в режиме реального времени давать прогноз притока с пошаговой коррекцией и оценивать ситуацию для принятия управляющих решений.

 

Автор выражает благодарность профессорам, д-рам техн. наук Мордвинцеву М.М., Бондаренко В.Л. и Волосухину В.А. за ценные замечания и пожелания по статье, улучшившие ее содержание.

Список литературы

1. Волосухин, Я.В. Обеспечение безопасности водопользования в Республике Крым / Я.В. Волосухин, Д.Ю. Наволокин // Водоснабжение и санитарная техника. - 2017. - № 6. - С. 4 - 9.

2. Асарин, А.Н. Расчетные паводки и безопасность плотин (по материалам СИГБ) / А.Е. Асарин, В.М. Семенов // Гидротехническое строи-тельство. - 1992. - № 8. - С. 55

3. О состоянии сооружений и возможности их эксплуатации объекта «Чернореченское водохранилище»: технический отчет / Я.В. Волосухин; ИКЦ «Безопасность ГТС». - Новочеркасск, 2016. - 121 с.

4. Калустян, Э.С. Оценка и роль рисков в плотиностроении (с использованием материалов СИГБ) / Э.С. Калустян // Гидротехническое строительство. - 1999. - № 12. - С. 27 - 31.

5. Безопасность России. Энциклопедический словарь-справочник / Науч. рук. 50-томного изд. Н.А. Махутов. - М.: Знание, 2008. - 528 с.

6. Тимченко, З.В. Гидрография и гидрология рек Крыма: монография / З.В. Тимченко. - Смферополь : ИТ «АРИАЛ», 2012. - 290 с.

7. Паводок, половодье, наводнение - есть ли разница? - URL: https://fireman.club/statyi-polzovateley/pavodok-polovode-navodnenie-est-li-raznitsa (дата обращения: 15.10.2019).

8. Паводки на реках Севастополя. - URL: http://xn--b1amnebsh.xn--80adi0aoagldk8i.xn--p1ai/glavnoe/item/15950-2018-10-08-10-59-28.html (да-та обращения: 15.10.2019).

9. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Том 2. Вып. 3. Бассейны Северского Донца, рек Крыма и Приазовья. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 362 с.

10. Чернореченское водохранилище. Правила эксплуатации / Укргипроводхоз. - Киев, 1980. - Т/ 1. - 271 с.

11. СП 33-101-2003. Определение основных расчётных гидрологических характеристик: введен взамен СНиП 2.01.14-83: дата введения 01.01.2004. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035578 (дата обраще-ния: 15.10.2019).

12. СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения: веден взамен СНиП 33-01-2003: дата введения 2013-01-01. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200094156 (дата обращения 15.10.2019 г.)

13. Энциклопедия безопасности гидротехнических сооружений (около 800 терминов) / Под общ. ред. В.А. Волосухина. - Изд. 5-е, испр. и доп. - Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2017. - 138 с.

14. Schnitter N.J. A history of dams: the useful Pyramids. - Aa Balkema, 1994. - 282 p.

15. Proceedings of the Twenty-Sixth International Congress on Large Dams (4th-6th july 2018, Vienna - Austria). URL: https://www.taylorfrancis.com/books/e/9780429465086 (дата обращения: 05.11.2019).


Войти или Создать
* Забыли пароль?