Novocherkassk, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
GRNTI 67.21 Инженерные изыскания в строительстве
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
GRNTI 70.17 Водохозяйственное строительство. Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 38 Строительство
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
The issues of safety of the complex of hydraulic structures of the Chernorechenskiy reservoir - the main source of water supply of the city of Sevastopol are considered. The issue of flood pas-sage P = 0.1% of the provision taking into account the transformation of the flood volume by the reservoir has been investigated. The maximum flood pass with Q0.01% (taking into account the warranty amendment) of all water passage structures of the hydro-node at the filled reservoir up to the NPP elevation as the most responsible measure has been estimated.
Reservoir, flood, capacity, safety, complex of hydraulic structures of reservoir
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 = WФПУ – WНПУ = 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
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/с |
Qк, м3/с |
(Qн+Qк)Δt/2, млн. м3 |
Qсб.н, м3/с |
м БС |
Qсб.к, м3/с |
(Qсб.н+Qсб.к)Δt/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.
1. Volosuhin, Ya.V. Obespechenie bezopasnosti vodopol'zovaniya v Respublike Krym / Ya.V. Volosukhin, D.Yu. Navolokin // Vodosnabzhenie i sanitarnaya tehnika. - 2017. - № 6. - S. 4 - 9.
2. Asarin, A.N. Raschetnye pavodki i bezopasnost' plotin (po materialam SIGB) / A.E. Asarin, V.M. Semenov // Gidrotehnicheskoe stroi-tel'stvo. - 1992. - № 8. - S. 55
3. O sostoyanii sooruzheniy i vozmozhnosti ih ekspluatacii ob'ekta «Chernorechenskoe vodohranilische»: tehnicheskiy otchet / Ya.V. Volosuhin; IKC «Bezopasnost' GTS». - Novocherkassk, 2016. - 121 s.
4. Kalustyan, E.S. Ocenka i rol' riskov v plotinostroenii (s ispol'zovaniem materialov SIGB) / E.S. Kalustyan // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. - 1999. - № 12. - S. 27 - 31.
5. Bezopasnost' Rossii. Enciklopedicheskiy slovar'-spravochnik / Nauch. ruk. 50-tomnogo izd. N.A. Mahutov. - M.: Znanie, 2008. - 528 s.
6. Timchenko, Z.V. Gidrografiya i gidrologiya rek Kryma: monografiya / Z.V. Timchenko. - Smferopol' : IT «ARIAL», 2012. - 290 s.
7. Pavodok, polovod'e, navodnenie - est' li raznica? - URL: https://fireman.club/statyi-polzovateley/pavodok-polovode-navodnenie-est-li-raznitsa (data obrascheniya: 15.10.2019).
8. Pavodki na rekah Sevastopolya. - URL: http://xn--b1amnebsh.xn--80adi0aoagldk8i.xn--p1ai/glavnoe/item/15950-2018-10-08-10-59-28.html (da-ta obrascheniya: 15.10.2019).
9. Gosudarstvennyy vodnyy kadastr. Mnogoletnie dannye o rezhime i resursah poverhnostnyh vod sushi. Tom 2. Vyp. 3. Basseyny Severskogo Donca, rek Kryma i Priazov'ya. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - 362 s.
10. Chernorechenskoe vodohranilische. Pravila ekspluatacii / Ukrgiprovodhoz. - Kiev, 1980. - T/ 1. - 271 s.
11. SP 33-101-2003. Opredelenie osnovnyh raschetnyh gidrologicheskih harakteristik: vveden vzamen SNiP 2.01.14-83: data vvedeniya 01.01.2004. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035578 (data obrasche-niya: 15.10.2019).
12. SP 58.13330.2012 Gidrotehnicheskie sooruzheniya. Osnovnye polozheniya: veden vzamen SNiP 33-01-2003: data vvedeniya 2013-01-01. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200094156 (data obrascheniya 15.10.2019 g.)
13. Enciklopediya bezopasnosti gidrotehnicheskih sooruzheniy (okolo 800 terminov) / Pod obsch. red. V.A. Volosuhina. - Izd. 5-e, ispr. i dop. - Novocherkassk: YuRGPU(NPI), 2017. - 138 s.
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 (data obrascheniya: 05.11.2019).
