Способ регулирования стока воды в системе рек водосбора для предупреждения наводнений

 

Изобретение относится к гидротехнике и защите природы. Способ регулирования стока воды заключается в том, что на всей площади водосбора выявляют участки образования паводков, на питающих эти участки руслах рек выявляют участки формирования паводкового стока. На каждом таком участке создают индивидуальную систему регулирования стока реки. Для создания системы регулирования стока реки для каждого участка формирования паводкового стока определяют оптимальное количество временных водохранилищ для накопления и хранения паводковых вод. Производят расчет параметров системы регулирования стока реки. В соответствии с этими параметрами строят системы регулирования стока реки, обеспечивая безопасный беспаводковый сток накопившихся в системах регулирования стока реки паводковых вод на всей площади водосбора. 3 ил.

Изобретение относится к гидротехнике и защите природы.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ регулирования паводкового стока с помощью стационарных водохранилищ, создаваемых в естественных котловинах и других понижениях местности, отстоящих в некотором удалении от реки, или в руслах рек с помощью плотин, предназначенных для образования верхнего бьефа и несущих нагрузку по сдерживанию большого напора воды [1].

К основным недостаткам данного способа относится следующие: - для образования водохранилищ из обращения в сельскохозяйственном (с/х) производстве навсегда отчуждаются значительные площади плодородных земель; - для образования водохранилища реку приходится перегораживать громоздкой плотиной, во время сооружения которой экологической среде наносится большой ущерб; - плотины становятся непреодолимым препятствием на пути мигрирующих на нерест рыб, что препятствует воспроизводству рыбного стада и ведет к оскудению рыбных запасов; - на отдельных участках водохранилища воды его застаиваются, и оно заболачивается, становясь источником неблагоприятной экологической обстановки.

Сущность изобретения выражается в следующем.

Рассмотрим формирование паводка во время таяния снега с наступлением весны. Снег, покрывающий ровным (в той или иной степени) слоем большие площади земной поверхности, с поступлением большого количества тепла начинает интенсивно таять. Талая вода стекает сначала в небольшие многочисленные реки, в которых она, не встречная препятствий на своем пути, устремляется к местам основного стока, или к главной реке.

Если пропускная способность главной реки оказывается равной сумме стоков впадающих в нее рек или превосходит эту сумму, то наводнения не будет.

Обозначим средний расход воды, который имеет место на каждом отдельном участке главной реки водосбора, где в нее впадает питающая ее более мелкая река, как Q_icp, где i - конкретный участок впадения более мелкой реки в главную, при этом i принимает значения натурального ряда чисел от 1 до n. (Вполне очевидно, что по отношению к этой более мелкой реке для своего участка водосбора в дальнейшем можно без ограничений применять все те рассуждения, которые будут относиться к главной реке всего водосбора.) Обозначим средний расход воды питающей реки как q_icp, где i имеет тек же обозначения, что и ранее.

При этом описание режима обычного функционирования главной реки в условиях принятых обозначений будет иметь следующий вид: Обозначим максимально допустимый расход воды главной реки, при котором еще не наступает режим наводнения, как Q_imakc, а такой же расход воды питающей реки - q_iмакс. В этом случае наступает предельный режим функционирования главной реки, который в условиях принятых обозначений будет иметь вид: Для того, чтобы нигде на всем протяжении главной реки наводнение никогда не наступило, должно быть выполнено условие неравенства:

При тех же обозначениях, что в и уравнениях 1 и 2.

Как только это условие будет нарушено, и на каком-либо участке i Q_iмакс станет меньше , т.е. окажется, что

то на этом участке главной реки может сформироваться условие возникновения наводнения.

Для того, чтобы выполнить условие неравенства (3) и обеспечить предупреждение паводка на всем протяжении главной реки, на питающих реках, где отмечалось нарушение неравенства (3) и возникало условие выполнения неравенства (4) в гористой или холмистой местности на участках формирования паводкового стока строят системы регулирования стока реки, которые обеспечат выполнение условия неравенства (3).

Система регулирования стока реки является универсальной и может быть расчитана на пропуск потока воды любой величины для удовлетворения условия неравенства (3) для безопасного стока. Система содержит одно или несколько временных водохранилищ, изображенных на фиг. 1, расположенных в гористой (холмистой) местности в зоне формирования паводкового стока, образующихся на время формирования и расходования воды паводкового стока в строго определенном количестве.

Водохранилища образуются из-за задержки воды в результате строго ограниченной в соответствии с определенным алгоритмом пропускной способности плотин-ограждений (далее плотин), зависящей от алгоритма формирования паводкового стока. Вода, накопленная в водохранилищах во время формирования паводкового стока, в течение какого-то времени будет стекать вместе с регулярным потоком реки в расчетном количестве, обеспечивая безопасный сток накопленной воды.

На фиг. 2 изображен вид спереди одного звена плотины многозвенной конструкции, полностью проницаемой для регулярного потока реки и безопасного потока накопленного паводкового стока. Для формирования каскада временных водохранилищ все плотины имеют рассчитанный алгоритм пропускной способности воды паводкового стока, обеспечивая строго определенное накопление воды в водохранилищах и строго определенный пропуск дополнительного (кроме регулярного) потока воды в русле реки, который гарантирует безопасный сток накопившейся воды.

Ниже приводится типовой пример расчета параметров водохранилищ и пропускной способности плотин системы регулирования стока реки.

Типовой пример расчета параметров объемов временных водохранилищ и пропускной способности плотин системы регулирования стока реки. Обозначим исходные данные для расчетов. Пусть в гористой местности в зоне формирования потока паводка имеем:
V_с - объем стока, формирующегося по закону линейной функциональной зависимости с определенным процентом вероятности.

Q(t) = Kt - функция потока данного стока.

где K - коэффициент, определяющий угол наклона прямой;
t - время, изменяющееся от T₀ до T₁, причем T₀≅t≅T₁.

Q(t)=Q(T₁) - Kt - функция потока данного стока,
где: K - коэффициент, определяющий угол наклона прямой,
t - время, изменяющееся от T₁ до T₂, причем T₁≅t≅T₂.

На фиг. 3 представлен график функции потока данного стока.

Q - регулярный поток воды в русле реки, сток которой регулируется данной системой.

2Q - максимально допустимый поток воды в русле реки, который является безопасным стоком, удовлетворяющим условию неравенства (3).

T_h - начальное время потока нарастающего стока, когда Q(t)>Q - это то время, начиная с которого прибывающий поток воды должен задерживаться и накапливаться в системе регулирования стока на то время, пока накопившаяся вода не стечет в потоке Q, образующем в сумме с потоком реки поток 2Q.

Объем воды, который накопится перед плотинами системы регулирования стока реки (СРСР) и должен задерживаться в ней на время постепенного стока воды с потоком Q, будет равен:

Разделим этот объем воды на ряд объемов, которые должны располагаться во временных водохранилищах СРСР все время, пока эта накопившаяся вода не стечет.

Для того, чтобы в первом водохранилище скопилась половина общего объема стока, необходимо, чтобы пропускная способность плотины, сдерживающей поток Q(t) прибывающей воды, составляла Q(t)/2.

Создадим СРСР в виде каскада из таких водохранилищ с такой же пропускной способностью потока воды каждой последующей плотины по отношению к предыдущей. Вполне очевидно, что при таком делении объема воды предпоследний и последний водоемы каскада будут иметь одинаковый объем.

Для создания СРСР выберем 4 таких промежуточных плотины, которые будут создавать 4 временных промежуточных водохранилища с объемом воды в каждом:

Как видим, таких промежуточных водохранилищ может быть бесконечное множество, и их конечное число определяется различными критериями оптимизации данной системы, как и функция пропускной способности плотин и наполнения водохранилищ. Последнее пятое водохранилище данной СРСР должно вмещать такой же объем воды, как и четвертый водоем системы.

При этом пропускная способность плотин от 1 до 4 будет составлять соответственно:

Пропускная способность плотины последнего водохранилища должна составлять величину Q, которая в сумме с такой же величиной Q потока реки должна равняться максимально допустимой величине стока реки 2Q.

Т. о. в системе водохранилищ, образуемых плотинами за время формирования паводкового объема воды, на это время данный избыточный для стока реки объем воды будет задержан.

К концу периода формирования паводкового стока (при t > T₂) поступление воды прекратится, а накопившаяся вода по принципу сообщающихся сосудов начнет перетекать из одного водохранилища в другое, а также стекать в виде потока Q дополнительного стока реки. При этом в последнем водохранилище каскада и каждом предыдущем, кроме первого, должно помещаться такое количество дополнительной воды, при котором в последнем водоеме каскада не произошло бы переливания воды через край переполнившегося водохранилища в процессе стока этого дополнительного для водохранилищ каскада потока воды.

Т.к. в процессе стока накопившегося объема воды с потоком реки часть воды из водоемов каскада будет перетекать в конце концов в последнее водохранилище каскада в соответствии с формулами пропускной способности плотин, то время стока задержанного объема воды по руслу реки с потоком Q и через предпоследнюю плотину с потоком Q(t)/16 будет одинаковым.

Найдем соотношение объемов стока воды по руслу реки (с потоком Q) и в дополнительную емкость последнего водоема, предназначенную для дополнительного стока в системе сообщающихся сосудов водоемов.

Запишем выражения:
V_1a = Q · T
где
V_1a - объем стекаемой по руслу реки воды накопленного паводкового объема;
Q - стекаемый по руслу реки избыточный поток задержанной воды, равный потоку регулярного речного стока Q;
T - время, за которое вода стечет с потоком Q из объема V_1a.

где
V_2a - объем воды, стекаемый в дополнительную емкость последнего водохранилища;
Q(t)/16 - функция стока накопленной воды в последнее водохранилище;
T - время стока этой воды.

Т.к. V_1a + V_2a = V,
где
V_1a и V_2a - объем воды, обозначенные в (5) и (6),
V - объем воды, который стекает за время T по руслу реки и в дополнительную емкость последнего водохранилища каскада, то:
V_1a = V - V_2a;
V - V_2а = Q · T;

Объемы предпоследнего четвертого и далее третьего и второго водохранилищ имеют дополнительные емкости соответственно в 2, 4 и 8 раз большие размеры, чем дополнительная емкость последнего водохранилища.

Т. о. объемы водохранилищ, составляющих каскад СРСР для данного примера, будут представлять собой:
V₁ = V/2;
где
V₁ - объем первого водохранилища;
V - объем воды, сформировавшийся во время паводкового сбора воды.

где
V_2,3,4,5 - объемы последующих водохранилищ;
Q(t) - функция исходного потока паводкового стока;
Q - поток стока накопившейся воды.

Зная рельеф местности и объем стока с определенным процентом его вероятности, всегда можно отыскать участки местности, размещение на которых водохранилищ и плотин будет производиться при их оптимальных параметрах при обеспечении минимальных затрат на строительство СРСР.

При наличии существенного бокового стока воды в последующие за первым водохранилища, расчет параметров остающегося каскада водохранилищ повторяется для каждого последующего бокового стока, а затем производится последовательное суммирование дополнительных емкостей водохранилищ, к которым эти расчеты имеют отношение, таким образом получая расчет СРСР с распределенным по длине системы паводковым стоком.

Литература:
Сборник статей. Наводнения и борьба с ними, Москва, Знание, 1982, /Новое в жизни, науке, технике, Сер. Науки о Земле/, с. 6.

Формула изобретения

Способ регулирования стока воды в системе рек водосбора для предупреждения наводнений, заключающийся в том, что в естественных котловинах и других понижениях местности с помощью плотин создают для приема паводковых вод водохранилища, отстоящие в некотором удалении от реки или расположенные в русле реки, отличающийся тем, что на всей площади водосбора выявляют участки образования паводков, на питающих эти участки руслах рек выявляют участки формирования паводкового стока, на каждом участке формирования паводкового стока создают индивидуальную систему регулирования стока реки, для чего для каждого участка формирования паводкового стока для накопления и хранения паводковых вод определяют оптимальное количество временных водохранилищ, образуемых с помощью проницаемых для воды и речных животных плотин, для установленного числа временных водохранилищ производят расчет параметров системы регулирования стока реки для каждого участка формирования паводкового стока, на всех участках формирования паводкового стока в соответствии с расчетными параметрами строят системы регулирования стока реки, обеспечивая тем самым безопасный беспаводковый сток накопившихся в системах регулирования стока реки паводковых вод на всей площади водосбора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3