Водоем

Водоем

ВОДОЕМ, вместилище для воды, используемой для хозяйственных и промышленных нужд. Когда намеченный ход расхода воды из какого-либо надземного источника не покрывается ходом стока ее, то приходится сооружать искусственный водоем для запаса воды на засушливое время. В период избытка воды таковая накапливается в водоеме с тем, чтобы быть израсходованной впоследствии, когда приток ее в водоем меньше расхода ее.

Необходимая емкость искусственных водоемов м. б. выявлена графическим путем или расчетом. На фиг. 1 представлен график, дающий представление о ходе расхода воды и показывающий способ определения графическим путем минимальной потребной емкости водоема.

График расхода воды

Ломаная линия ZZ (фиг. 1, а) характеризует собой годовой ход прибыли воды, а линия АА показывает годовой ход потребного расхода ее Q. Ограниченные этими линиями площади, лежащие над линией АА и обозначенные плюсом, указывают избыток воды в определенные промежутки времени (избытковые площади), а лежащие ниже линии АА и обозначенные минусом указывают недостаток воды по сравнению с потребностью в ней в соответствующие промежутки времени (недостатковые площади). По линиям ZZ и АА делается построение линии su суммарных разностей (фиг. 1, б) для того же времени; точки 1, 2, 3... этой линии лежат на вертикалях, проходящих через точки 1, 2, 3... пересечения линий ZZ и АА. Ординаты линии суммарных разностей (фиг. 1, б) отвечают соответственным недостатковым и избытковым площадям (фиг. 1, а). Ординаты линий 0—1, 2—3, 4—5 и т. д. на фиг. 1, б, опускающихся вниз и обозначенных минусом (недостатковые линии), отвечают соответственно отрицательным площадям на фиг. 1 , а, в ординаты линий 1—2, 3—4, 5—6 и т. д. на фиг. 1, б, подымающихся вверх и обозначенных плюсом (избытковые линии), отвечают соответственно положительным площадям на фиг. 1, а. Наименьшая емкость Vmin водоема, достаточная для бесперебойного снабжения водой в потребном количестве, д. б. равна наибольшему недостатку ее в период одного, двух и даже трех засушливых годов. На фиг. 1, б этот недостаток, равный Vmin, выражается разностью высот точек 4 и 7, причем в данном случае недостаток воды за время от 4 до 7 прерывается небольшим избытком воды за время 5—6. Для точного выявления величины Vmin надлежит линию суммарных разностей продолжить построением таковой и для следующего года. Низинная точка 7 отвечает порожнему состоянию водоема, а высотная точка 4 отвечает наполненному состоянию его. Избытковая линия 9—10 пересекается в некоторой точке 91 горизонталью х'у', проходящей через высотную точку 4 и представляющей собой высший горизонт воды в водоеме. Избыток воды и1, соответствующий избытковой линии 91—10, стекает через водослив, т. ч. ко времени точки 10 водоем сохранит свой полный объем. Поэтому линия 10—11 перенесется в параллельное ей положение 10'—11', а линия 11—12 займет положение 11'—12'. Таким же образом избыток воды и2, соответствующий избытковой линии 111—12', равной 12'—12", стекает через водослив, т. ч. линия 12—13 перенесется параллельно себе вниз на величину и1 + и2 в положение 12"—13', и т. д. Конечная годовая точка Е' поэтому также опустится на величину и1 + и2 и займет положение Е". Начальная точка для второго года перенесется в точку Е". Если принять для первой половины второго года то же положение прихода и расхода воды, что и для первого года, то линия 0123... суммарных разностей перенесется параллельно себе так, что точка 0 совпадает с точкой Е", причем будет иметь место избыток воды и3, соответствующий избытковой линии З1—4" и выраженный отрезком 4"—4'”. Этот избыток воды и3 стекает также через водослив, т. ч. линия 4'—5'—6'—7' перенесется в положение 4"—5"—6"—7", и точка 7' опустится (подобно точке 4') на величину и1 + и2 + и3 и совпадет с линией ху нулевого горизонта. Ординаты частично оттененной штрихами линии над линией ху показывают имеющиеся, в наличии в определенное время количества воды и соответствующие уровни ее в водоеме. Римские цифры I—XII на фиг. 1, а означают последовательные месяцы года (январь, февраль, март и т. д.).

Если обозначить через Qв количество воды, необходимое для определенных хозяйственных или промышленных целей, через Q­с - количество воды, вытекающее через водослив и необходимое для питания водой местностей, ниже расположенных, через Qy - убыль воды от испарения и просачивания в почву, через Qn — приток воды, равный среднему количеству за время засухи, и через Т - наибольшее число дней засушливого времени при условии, что Qn < Qв + Qc + Qy, то наименьшая емкость водоема будет равна

vodoem 2

причем величины Q д. б. выражены в м3/сутки. Для получения потребного количества воды необходимо, чтобы при наименьшей годовой высоте hr атмосферных осадков и коэффициенте стока ϕ площадь питающего бассейна была

vodoem 3

где Q'в и Q'c м. б. больше, чем минимальные количества Qв и Qс за время засухи. Невозможность получения в одном месте (при одном водоеме) необходимого Vmin или А обусловливает устройство нескольких водоемов. Количество воды ΔQ, вытекающее из водоема в продолжение времени Δt через отверстие с поперечным сечением F, будет равно

vodoem 4

где h - расстояние от центра тяжести отверстия до поверхности воды в водоеме, μ - коэффициент расхода, а g - ускорение силы тяжести. Также велико изменение ΔV объема водоема, т. е.

vodoem 5

Сток из водоема и соответствующее этому стоку понижение Δh горизонта воды в водоеме легко определяются графически (фиг. 2).

Водоем

Определенному промежутку времени Δt отвечает некоторое понижение уровня воды в водоеме, причем если для полного опорожнения водоема потребуется n раз понизить уровень воды в нем в равные промежутки времени Δt, то время, потребное на опорожнение всего водоема, выразится величиной

vodoem 7

Если из водоема вытекает количество воды ΔQ в промежуток времени Δt и в то же время притекает количество z м3/сек, то приток выразится величиной zΔt, а изменение объема водоема за тот же промежуток времени выразится величиной

vodoem 8

Определение этого изменения объема м. б. сделано также графически (фиг. 2), причем наинизший уровень Н воды в водоеме при притоке количества z выявляется простым построением, показанным на фиг. 2.

На фиг. 3 изображены реальные планы, разрез и водо-приходо-расходная диаграмма для водоема емкостью 6,8 млн. м3.

Планы, разрез и водо-приходо-расходная диаграмма для водоема

Сток бассейна запруды за наиболее засушливый год (с июля 1902 г. по июнь 1903 г. включительно) выразился в 25,678 млн. м3. Равномерный суточный расход воды (не считая избыточного запаса воды) получится равным 25678000 : 365 = 70350 м3, а секундный расход будет поэтому равен 0,81 м3. Этот равномерный расход воды выражен на диаграмме горизонтальной штрих-пунктирной линией. Сплошной ломаной линией обозначен годовой ход стока воды, причем абсциссами этой линии служат времена года, в которые производились наблюдения, а ординатами - ежедневно стекающее количество воды. Пользуясь этой диаграммой, можно составить хозяйственный план эксплуатации водоема в виде примерной табл. 3.

Хозяйственный план эксплуатации водоема

Поэтому эксплуатационному плану для данного случая наинизший уровень воды в водоеме отвечает ноябрю (емкость водоема равна 79 тыс. м3), а наивысший уровень воды в водоеме отвечает маю (емкость водоема равна 6126 тыс. м3).

Если водоем используется для силовой установки мощностью N л. с. при КПД η и притом так, чтобы глубина воды в водоеме, подаваемой по закрытому трубопроводу, способствовала повышению полезной высоты падения Н, то при расходе воды Q горизонт воды в водоеме будет понижаться и вместе с тем высота падения Н будет уменьшаться. Чтобы величина N не изменилась, необходимо соблюсти условие

vodoem 11

Для определения наименьшей емкости водоема в этом случае необходимо в уравнении (1) взамен величины Qв подставить некоторую среднюю величину Qcm, равную

vodoem 12

где (фиг. 4)

vodoem 13

Произведение δ1hw представляет собой величину допустимого понижения наивысшего горизонта воды в водоеме, причем hw представляет собой наибольшую полезную глубину воды, означает величину, показывающую, какую часть указанной полезной глубины воды можно использовать для работы турбин, не нарушая условия:

vodoem 14

в среднем δ1 ≈ 0,35; h1 - потеря напора в трубопроводе (фиг. 4).

Водоем

При уравнительном водоеме в пределах суточного запаса воды средняя полезная высота падения Нп для турбины будет равна

vodoem 16

где δ - рабочая глубина воды водоема, а hr - потеря напора в трубопроводе. При запасном водоеме, вмещающем запас воды и на засушливое время, полезная высота падения выразится величиной

vodoem 17

где h'r - потеря напора в трубопроводе, причем h'r > hr.

Искусственные водоемы приходится сооружать для целей водоснабжения, для целей орошения, для силовых установок, для улучшения судоходства и для прочих потребностей. Правильный расчет водоема для всех этих случаев имеет существенное значение в отношении рационального использования водных ресурсов и целесообразной бесперебойной эксплуатации гидротехнических сооружений.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.

Еще по теме: