Новочеркасск, Ростовская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ГРНТИ 67.21 Инженерные изыскания в строительстве
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ГРНТИ 70.17 Водохозяйственное строительство. Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 38 Строительство
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
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.
Безопасность, комплекс гидротехнических сооружений, водохранилище, паводок, пропускная способность
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. 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).
