Chương 8: Hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa pps

Phần II Điều tiết dòng chảy
Nội dung:

Chương 8: Hồ chứa và điều tiết dòng chảy
bằng hồ chứa

Chương 9: Tính toán hồ chứa điều tiết cấp
nước

Chương 10: Tính toán hồ chứa điều tiết lũ

Chương 11: Biểu đồ điều phối
Tài liệu: Giáo trình “Thủy văn công trình”

CHƯƠNG 8:
Hồ chứa
và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

I. Khái niệm chung

Sự cần thiết điều tiết dòng chảy:
–
Các nguồn nước trong tự nhiên có đặc điểm:

phân bố không đều theo không gian

phân bố không đều theo thời gian
–
Nhu cầu về nước của con người cũng biến đổi theo không
gian và thời gian

–
Tuy nhiên, sự biến động nhu cầu về nước của con người
và sự biến động dòng chảy tự nhiên thường lệch pha nhau

Khái niệm điều tiết dòng chảy

Điều tiết dòng chảy là tất cả các tác động
của con người vào dòng chảy tự nhiên nhằm
phân phối lại dòng chảy tự nhiên theo thời
gian, không gian cho phù hợp với yêu cầu
dùng nước, sử dụng nước và phòng chống
lũ lụt

Các biện pháp điều tiết dòng chảy

Biện pháp công trình:
–
Đê
–
Kè
–
Kho nước (hồ chứa)
–
Trạm bơm
–
Cống…
Trong đó, hồ chứa là biện pháp công trình có khả năng làm
thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy sông ngòi theo thời gian và
không gian. Ngoài ra, hồ chứa còn làm thay đổi thế năng và
động năng ở những vị trí cục bộ. Điều này được ứng dụng để

xây dựng các nhà máy thủy điện.

Biện pháp phi công trình:
–
Biện pháp nông nghiệp: bờ vùng bờ thửa, ruộng bậc thang
–
Biện pháp lâm nghiệp: trồng rừng

Phân loại điều tiết dòng chảy

Theo nhiệm vụ:
–
Điều tiết phục vụ nông nghiệp
–
Điều tiết phục vụ phát điện
–
Điều tiết phục vụ công nghiệp
–
Điều tiết lợi dụng tổng hợp…

Theo chu kỳ điều tiết:
–
Điều tiết năm
–
Điều tiết nhiều năm
–
Điều tiết tuần
–
Điều tiết ngày đêm


Các bài toán điều tiết đặc biệt:
–
Điều tiết lũ
–
Điều tiết bổ sung
–
Điều tiết bậc thang
–
…

Kho nước

Kho nước là nơi trữ nước với dung tích lớn
nhỏ khác nhau:
–
Bể chứa nước kín: bể bằng kim loại, đá xây hoặc bê tông,
được đặt ở trên cao (các tháp nước), trên mặt đất hoặc
dưới nước
–
Bể chứa nước hở: được xây dựng trên mặt đất hoặc vừa
đào vừa đắp.
–
Kiểu hồ chứa: được xây dựng ngay trên các khe suối, trên
sông bằng các đập chắn ngang sông

Hồ chứa và các công trình đầu mối

Hồ chứa là công trình trữ nước nhân tạo
được xây dựng trên các khe suối, trên sông
bằng các đập chắn ngang sông.


Chức năng chính của hồ chứa là làm ổn định
dòng chảy bằng cách điều tiết khả năng cấp
nước của dòng chảy tự nhiên hoặc thỏa mãn
các yêu cầu về nước khác nhau của các hộ
dùng nước.

Hồ chứa và các công trình đầu mối
(tiếp)

Các công trình đầu mối:
–
Đập chắn
–
Công trình lấy nước: cống lấy nước
–
Công trình tháo lũ: đập tràn tự do, cống ngầm, xi phông
hoặc kết hợp. Các công trình tháo lũ có hai hình thức: có
cửa đóng mở hoặc không có cửa đóng mở.

Một số hình ảnh về hồ chứa

II. Các tài liệu cần thiết cho tính toán
điều tiết dòng chảy

Tài liệu khí tượng thuỷ văn

Tài liệu địa hình địa chất

Tài liệu dân sinh kinh tế

a) Tài liệu khí tượng thủy văn

Tài liệu Khí tượng:
–
Lượng và quá trình thay đổi theo không gian và thời gian của
mưa, bốc hơi, nhiệt độ, độ ẩm, gió, độ bức xạ, số giờ nắng …
–
Các đặc trưng bốc hơi thiết kế

Tài liệu Thủy văn: đặc biệt là các đặc trưng thủy văn thiết kế
–
Tình hình địa lý thủy văn của lưu vực
–
Tài liệu dòng chảy năm và sự thay đổi dòng chảy trong năm, trong
nhiều năm (lượng và phân phối dòng chảy năm thiết kế)
–
Tài liệu dòng chảy lũ (đỉnh lũ, lượng lũ và quá trình lũ thiết kế)
–
Tài liệu dòng chảy kiệt (dòng chảy kiệt thiết kế)
–
Tài liệu dòng chảy bùn cát…

b) Tài liệu địa hình địa chất

Tài liệu địa hình:
–
Các quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ Z~V, Z~F

Quan hệ Z~F được xây dựng từ bản đồ địa hình vùng lòng

hồ

Quan hệ Z~V được xây dựng dựa theo quan hệ Z~F với
cách tính ∆V gần đúng như sau:

Tài liệu địa chất:
–
Tình hình đất đai thổ nhưỡng vùng xây dựng lòng hồ
( )
iiii
ZFFV ∆+=∆
+1
2
1
( )
iiiiii
ZFFFFV ∆++=∆
++ 11
3
1
Hoặc

Quan hệ Z~V~F của hồ chứa

c) Tài liệu dân sinh kinh tế

Tài liệu yêu cầu về nước:
–
Yêu cầu dùng nước: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt …
–

Yêu cầu sử dụng nước: phát điện, giao thông, nuôi trồng thủy
sản, du lịch, bảo vệ môi trường …
–
Yêu cầu phòng lũ

Các tài liệu dân sinh kinh tế khác:
–
Dân cư và phân bố dân cư ở hạ lưu và thượng lưu hồ
–
Các tài nguyên thiên nhiên: rừng, khoáng sản, các tài nguyên
khác nằm trong vùng ảnh hưởng của hồ
–
Các hoạt động kinh tế vùng bị ảnh hưởng
–
Các vấn đề chính trị, xã hội và dân tộc
Ghi chú: Mức độ chi tiết của các loại tài liệu này tùy thuộc và tính
chất và quy mô của của hệ thống công trình

III. Các thành phần dung tích
và mực nước của hồ chứa
Sơ họa mặt cắt hồ chứa
Vc
Vh
Vsc
Vkh
Vpl
Hc
Htl
Hbt
Hsc

Hhl
H

a) Dung tích chết và mực nước chết

Dung tích chết (V
c
): là phần dung tích dưới cùng của hồ chứa
không tham gia vào quá trình điều tiết dòng chảy, còn gọi là
dung tích lót đáy.

Mực nước chết (H
c
): là giới hạn trên của dung tích chết V
c
.

H
c
và V
c
có quan hệ với nhau theo quan hệ đặc trưng địa hình
lòng hồ Z~V.

Nguyên tắc lựa chọn:
–
Chứa đựng toàn bộ bùn cát đến hồ chứa trong thời gian hoạt động
của công trình V
c
≥ V

bl
–
Bảo đảm đầu nước tưới tự chảy H
c
≥ Z
cống
=Z
ruộng
+ ∆Z + a
–
Bảo đảm cột nước tối thiểu để phát điện
–
Bảo đảm mực nước tối thiểu để giao thông trong mùa kiệt
–
Bảo đảm dung tích tối thiểu để nuôi trồng thuỷ sản
–
Bảo đảm dung tích tối thiểu để du lịch và vệ sinh môi trường

Phương pháp giản hóa tính bồi lắng
hồ chứa

Dung tích bồi lắng tổng cộng V
bl
:
V
bl
= V
ll
+V
dđ


Dung tích bùn cát lơ lửng V
ll
:
–
K
bl
: hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng
–
γ: dung trọng riêng bùn cát (tấn/m
3
)
–
T: tuổi thọ công trình
–
R
l0
: lưu lượng bùn cát lơ lửng bình quân nhiều năm (kg/m
3
)

Dung tích bùn cát di đáy V
dđ
:
–
Tính gần đúng bằng 20% - 80% V
ll
, tùy theo điều kiện vùng xây
dựng hồ chứa
6

0
105.31 ×=
γ
TR
KV
l
blll

Dung tích hiệu dụng và mực nước dâng
bình thường

Dung tích hiệu dụng (V
h
) là phần dung tích nằm phía trên dung tích
chết Vc, làm nhiệm vụ điều tiết cấp nước cho các đối tượng dùng
nước. Còn gọi là dung tích hữu ích.

Mực nước dâng bình thường (H
bt
) là giới hạn trên của dung tích hiệu
dụng.
–
Dung tích khống chế phần dung tích chết và dung tích hiệu dụng là:
V
bt
= V
c
+ V
h
–

H
bt
là V
bt
có quan hệ theo đường cong Z~V

Nguyên tắc lựa chọn:
–
Căn cứ vào đường quá trình nước đến thiết kế
–
Căn cứ vào đường quá trình nước dùng thiết kế
–
Căn cứ vào điều kiện địa hình địa chất của vùng hồ chứa
–
Tính toán điều tiết cấp nước xác định các đặc trưng hồ chứa
–
Lựa chọn các đặc trưng thiết kế của hồ chứa theo các điều kiện kinh tế và
kỹ thuật.

Dung tích siêu cao và mực nước
siêu cao

Dung tích siêu cao (V
sc
) là bộ phận dung tích trên cùng của hồ
chứa, làm nhiệm vụ trữ lũ tạm thời trong thời gian lũ đến công
trình với mục đích giảm khả năng tháo lũ về hạ lưu, giảm kích
thước công trình xả lũ. Còn gọi là dung tích gia cường.

Mực nước siêu cao (H

sc
) là giới hạn trên của dung tích siêu
cao.
–
Gọi V
T
là dung tích toàn bộ hồ chứa: V
T
= V
c
+ V
h
+ V
sc
–
H
sc
và V
T
có quan hệ theo đường cong Z ~ V.

Nguyên tắc lựa chọn:
–
Căn cứ vào đường quá trình lũ thiết kế đến hồ
–
Căn cứ vào yêu cầu phòng lũ ở hạ du
–
Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất, dân sinh kinh tế vùng xây
dựng hồ chứa
–

Giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật

Dung tích kết hợp và mực nước
trước lũ

Dung tích kết hợp (V
kh
) là dung tích vừa làm nhiệm
vụ cấp nước vừa làm nhiệm vụ phòng lũ
–
Ở một số hồ chứa, vào đầu mùa lũ người ta tận dụng một
phần của V
h
để trữ lũ, gọi là V
kh
. Khi đó, dung tích làm nhiệm
vụ phòng lũ của hồ chứa là: V
pl
= V
kh
+ V
sc
.
–
V
kh
sẽ được lấp đầy vào cuối mùa lũ để lấy nước cấp cho
thời kỳ mùa kiệt.

Mực nước trước lũ (Z

tl
) là mực nước giới hạn dưới
của dung tích kết hợp
–
Gọi V
tl
là dung tích trước lũ: V
tl
= V
c
+ V
h
– V
kh
–
H
tl
và V
tl
có quan hệ theo đường cong Z~V.

Các loại tổn thất khi xây dựng hồ chứa

Tổn thất do bốc hơi phụ thêm

Tổn thất do thấm

Tính toán tổn thất do bốc hơi phụ thêm

Trước khi xây dựng hồ chứa, trên bề mặt lưu vực có lượng bốc

hơi gọi là bốc hơi lưu vực Z
lv
.
–
Do bề mặt lưu vực rất đa dạng nên lượng bốc hơi lưu vực trên
thực tế rất khó đo đạc
–
Lượng bốc hơi lưu vực bình quân nhiều năm có thể xác định dựa
trên phương trình cân bằng nước viết cho lưu vực.
Z
lv0
=Z
0
=X
0
-Y
0
(Trường hợp lưu vực kín)

Sau khi xây dựng hồ chứa làm ngập một phần lưu vực và phần
bị ngập này sẽ có lượng bốc hơi là bốc hơi mặt nước Z
n
.

Thông thường Z
n
>Z
lv.

Lớp bốc hơi phụ thêm (mm): ∆Z = Z

n
-Z
lv


Lượng bốc hơi phụ thêm (m
3
): W
bh
= ∆Z. F.10
3


Bốc hơi phụ thêm thiết kế

Xác định lượng bốc hơi phụ thêm ứng với tần suất thiết kế:
–
Lựa chọn tần suất tính toán P
z
:

Trường hợp 1: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là chặt chẽ
thì lựa chọn P
z
=1-P
y

Trường hợp 2: Quan hệ giữa lượng mưa và lượng bốc hơi là không
chặt chẽ thì lựa chọn P
z

=50%

Trường hợp 3: Nếu ít tài liệu thì lấy năm có lượng bốc hơi lớn nhất
–
Xác định lượng bốc hơi mặt nước bình quân nhiều năm Z
n0
–
Xác định lượng bốc hơi phụ thêm bình quân nhiều năm:
∆Z
0
= Z
n0
-Z
lv0
–
Lựa chọn các đặc trưng thống kê: C
v
, C
s
–
Xác định lượng bốc hơi phụ thêm thiết kế
∆Z
pz
=

f(∆Z
0
, P
z
,C

v
,C
s
)

Bốc hơi phụ thêm thiết kế (tiếp)

Xác định phân phối bốc hơi phụ thêm thiết kế:
–
Xác định lượng bốc hơi mặt nước ứng với tần suất thiết
kế Z
np
–
Mượn dạng phân phối bốc hơi mặt nước tính bình quân
trong nhiều năm Z
ni
~ t
–
Tính tỷ số thu phóng:
–
Tính lượng bốc phụ thêm từng tháng theo công thức:
∆Z
i
= KZ
ni
np
p
Z
Z
K

∆
=