Bài giảng thuỷ văn công trình (đại học thủy lợi)

Thuỷ Văn Cơng Trình
Chương 5: Điều tiết dịng chảy bằng hồ chứa


Nội dung chương 5
I
II
III
IV

Hồ chứa và điều tiết dòng chảy
Phương pháp tính bồi lắng trong kho nước
Các loại tổn thất hồ chứa và phương pháp xác định
Nguyên lý điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

V

Mức đảm bảo thiết kế - Tần suất thiết kế các cơng trình thuỷ lợi

VI

Các tài liệu cơ bản dùng trong tính tốn hồ chứa

VII

Tính tốn điều tiết cấp nước

VIII

Tính tốn điều tiết lũ

I. Hồ chứa và điều tiết dòng chảy
1.
2.
3.
4.
5.

Các yêu cầu về nước và phân loại
Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy
Phân loại điều tiết dòng chảy
Hồ chứa và cơng trình đầu mối
Đặc trưng địa hình hồ chứa và các thơng số chính
của cơng trình


1. Các yêu cầu về nước và phân loại
Các yêu cầu về nước: các hoạt động dân sinh của con
người có những địi hỏi khác nhau về nước.
Các u cầu về nước được đánh giá bởi các đặc trưng:
lượng, chất lượng, động thái và mức đảm bảo. Ví dụ:
Các yêu cầu về tưới được đánh giá bởi lượng nước được
cấp, chất lượng của nước mà nó nhận được, chế độ tưới
và mức đảm bảo cấp.
Yêu cầu về nước cho phát điện được đánh giá bởi công
suất theo thời gian (động thái), tổng điện năng (lượng),
mức đảm bảo của công suất được cấp.

Những đối tượng có yêu cầu về nước gọi chung là các
hộ có yêu cầu về nước

1. Các yêu cầu về nước và phân loại
Phân loại:
Các hộ dùng nước: những hộ có yêu cầu cấp nước
Các hộ tiêu hao nước: là các hộ trong quá trình dùng nước làm
tiêu hao một lượng nước đáng kể mà nó được cung cấp. Ví dụ:
khu tưới, cơng nghiệp, sinh hoạt...
Các hộ sử dụng nước: là các hộ trong quá trình dùng nước khơng
làm tiêu hao hoặc tiêu hao khơng đáng kể lượng nước được cấp.
Ví dụ: thuỷ điện, giao thơng thuỷ, thuỷ sản...

Các hộ có u cầu bảo vệ khỏi mối đe doạ của nước
Khơng có u cầu cấp nước nhưng lại có yêu cầu được bảo vệ
khỏi bị tai hoạ do nước gây ra. Ví dụ: những vùng co nguy cơ bị ô
nhiễm môi trường do nước bị nhiễm bẩn; phòng chống lũ, tiêu
úng...


2. Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy
Sự cần thiết điều tiết dòng chảy
Các nguồn nước trong tự nhiên có đặc điểm:
phân bố khơng đều theo khơng 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

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


2. Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy
Nhiệm vụ điều tiết dòng chảy
Nâng cao lưu lượng mùa cạn: cấp nước, phát điện, giao
thông thuỷ...
Giảm bớt lưu lượng của mùa lũ: Phòng lũ cho hạ du...
Phân phối lại dòng chảy cho phù hợp với nhu cầu


2. Khái niệm và nhiệm vụ điều tiết dòng chảy
Các biện pháp điều tiết dịng chảy:
Biện pháp cơng trình:
Đê
Kè
Kho nước (hồ chứa)
Trạm bơm
Cống…

Trong đó, hồ chứa là biện pháp cơng trình có khả năng làm
thay đổi sâu sắc chế độ dịng chảy sơng ngịi theo thời gian
và khơng gian. Ngồi 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 cơng trình:
Biện pháp nơng nghiệp: bờ vùng bờ thửa, ruộng bậc thang

Biện pháp lâm nghiệp: trồng rừng



3. 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
Đ ề tiết
Điều
ế nhiều
ề năm
ă
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


4. Hồ chứa và cơng trình đầu mối
Hồ chứa là cơng 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 dịng 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

Các cơng trình đầu mối:
Đập chắn
Cơng trình lấy nước: cống lấy nước
Cơng trình tháo lũ: đập tràn tự do, cống ngầm, xi phông hoặc kết
hợp. Các cơng trình tháo lũ có hai hình thức: có cửa đóng mở hoặc
khơng có cửa đóng mở.




5. Đặc trưng địa hình hồ chứa và các
thơng số chính của cơng trình
Đặc trưng địa hình hồ chứa: các thành phần dung tích và
mực nước đặc trưng của hồ chứa:
Dung tích chết và mực nước chết
Dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường
Dung tích siêu cao và mực nước siêu cao
Dung tích kết hợp và mực nước trước lũ
b. Thơng số chính của cơng trình

a.


a. Các thành phần dung tích và mực

nước đặc trưng của hồ chứa
Hsc
Vsc
Vpl

Hbt
Vkh
Htl

H

Vh
Hc
Hhl
Vc

Sơ họa mặt cắt hồ chứa


Dung tích chết và mực nước chết
Dung tích chết (Vc): là phần dung tích dưới cùng của hồ chứa khơng tham gia
vào q trình điều tiết dịng chảy, cịn gọi là dung tích lót đáy.
Mực nước chết (Hc): là giới hạn trên của dung tích chết Vc.
Hc và Vc có quan hệ với nhau theo quan hệ đặc trưng địa hình lịng hồ Z~V.
Ngun tắc lựa chọn:
Chứa đựng tồn bộ bùn cát đến hồ chứa trong thời gian hoạt động của cơng trình Vc
≥Vbl
Bảo đảm đầu nước tưới tự chảy Hc ≥ Zcống=Zruộng + ∆Z + a
Bảo đảm cột nước tối thiểu để phát điện
Bảo đảm mực nước tối thiểu để giao thơng trong mùa kiệt

Bảo đảm dung tích tối thiểu để ni trồng thuỷ sản
Bảo đảm dung tích tối thiểu để du lịch và vệ sinh môi trường


Dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường

Dung tích hiệu dụng (Vh) 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 (Hbt) là giới hạn trên của dung tích hiệu dụng.
Dung tích khống chế phần dung tích chết và dung tích hiệu dụng là:
Vbt = Vc + Vh
Hbt là Vbt có quan hhệ theo đường
ng 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
Tính tốn điều tiết cấp nước xác định các đặc trưng hồ chứa
Căn cứ vào điều kiện địa hình địa chất của vùng 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 (Vsc) là bộ phận dung tích trên cùng của
hồ chứa, làm nhiệm vụ trữ lũ tạm thời trong thời gian lũ
đến cơng trình với mục đích giảm khả năng tháo lũ về hạ
lưu, giảm kích thước cơng trình xả lũ. Cịn gọi là dung tích
gia cường.
Mực nước siêu cao (Hsc) là giới hạn trên của dung tích siêu

cao.
Gọi VT là dung tích tồn bộ hồ chứa: VT = Vc + Vh + Vsc
Hsc và VT 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 (đảm bảo điều kiện ngập cho
phép)
Giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật


Dung tích kết hợp và mực nước trước lũ
Dung tích kết hợp (Vkh) 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 củaVh để
trữ lũ, gọi làVkh. Khi đó, dung tích làm nhiệm vụ phòng lũ của hồ chứa là:
Vpl = Vkh + Vsc.
Vkh sẽ được lấp đầy vào cuối mùa lũ để lấy nước cấp cho thời kỳ mùa kiệt.
Mực nước trước lũ (Ztl) là mực nước giới hạn dưới của dung tích kết hợp
GọiVtl là dung tích trước lũ: Vtl = Vc + Vh –Vkh
Ztl vàVtl có quan hệ theo đường cong Z~V.
Nguyên tắc lựa chọn:
Đủ dung tích điều tiết lũ theo nhiệm vụ chống lũ cho cơng trình
Giảm thiệt hại cho thượng lưu do bị ngập lụt
Đảm bảo an tồn về mặt tích nước vào hồ


b. Thơng số chính của cơng trình
Các cơng trình lấy nước và tháo lũ cần được mô tả đầy đủ về hình thức

kết cấu, cao trình ngưỡng, kích thước và chế độ làm việc của nó.Ví dụ:
TT
a.

c

d

Cơng trình
Đập chính
Hình thức đâp
Cao trình đỉnh đập
Bề rộng mặt đập
Chiều dài đập
Chiều cao đỉnh đập (Hmax)
Tràn xả lũ
Tràn chính
Hình thức tràn
Cao trình ngưỡng tràn
Chiều dài tràn
Chiều rộng tràn
Cống lấy nước
Hình thức cống
Khẩu diện cống
Độ dốc đáy cống
Cao độ đáy cửa vào
Chiều dài cống
Lưu lượng thiết kế

Đơn vị

Tuyến
m
m
m
m
Tuyến
m
m
m

m
m
m
m3/s

Trị số
01
Đập đất
+41
4
400
8
1
Tràn tự do
+39,5
31
56
Cống tròn
D = 0,8
0,002

+33
56,25
0,72


II. Phương pháp tính bồi lắng hồ chứa
Phân loại bùn cát trong sông:
Bùn cát lơ lửng: là loại bùn cát ở trạng thái lơ lửng và
bị dòng nước cuốn theo
Bùn cát di đáy: là loại bùn cát chuyển động theo các
phương thức trượt, lăn hoặc nhảy cóc trên mặt đất ở
đáy sông.


1. Tính tốn lượng bùn cát
Lưu lượng bùn cát lơ lửng trung bình nhiều năm Ro (kg/s)
Lưu lượng bùn cát lơ lửng (suất chuyển cát đơn vị) là trọng lượng bùn cát lơ lửng
chuyển qua một mặt cắt nào đó trong thời gian một giây.
Khi chuỗi tài liệu đo đạc về bùn cát đủ dài thì Ro có thể xác định như trị số trung
bình của tồn chuỗi các trị số lưu lượng bùn cát lơ lửng đo được hàng năm Ri
Khi chuỗi thực đo ngắn cần xây dựng quan hệ giữa lưu lượng bùn cát lơ lửng
hàng năm và lưu lượng trung bình hàng năm để bổ sung và kéo dài tài liệu bùn
cát, sau đó xác định Ro như trường hợp có tài liệu, hoặc có thể dùng cơng thức
đơn giản sau:
Q

R0 =

o

Q

R

Trong đó: Qo: Chuẩn dịng chảy năm (m3/s); Q, R: trị số trung bình của lưu lượng nước và lưu
lượng bùn cát trong thời kỳ đo đạc tương ứng.

Trong trường hợp khơng có tài liệu đo đạc bùn cát người ta thường sử dụng tài
liệu của lưu vực tương tự và bản đồ phân vùng độ đục. Độ đục là trọng lượng bùn
cát được chứa trong một đơn vị thể tích nước, ký hiệu là ρ, đơn vị g/m3
R = ρ.Qo
Trong đó ρ: độ đục trung bình của lưu vực tương tự hoặc xác định theo bản đồ phân khu. Qo: Lưu
lượng nước trung bình nhiều năm


1. Tính tốn lượng bùn cát
Lưu lượng bùn cát di đẩy trung bình nhiều năm
(kg/s)
Tài liệu đo đạc về bùn cát di đẩy thường khơng có, vì vậy
lưu lượng bùn cát di đẩy thường được tính theo một tỷ lệ
nào đó so với bùn cát lơ lửng:
Rođ = β.Ro
Đối với sơng đồng bằng, β = 1 – 10%, trung bình lấy 4%
Đối với sông miền núi, β = 10 – 80%

Khi xác định tỷ lệ cụ thể cho trường hợp thiết kế cần tham
khảo kết quả thực đo của một số trạm có tài liệu trong khu
vực.

2. Tính bồi lắng kho nước
Phương pháp giản hố tính bồi lắng hồ chứa:
Dung tích bồi lắng tổng cộng Vbl: Vbl = Vll+Vdđ
Dung tích bùn cát lơ lửng Vll:

Vll = K bl

Rl 0T

γ

31.5 ×103

Kbl: hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng, với sông đồng
bằng trung bình Kbl = 0.6 – 0.7
γ: dung trọng riêng bùn cát (tấn/m3), những năm đầu sau khi hồ chứa đi vào
hoạt động bùn cát chưa chặt, γ = 0.5 − 0.7 tấn/m3; những năm tiếp theo γ
= 1 − 1.5 tấn/m3
T: thời gian tính tốn dung tích bồi lắng, tính bằng năm (xem TCXDVN 2852002, bảng 7.1, trang 31)
Rl0: lưu lượng bùn cát lơ lửng bình quân nhiều năm (kg/s)

Dung tích bùn cát di đáy Vdđ:

Tính gần đúng bằng 20% - 80% Vll, tùy theo điều kiện vùng xây dựng hồ chứa


III. Các loại tổn thất hồ chứa và
phương pháp xác định
1. Tổn thất do bốc hơi phụ thêm
2. Tổn thất do thấm