CH¬ƯƠNG 2

ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY VÀ TÍNH TOÁN THUỶ NĂNG

 2-1 Nhiệm vụ tính toán thuỷ năng - tài liệu thuỷ văn :

1/ Nhiệm vụ tính toán thuỷ năng :

Đặc trưng của khai thác công trình TTĐ là chế độ thủy năng của nó.hay còn gọi là chế độ làm việc của TTĐ.

Chế độ thuỷ năng được thể hiện qua sự biến đổi lưu lượng, mực nước, cột nước, và công suất theo thời gian ,

Tính toán thuỷ năng là thiết kế chế độ thuỷ năng cho công trình với nhiệm vụ là :

a/ Tính hiệu quả về thuỷ lợi (Q) và năng lượng (công suất, điện lượng) có thể nhận được từ hệ thống công trình thuỷ lợi.

b/ Kết quả của tính toán thuỷ năng là cơ sở để tính toán kích thước chủ yếu của công trình (chiều cao đập, kích thước các hạng mục công trình thuỷ công . . .), chọn các thông số của thiết bị ( kiểu và kích thước, công suất các tổ máy . . .)

c/ Định chế độ khai thác công trình TTĐ để đạt hiệu quả lớn nhất.

- Các công trình TL làm thay đổi chế độ d/c phù hợp với yêu cầu của con người, nhưng con người cũng chịu sự tác động ngược lại trở lại của d/c . Việc xây dựng sẽ sinh ra ngập lụt những khu vực dân cư, đất nông nghiệp, đặc biệt là làm thay đổi môi trường tự nhiên lưu vực, mặt khác việc giảm vận tốc ở thượng lưu làm tăng lượng bùn cát lắng đọng ở hồ chứa và thượng lưu, việc tăng vận tốc d/c ở hạ lưu, và dòng chảy trong hơn sẽ gây sói lở phía hạ lưu nhiều hơn. Những vấn đề nêu trên cần phải được tính toán, cân nhắc kỹ lưỡng khi xây dựng công trình và tính toán thuỷ năng cho công trình.

2/ Tài liệu thuỷ văn :

Vấn đề chủ yếu, quan trọng nhất trong tính toán thuỷ năng là tính toán d/c bao gồm vấn đề dự đoán chế độ d/c trong tương lai, nếu không dự đoán trước chính sác thì không thể thiết kế đúng và định chế độ vận hành hợp lý cho trạm được . Độ đảm bảo và độ vĩnh cửu của công trình phụ thuộc vào mức độ chính xác trong tính toán d/c.

Để đánh giá sự biến đổi của d/c người ta căn cứ vào trị số d/c phân phối theo thời gian trong một thời kỳ thường vài chục năm. Theo các số liệu đó , nhờ các phương pháp nghiên cứu thuỷ văn để thấy được với mức độ xác suất nào đó chế độ d/c có thể sảy ra trong tương lai vận hành của trạm. Những phương pháp đều có tính chất quy ước giới hạn nên không thể xác định một cách chính xác các đặc tính thuỷ văn trung bình và sự sai lệch khác với trị số tương lai.

Số liệu thuỷ văn ban đầu của d/c tại tuyến khảo sát xây dựng công trình gồm :

a/ Lưu lượng lũ ứng với các tần suất khác nhau và dubg tích d/c trong thời kỳ lũ để thiết kế công trình xả nước thường xuyên.

b/ Lưu lượng lũ lớn nhất để xả lũ thi công .

c/Tổng lượng d/c năm và sự phân phối d/c trong năm để tính toán thuỷ năng.

d/ Kích thước hồ chứa (diện tích, dung tích), đường đặc tính hồ chứa để tính toán điều tiết d/c.

e/Dao động mực nước thượng hạ lưu để định các cao trình, tính toán nối tiếp thượng hạ lưu khi tháo lũ, và xác định các trị số cột nước.

f/ Tài liệu về d/c rắn để thiết kế công trình lấy nước và bể lắng cát, tính toán bồi lắng ở thượng lưu và xói lở phía hạ lưu .

Các số liệu thuỷ văn ban đầu là số liệu quan sát ở những trạm thuỷ văn ở tuyến sông gần với vị trí đặt trạm .

Khi chỉ có tài liệu trong một thời gian ngắn, người ta dùng phương pháp thủy văn tương tự với các trạm đo ở lưu vưc lân cận có ttài liệu quan trắc dài hơn. Trong trường hợp này người ta dùng thêm sự liên hệ giữa trị số d/c với lượng nước rơi và các yếu tố khác.

Khi thiếu tài liệu quan sát trực tiếp người ta tính các đặc tính thuỷ văn theo mô duyn d/c (hệ số mô duyn), và sử dụng các bản đồ chuyên môn lập theo phương pháp nội suy thuỷ văn - địa lý .

 2-2 Các đặc tính hồ chứa - Tổn thát d/c - lắng đọng hồ chứa

1/Đặc tính hồ chứa

Đặc tính hồ chứa biểu thị bằng đường cong liên hệ giữa dung tích hồ chứa (W [103 m3] ), diện tích bề mặt nước ( F [ 102 Km2]), và cao trình mực nước thượng lưu (Ztl [m]).

Dung tích nước nằm giữa mực nước tính toán cao nhất ( mực nước dâng bình thường (MNDBT)), và thấp nhất (mực nước chết (MNC)) gọi là dung tích hữu ích (Vhi [103m3]), phần dung tích này để điều tiết d/c . Phần dung tích nằm phía dưới MNC gọi là dung tích chết (Vmnc[103m3]), phần dung tích này bao gồm phần dung tích chứa bùn cát lắng đọng(Vbc[103m3]) tưong ứng với mực nươc bùn cát(Zbc), và phần dung tích nằm giữa MNC và Zbc là phần dung tích tối thiểu bảo đảm bùn cát không cuốn vào cửa lấy nước và hiện tượng chân không trước cửa lấy nước khi hồ chứa vận hành ở MNC (hiện tượng tạo thành phễu xoáy trước cửa lấy nước). Nên công trình lấy nước phải đặt thấp hơn MNC của hồ, vì đôi khi mực nước có thể hạ thấp hơn MNC một ít. Việc đặt tháp hơn MNC một ít để sử dụng thêm phần dung tích phụ của hồ khi hạn hán, hoặc khi cần hõ trợ các trạm điện khác trong hệ thống khi sửa chữa sự cố, hoặc đôi khi cho phép nâng cao MNDBT khi cần hạ thấp đỉnh lũ .

2/ Điện năng tương đương với dung tích có ích của hồ chứa:

Điện năng tương đương với dung tích có ích của hồ chứa (Ehi) có thể biểu thị bằng công thức :

Ehi = H0Vhi [Kgm]

Trong đó H0 - hiệu số Cao trình trọng tâm với mực nước trung bình hạ lưu .

- Trọng lượng riêng của nước [Kg/m3 ]

Tính đến hiệu suất của TTĐ ta được : E0 = Ehi . TTĐ = . TTĐ H0Vhi [Kgm]

Đổi đơn vị sang Kwh với 1 Kwh = 3600 . 102 Kgm, thay = 1000 Kg/m3 ta được : TTĐ H0Vhi = 0,0027 . TTĐ [Kwh]

Lưu ý : Dung tích hồ chứa nói trên với giả định là MNDBT là nằm ngang trên toàn bộ đoạn dâng nước . Trong thời kỳ lũ, đặc biệt trong trường hợp đập không cao lắm , cần tính đến hình dáng của đường cong dâng nước, tới sự tăng thể tích hồ , nghĩa là có một dung tích phụ gọi là dung tích động của hồ.

Hình vẽ dưới đây thể hiện đường cong dâng nước ứng với lưu lượng Q1 và Q2 và hai mực nước tượng lưu tương ứng ZMNC và ZMNDBT, phần dung tích động là phần gạch xiên w1(ứng với Q1) và w2 phần gạch thẳng đứng (ứng với Q2) là phần dung tích do nước dềnh gây nên . phần đường cong ứng với đường cong dâng nước nằm ngang Q = 0 .

Hình vẽ dung tích tĩnh và dung tích động của hồ

Đường cong 1: ứng với dung tích tĩnh Q = 0

Đường cong 2 : ứng với dung tích động Q # 0

3/ Tổn thất hồ chứa:

a/ Thấm :

Nước trong hồ có thể thấm quanh bờ và đáy dưới móng đập.

- Tính toán thấm dưới móng đập theo lý thuyết chuyển động của nước ngầm, dựa vào tính thấm nước của đất nền. Phương pháp tính được giới thiệu trong giáo trình thuỷ công.

- Tính toán thấm quanh bờ được trình bày trong các tài liệu thuỷ văn, địa chất

Các p/p tính toán trên phức tạp và gần đúng, nên trong thiết kế thường dựa trên tiêu chuẩn quy định gần đúng, lượng nước thấm qua một đơn vị diện tích mặt hồ trong phạm vi 300 - 700 mm trong một năm .

b/ Bốc hơi :

lượng nước bốc hơi phụ thuộc vào diện tích mặt thoáng hồ chứa và điều kiện khí hậu (nắng, gió ), lượng bốc hơi tính bằng mm theo một đơn vị thời gian, theo công thức :

Z = En - P + S

Trong đó : En - bốc hơi mặt nước

P - nước rơi ( mưa, tuyết )

S - lượng nước đổ vào sông từ vùng đất bị ngập trong khi hình thành hồ chứa.

Các trị số trên xác định theo các đường đẳng trị, bảng hay các công thức thực nghiệm. Ngoài ra còn tổn thất do băng tuyết tại những nơi có băng tuyết.

4/ Tổn thất do lắng đọng :

Dung tích hồ ngày càng giảm đi do bùn cát lắng đọng lòng hồ. Trước hết bùn cát lắng đọng tại phần thượng nguồn hồ, rồi lượng bùn cát này sẽ từ từ chuyển dịch đến gần đập. Còn lượng bùn cát lơ lửng lắng đều hơn xuống đáy hồ, nhiều nhất ở vùng giữa hồ . Phương pháp duy nhất là làm công trình xả cát, công trình càng lớn và hợp lý thì việc xói rửa càng có hiệu quả nhưng đòi hỏi kinh phí lớn .

Tính toán lắng đọng hồ chứa để xác định dung tích bồi lắng được giới thiệu trong phần tính toán các thông số của TTĐ.

 2-3 Sử dụng tổng hợp dòng chảy :

Công trình thuỷ lợi phải thoả mãn yêu cấu của nhiều ngành kinh tế quốc dân như phát điện, tưới, cấp nước cho công nghiêp., sinh hoạt, nuôi cá, vận tải thuỷ, chống lũ . . . những nhu cầu này thường mâu thuẫn nhau ví dụ về mặt phát điện luôn muốn có mực nước thượng lưu cao, nhưng đối với nhiệm vụ cắt lũ thì muốn có mực nước thấp hơn trong thời kỳ lux để có đủ phần dung tích làm chậm lũ.

Giải quyết vấn đề trên là nhiệm vụ của thiết kế tổng hợp d/c nhằm điều hoà các mâu thuẫn trên. Thiết kế lợi dụng tổng hợp còn giải quyết vấn đề ngập lụt, di chuyển các khu vực dân cư, các cư sở sản suất, đường giao thông ....

phần tính toán các thông số của TTĐ.

 2-4 Các thông số năng lượng của công trình trạm thuỷ điện (TTĐ)

1/ Mức bảo đảm tính toán

Chế độ làm việc của trạm thuỷ điện phụ thuộc rất nhiều vào tình hình nguồn nước. Trong điều kiện thuỷ văn thuận lợi, trạm làm việc bình thường; Găp. mùa rất kiệt, lưu lượng quá nhỏ, công suất của trạm sẽ giảm; Nếu lũ rất to, công suất của trạm thuỷ điện kiểu đập cũng có thể bị giảm do độ chênh mực nước thuợng, hạ lưu bị giảm đánh kể. Việc giảm hoặc cắt điện tất nhiên gây khó khăn và thiệt hại cho các hộ dùng điện.

Để đánh giá mức độ chắc chắc chắn trong việc cung cấp điện của trạm thuỷ điện người ta dùng khái niệm mức bảo đảm tính toán và được biểu thị bằng công thức :

P% = . 100%

Đẻ chọn mức bảo đảm tính toán người ta dựa vào các nguyên tắc sau đây :

1 - Công suất Lắp máy của TTĐ (xem chương 4 hệ thống điện và vai trò của TTĐ trong hệ thống) càng lớn thì P% càng phải chọn cao vì thiệt hại do trạm mất chế độ làm việc bình thường lớn hơn so với trạm có quy mô nhỏ hơn.

2 - Trạm thuỷ điện có tỷ trọng công suất càng lớn so với tổng công suất toàn hệ thống thì P% cang phảI chọn cao, vì khi mất chế độ làm việc bình thường thì hệ thống bị thiếu hụt công suất càng nghiêm trọng.

3 - Các hộ dùng điện cang quan trọng về kinh tế, kỹ thuật thì P% càng phảI chọn cao vì thiệt hại do mất điện cung cấp càng lớn.

4 - Nếu TTĐ có hồ điều tiết lớn , dòng chảy lại tương đối điều hoà thì vẫn co thể chọn P% cao mà vẫn lợi dụng được năng lượng thiên nhien. Trong trường hợp không có hồ điều tiết dài hạn, muốn lợi dụng được nhiều năng lượng dòng chảy thì p% không nên chọn cao .

5 - Một số quy định chọn P% theo các ngành kinh tế quốc dân . . . .

Mức bảo đảm tính toán còn gọi là tần suất thiết kế của TTĐ , tần suất của năm nước nước kiệt thiết kế TTĐ lấy bằng mức bảo đảm tính toán của TTĐ.

2/ Mực nước dâng bình thường

Mực nước dâng bình thường (MNDBT) là mực nước cao nhất mà hồ chứa có thể làm việc bình thường. MNDBT là thông số cơ bản của công trình khai thác năng lượng d/c, nó có tác dụng quyết định đến :

- Các chỉ tiêu năng lượng công trinh

Dung tích hồ chứa, cột nước của TTĐ, Lưu lượng điều tiết, công suất bảo đảm, và điện lượng hàng năm của TTĐ.

- Quy mô công trình

Kích thước các công trình thuỷ công (đậpvà các đập phụ, công trình xả lũ, cửa láy nước, n/m TĐ . . .), diện tích ngập lụt, môi truờng (cân bằng sinh thái) tổn thất)

- Quy hoạch khai thác d/c

Khai thác bậc thang, điều tiết phối hơp , điều tiết lũ .. ..

 Khi thiết kế người ta chọn ra các phương án với các MNDBT khác nhau với khả năng đt d/c (dung tích hữu ích), các thông số năng lượng công trình (lưu lượng, cột nước, công suất . . . ) và dùng các phương pháp tính toán kinh tế để chọn ra phương án tốt nhất.

3/ Độ sâu công tác có lợi, MNC và Vhi

Là khoảng cách từ MNDBT đến Mực nước chết (MNC) của hồ chứa. Phân dung tích ứng với độ sâu công tác (hct) là dung tích điều tiết của hồ chứa (dung tích hữu ích Vhi)

Người ta tính toán chọn hct theo 3 điều kiện sau:

- Theo mục tiêu Emk Ma x

-Theo điều kiên làm việc của TB hct

- Theo diều kiện bồi lắng (Wbl)

a/ Tính hct theo mục tiêu Emk Ma x

Điện lượng mùa kiệt của hồ đ/t năm Emk bao gồm điện lượng do dung tích của hồ chứa cung cấp ( Ehồ) và điện lượng d/c trong mùa kiệt cung câp (Etn)

Emk = Ehồ + Etn = 9.81 . TTĐ . Vhi . HtbTTĐ + 9.81 . TTĐ . Qtbmk . HtbTTĐ Tkiet Ta nhận thấy rằng Vhi . HtbTTĐ biến đổi theo hct ( quan hệ W & Ztl )

Qtbmk = = Tổng lưu lượng các tháng kiệt/ số tháng kiệt

HtbTTĐ cột nước trung bình TTĐ trong mùa kiệt

HtbTTĐ = Ztl (tương ứng với 1/2 Vhi trên quan hệ W&Ztl) - Zhl(Qtbmk)

- lập bảng tính toán Emk tương ứng với các giá trị hct khác nhau

- vẽ quan hệ hct-- Emk từ đường quan hệ ta xác định được trị số Emk lớn nhất và sác định hct thoả mãn mục tiêu Emk Ma x , và xác định được MNC theo điều kiện trên.

b/ Tính hct theo điều kiện bồi lắng

Dung tích bồi lắng trong hồ chứa được tính bằng công thức : Wbl =

K hệ số tính đến khả năng lắng đọng bùn cát = 0.8

mật độ phù sa ( 0.08 Kg/m3 )

tuổi thọ công trình ( 50 - 100 năm )

Tổng lượng d/c trung bình hàng năm

dung trọng bùn cát 0.5 T/m3 (500Kg/m3)

Sau khi xác định được Wbl dựa vào đường đặc tính hồ chứa ta xác định được mực nước thượng lưu ứng với dung tích bồi lắng . trong thiết kế sơ bộ lấy chuều cao cửa lấy nước từ 4 - 8 m ta xác định được mực nước chết và độ sâu công tác theo điều kiện bồi lắng.( xem hình vẽ m/c hồ chứa ở phần trên)

c/ Tính hct theo điều kiện làm việc của TB

Điều kiện đảm bảo nâng cao cột nước của TTĐ, tránh hiện tượng khí thực cho TB. thường lấy hct

với mục đích nâng cao cột nước trung bình của TTĐ đảm bảo an toàn điều kiện khí thực cho TB. Từ trị số hct trên, ta xác định được MNC theo điều kiện này.

Trong thiết kế sơ bộ, người ta lấy MNC theo điều kiện bồi lắng làm giới hạn, và hct theo hai mục tiêu để lựa chọn, thường người ta chọn theo điều kiện Emua kiệt Ma x để tính toán..

4/ Công suất bảo đảm của TTĐ (Nbđ)

Nbđ của TTĐ là công suát bình quân năng lượng của d/c trong thời kỳ nước kiệt thiết kế có tần suất bằng mức bảo đảm tính toản của TTĐ.

Là thông số năg lượng cơ bản của TTĐ, nó quyết định trị số công suất lắp máy, khả năng phủ đỉnh biểu đồ phụ tải của TTĐ (xem chương 3 - Hệ thống điện) .

1/ Xác định Nbđ của TTĐ điều tiết năm

a/ Xác định Nbđ theo năm nước kiệt thiết kế:

Nbđ = 9.81 . TTĐ . Qbq mk . HtbTTĐ

. Qbq mk lưu lượng bình quân mùa kiệt trong năm nước kiệt thiết kế (bảng tính điều tiết của năm kiệt thiết kế)

HtbTTĐ = Ztl (tương ứng với 1/2 Vhi trên quan hệ W&Ztl) - Zhl(Qddtmk)

b/ Xác định Nbđ theo đường tần suất công suất trung bình mùa kiệt.

Nội dung cơ bản của p/p này xác định các trị số Ntbmk của liệt năm thuỷ văn

bằng phương trình :

Ntbmk = 9.81 . TTĐ . Qtbmk . HtbTTĐ

Trong đó : - TTĐ hiệu suất trung bình của TTĐ , sơ bộ lấy bằng 85%

Qtbmk = = Tổng lưu lượng các tháng kiệt/ số tháng kiệt

HtbTTĐ cột nước trung bình TTĐ trong mùa kiệt

HtbTTĐ = Ztl (tương ứng với 1/2 Vhi trên quan hệ W&Ztl) - Zhl(Qtbmk)

Sau đó vẽ đường tần suất Ntbmk của liệt năm thuỷ văn (P= f (Ntbmk) , rồi từ mức bảo đảm tính toán tìm ra Nbđ ứng với tần suất tk

Pi (Ni) = n/m+1

Với n số thứ tự của Ntbmk từ lớn nhất đến nhỏ nhất (i = 1,2,3,....n)

c/ Xác định Nbđ theo nhóm năm thuỷ văn tính toán , hay liệt năm thuỷ văn quan sát.

Từ các tài liệu cơ bản trên, và trị số dung tích đt của hồ chứa, người ta tính đt theo thứ tự thời gian (trình bày dưới đây) và tính được các trị số công suất trung bình trong các thời đoạn tính toán (tháng) , lập đường tần suất công suất, và xác định được Nbđ theo tần suất tiết kế của TTĐ.

2/ Xác định Nbđ của TTĐ điều tiết ngày

Trong các p/p tính Nbđ thì p/p tính theo đường tần suất d/c là hợp lý hơn cả. Nôi dung cơ bản của p/p như sau :

-- tính Ntb thời đoan ( ngày) theo lưu lượng trung bình ngày (Qtb ngày) và cột nước của TTĐ là Htb ngày = Ztl (ứng với 1/2 Vđt ngày) - Zhl(Qtb ngày)

sau đó xây dựng đường tần suất theo Ntb & P =f(N) để xác định Nbđ cho TTĐ điều tiết ngày.

 2-5 Nhiệm vụ của điều tiết dòng chảy các hình thức điều tiết

1/Tính cần thiết của điều tiết d/c :

Tính toán điều tiết dòng chảy là nhờ công trình thuỷ lợi, phân phối lại chế độ d/c theo thời gian phù hợp với yêu cầu của con người.

a/ Xét trường hợp TTĐ làm việc theo chế độ d/c năm không điều tiết :

Đồ thị dưới đây thể hiện đường cong quan hệ lưu lượng theo thời gian (năm).

Nếu ta coi gần đúng cột nước hiệu dung (Hhd) và hiệu suất của thiét bị ( thiết bị) là không đổi thì đường cong quan hệ lưu lượng theo thời gian (Q & t) sẽ đồng dạng với đường cong biểu thị công suất của d/c (Nd/c) theo thời gian, trong một tỷ lệ nhất định nó sẽ biểu thị công suất của d/c theo thời gian ( Nd/c & t ).

Trên đồ thị diện tích nằm giữa đường cong lưu lượng và trục hoành là dung tích d/c trong khoảng thời gian t1 đến t biểu thị theo công thức :

W =

Tương tự như thế diện tích nằm giữa đường cong công suất d/c theo thời gian với trục hoành biểu thị điện lượng của d/c Ed/c sản ra trong khoảng thời gian từ t1 đến t khi chưa điều tiết ( không có phân phối lại d/c theo thời gian) .

Ed/c =

- Nếu đồ thị phụ tải năm yêu cầu như đường cong 1 thì Nd/c chỉ đáp ứng được một phần rát nhỏ yêu cầu phụ tải. phần thiếu hụt điện lượng thiếu hụt thể hiên ở khoảng trống trên đồ thi biểu đồ phụ tải.

- Nếu đồ thị phụ tải năm yêu cầu như đường cong 2 thì Nd/c đáp ứng được một phần yêu cầu phụ tải còn một phần điện năng bị tiêu phí ( phần gạch chéo )

- Nếu đồ thị phụ tải năm yêu cầu như đường cong 3 thì Nd/c đáp ứng được toàn phần yêu cầu phụ tải còn một phần lớn điện năng bị tiêu phí ( phần gạch chéo và phần gạch thẳng đứng )

Đồ thị lưu lượng và công suất của trạm theo d/c năm

1, 2, 3, - Đồ thị phụ tải năm của hệ thống điện theo phương án 1, 2, 3

4 - phần điện lượng đáp ứng được cho phụ tải theo phương án 2

5 - phần điện lượng thừa của d/c nếu phụ tải yêu cầu theo phương án 2

- phần khoảng trống giữa đường cong 6 và trục tung 2 phía đường cong là phần điện lượng còn thiếu khi phụ tải yêu cầu theo phương án 1

b/ Trạm TĐ làm việc theo chế độ d/c ngày:

Cũng xét tương tự như đối với d/c năm coi đường cong quan hệ lưu lượng theo thời gian và công suất theo thời gian là đồng dạng .

Đặc điểm của TTĐ làm việc theo chhế độ d/c ngày là lưu lượng d/c và công suất hầu như không thay đổi, nhưng công suát yêu cầu của phụ tải trong ngày lại biến động nhiều như đồ thị dưới đây :

Đường cong 1 biểu thị công suất yêu cầu của phụ tải trong ngày

Đường cong 2 biểu thị biến đổi lưu lượmg và công suất của d/c trong ngày

Diện tích phần gạch chéo là điện lượng còn thiếu theo yêu cầu phụ tải

Diện tích phần gạch thẳng đứng là điện lượng thừa của d/c

- Như vậy qua hai trường hợp trên ta thấy sự cần thiết phải phân phối lai chế độ d/c nhằm trữ lại phần điện lượng thừa của d/c trong thời gian mà phụ tải không yêu cầu để cung cấp cho phụ tải trong thời điểm mà điện lượng còn thiếu của d/c.

2/ các hình thức điều tiết

a/ Điều tiết nhiều năm : Trữ lai lượng nước trong nhóm năm nhiều nước để bổ sung nước cho nhóm năm thiếu nước , chu kỳ dao động mực nước trong hồ chứa kéo dài theo nhóm năm nhiều nước và nhóm năm ít nước

b/ Điều tiết năm : Trữ lại lượng nước thừa trong mùa lũ để sử dụng trong mùa kiệt, mực nước trong hồ dao động teo cu kỳ một năm.

c/ Điều tiết năm không hoàn toàn (điều tiết mùa) : trường hợp dung tích hồ không đủ để chứa tất cả lượng nước mùa lũ .

d/ Điều tiết tuần : Trữ nước lại trong những ngày nghỉ để dùng trong những ngày làm việc.

e/ Điều tiết ngày: khi lưu lượng trong ngày đêm hầu như không đổi, dùng hồ chứa điều tiết để trữ nước khi phụ tải ít và phát điện vào giờ cao điểm trong ngày .

f/ Điều tiết lũ : khác với các loại hình điều tiết trên, hồ chứa có một phần dung tích phòng lũ để tích một phần lượng nước lũ và xả dần phần dung tích này, nhằm giảm vận tốc d/c trong thời điểm lớn nhất trong thời gian lũ.

 2- 6 Các phương pháp tính toán điều tiết

Cơ sở của tính toán thuỷ năng là giả định chế độ thuỷ văn trong tương lai của d/c . Hiện nay người ta dùng hai loại biểu thị chế độ thuỷ văn trong tương lai .

- Một loại mgười ta dựa vào sự liên tục tuần tự của d/c

Từ các liệt số thuỷ văn quan trắc được xem như là chế độ thuỷ văn trong tương lai.

Từ các liệt số thuỷ văn quan trắc người ta rút ra được các năm thuỷ văn điển hình với các tần suất khác nhau : năm lũ điển hình (1%, 2%), năm nhiều nước (10%), năm nước trung bình (50%), năm ít nước (75%), năm nước kiệt (85%, 90%). Những năm thuỷ văn trên gọi là những năm thuỷ văn tính toán.

- ưu điẻm của p/p dựa vào sự liên tục tuần tự của d/c để tính toán, xây dựng đường cong diễn biến chế độ d/c theo thời gian là rõ ràng , nên phương pháp tính toán theo sự liên tục tuần tư d/c được dùng phổ biến .

- Một loại khác từ liệt số thuỷ văn quan sát được người ta dùng phương pháp tính toán xác suất thống kê xây dựng các đặc trưng thống kê của liệt số như đường phân bố xác suất của d/c năm (dạng hình chuông), hệ số biến hoá CV, hệ số lệch CS biểu thị đặc tính hình dạng đường cong phân bố xác suất của d/c năm Cách biểu thị này gọi là biểu thị theo xác suất.hay còn gọi là tính toán theo đặc trưng khái quát của các sự vật, hiện tượng.

P/P được sử dụng hợp lý trong tính toán điều tiết nhiều năm,khuyết điểm cơ bản của cách dùng p/p thống kê để tính toán là không thể xem hình thành chế độ d/c là hiện tượng ngẫu nhiên. Nhiều yếu tố xác định d/c có tính chất chu kỳ hoặc liên hệ với các hiện tượng có t/c quy luật như sự thay đổi của phản sạ mặt trời, sưc chuyển động của trái đất, hoạt động của con người, vì vậy việc việc sử dụng p/p thống kê để phân tích d/c là yếu tố có tính quy luật là không hợp lý.

Tóm lại P/P thống kê toán học là sử dụng đường cong dẫn suát để tính toán điều tiết . P/P dùng số liệu liên tục của d/c là dùng đường quá trình lưu lượng của thời kỳ quan trắc để tính toán cân bằng nước theo thời gian, bài giảng chỉ giới thiệu p/p cân bằng nước theo thời gian, còn p/p thống kê toán học có thể tham khảo thêm ở giáo trình môn học thống kê toán hoc,

P/P tính điều tiết cân bắng theo liệt số tuần tự d/c hay đường quá trình lưu lượng bao gồm hai p/p : p/p lập bảng tính cân bằng nươc, và p/p đồ giải (p/p dùng đường cong luỹ tích)

 2-7 Tính toán điều tiết bằng phương pháp đồ giải (dùng đường cong luỹ tích)

I/ Đường cong luỹ tích

1/ vẽ đường cong luỹ tích

Đường cong luỹ tích là đường thể hiện lượng nước chảy đến hồ chứa từ thời điẻm nào đó đến thời điểm cho trước thể hiện bằng phương trình :

Wt =

Trong đó Qi - lưu lượng trung bình trong thời đoạn ti

K - số thời đoạn trong chu kỳ t

Để tính toán điều tiết (đ/t) ngày, chọn = 1 -2 giờ, mùa hay năm = 10 ngày hay 1 tháng, nhiều năm = mùa hay năm.

Cách vẽ đường cong luỹ tích như sau :

Đặt trên trục hoành thời gian t (với tỷ lệ theo chiều dài hợp lý nào đó ví dụ : nếu vẽ đường luỹ tích cho đ/t năm thì căn cứ vào tài liệu thuỷ văn hàng năm với lưu lượng trung bình tháng, và ta nên chọn = 1 tháng = 2.6 x 106 gy , trên trục hoành ta chọn 2cm = 20 mm tương ứng với = 1 tháng thi tỷ lệ thời gian là n = 2.6 x106 gy/ 20 = 13x104gy/mm, trên trục tung tổng dung tích lượng nước đến. Wt (tương tự như việc định tỷ lệ thời gian trên trục hoành, tỷ lệ dung tích trên trục tung cũng căn cứ vào chiều rộng giấy vẽ thường có thể chọn tỷ lệ dung tích m= 10 m3/mm) từ đó ta được đường cong 0 - 1- 2 - 3 - 4 (như hình vẽ) gọi là đường luỹ tích d/c .

Nếu lưu lượng không đổi thì phương trình trên có dạng đường thẳng Wt = Q.t..

Nếu trên hình vẽ ta vẽ đường thẳng OA qua gốc toạ độ (t=0) và một điểm nào đó trên đường luỹ tich tương ứng với t = T thì tang của góc của đường thằng với trục hoành bằng : tg = . = Qtb. từ đó Qtb.= tg .

Trong đó : n - tỷ lệ thời gian trên trục hoành

m - tỷ lệ dung tích trên trục tung

Qtb - Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian T

Do đó hệ số góc của đường OA biểu thị lưu lượng trung bình trong trong khoảng thời gian T

Theo tính chất của đồ thị thì lưu lượng trung bình trong thời đoạn (từ t0 đến t1) nào đó được xác định theo công thức :

Qtb = và khi -0 thì là giá trị đạo hàm của hàm số Wt tại điểm to là hệ số góc của tiếp tuyến tại điểm t0 và Qtb biểu thị lưu lượng tức thời Q tại điểm t0

Như vậy đường cong luỹ tích có những tính chất cơ bản sau đây :

a/ khi lưu lượng không đổi trong một thời đoạn nào đó thì đường luỹ tích là một đường thẳng, khi lưu lượng bằng 0 thì nó là một đường thẳng // với trục hoành

b/ Lưu lượng trung bình trong một thời đoạn nào đó biểu thị bằng độ dốc đối với ttrục hoành của cát tuyến nối điểm đầu và điểm cuối của đường luỹ tích tương ứng với thời đoạn đang xét .

c/Lưu lượng tức thời chảy đến một tời điểm nào đó biểu thị bằng độ dốc tiếp tuyến của đường luỹ tích tại điểm đó.

d/ Chuyển dịch đường luỹ tích song song với bản thân nó không làm thay đổi lưu lượng .

2/ vẽ chùm tia tỉ lệ lưu lượng

Chùm tia lưu lượng là một nhóm đường thẳng, mỗi đường thẳng có một độ dốc tương ứng với một giá trị lưu lượng nhất định .

Từ điểm 0 tuỳ ý ta định trên trục hoành một đoạn ( khoảng cách điểm cực) theo tỷ lệ thời gian bằng một đoạn nào đó thường lấy = 107gy ( nếu chọn khoảng cách điểm cực có chiều dài là 50 mm trên giấy vẽ thì tỷ lệ thời gian n= 107/50=2x 105gy/mm.

Tự cho các trị số Q , thường chọn những trị số tròn cách khoảng bằng nhau như 10, 20, 30, 40, 50, . . . .m3/gy . Sau đó tính các trị số dung tích tương ứng W= Q. và đặt trên đoạn thẳng đứng từ điểm cuối khoảng cách cực theo một tỷ lệ dung tích định chọn ví dụ m= 103 m3/mm. Nối các điểm Q1, Q2 . . . .với cực gốc 0 ta có các tia có độ dốc tương ứng với các trị số Q đã chọn.

3/ Dùng tia lưu lượng để vẽ đường cong luỹ tích trong hệ toạ độ vuông góc:

Vẽ đường cong luỹ tích theo tia tỷ lệ lưu lượng trong hệ toạ độ vuông góc

Trên hệ toạ độ vuông góc bắt đầu từ gốc toạ độ , trong khoảng thời gian 1 ta có Q = Q2 trên chùm tia lưu lượng , nên từ 0 kẻ đường // với tia Q2, trong khoảng 2 ta có Q trong khoảng thời gian này có trị số bằng Q3, nênta kẻ đường ab // với tia Q3 , trong khoảng thời gian 3 , lưu lượng Q trong khoảng thời gian này có trị số bằng Q1, nên ta vẽ đoạn bc // với tia Q1 , cư thế tiếp tục vẽ cho các đoạn sau . Việc chia khoảng là căn cứ vào trị số trong khoảng thời gian đó hầu như không đổi , nên các khoảng không nhất thiết bằng nhau .

4/Dùng tia lưu lượng để vẽ đường cong luỹ tích trong hệ toạ độ xiên :

Cách vẽ đường cong luỹ tích trong hệ toạ độ vuông góc là rất rõ ràng, tuy nhiên do đặc tính của đường luỹ tích với thời gian dài, đường sẽ tăng lên đòi hỏi chiều cao bản vẽ phải tăng cao sẽ mất cân đối và lãng phí giấy . muốn tránh người ta phải tăng tỷ lệ dung tích điều đó làm giảm độ cchính sác của trị số . Để tăng độ chính sác người ta vẽ nó trong hệ toạ độ xiên.

Ta biết rằng lưu lượng d/c trong các năm đều dao động quanh trị số lưu lượng của năm trung bình nước, nên ta chuyển đường luỹ tích trong hệ toạ độ vuông góc sang hệ toạ độ xiên như sau :

Từ chùm tia lưu lượng, đặt tia tương ứng với lưu lượng trung bình Qtb trong thời kỳ khảo sát nằm theo phương ngang (hình vẽ), trục tung để thẳng đứng, trục hoành (trục thời gian) quay quanh điểm 0 theo chiều kim đồng hồ . Lưu lượng bé hơn lưu lượng trung bình biểu thị bằng các tia nghiêng xuống , còn lưu lượng lớn hơn Qtb biểu thị bằng các tia nghiêng lên phía trên. Bắt đầu vẽ ta đặt trị số . Qtb. dưới tia tương ứng với Qtb, đường Qtb. trên trục hoành xuất phát từ điểm mút của đoạn xuống phía dưới và ta sác định được điểm cuối S, nối O S, tia O S có độ dốc nhất ứng với lưu lượng bằng không (Q = 0) . để vẽ các tia còn lại, từ điểm S, ta đặt về phía trên các đoạn có trị số Q1 , Q2 , Q3 . . . vẽ các tia qua điểm cuối các đoạn đó tương ứng với các trị số lưu lương Q1, Q2. Q3 . . . . Đoạn R1 là dung tích chảy đến công trình trong thời gian từ 1 đến 2 , dung tích dòng chảy trong khoảng thời gian 2 được minh hoạ bằng nét đứt góc dưới phía trái đồ thị.

II/ Tính điều tiết bằng đường cong luỹ tích

1/ Tính đ/t d/c với lưu lượng không đổi

Giả sử trong khoảng thời gian t ta tháo ra từ hồ chứa với lưu lượng trung bình không đổi trong suốt thời gian là Q tb , muốn vậy, người ta vẽ từ gốc toạ độ một đường thẳng OA có độ dốc tương ứng với Qtb . Tung độ của đường thẳng là biểu thị dung tích Qtb . t, nghĩa là phần dunh tích tháo ra từ hồ. Do đó hiệu tung độ của đường luỹ tích và đường thẳng OA sẽ biểu thị phần dung tích trữ lại trong hồ (kể từ thời điểm ban đầu nếu trị số đó dương, nếu hiệu số đó âm sẽ biểu thị phần dung tích còn thiếu).

Ví dụ tại thời điểm T2 , dung tích nước chảy đến hồ vượt quá nước tháo ra khỏi hồ trị số sác định bởi đoạn B - 2 nghĩa là hồ tích nước. Tương tự như thế tại thời điểm T1 nước chảy ra từ hồ sác định bởi đoạn C- đến trục hoành, dung tích chảy đén hồ tại thời điểm này (W1) sác định bằng đoạn 1 - đến trục hoành, như vậy dung tích còn thiếu sác định bằng đoạn C - 1. Tai những điểm giao nhau giữa đường luỹ tích và đường O - A là thời điểm dung tích tháo bằng dung tích nước chảy đến.

Nếu thời kỳ đ/t là khoảng thời gian T - T1 với lưu lượng trnng bình không đổi (Qtb) như trên thì đường có độ dốc tương đương với Qtb (đường O-A) sẽ được dịch chuyển // đến thời điểm bằt đầu đ/t ( điểm 1) và điểm cắt đường luỹ tích (điểm D) sẽ ứng với cuối thời kỳ điều tiết dung tích trữ lại trong hồ lớn nhất là phần dung tích W1-2 là dung tích hồ cần thiết để đ/t trong thời kỳ T - T1 với phương án tháo nước Q =Qtb trong suốt thời kỳ đ/t .

Đường OA thể hiên diễn biến lượng nước tháo ra từ hồ được gọi là đường đặc tính khai thác hay còn gọi là đường đặc tính sử dung d/c(đường tháo nước).

- Như vậy qua phương pháp tính điều tiết bằng đường luỹ tích trên ta có kết luận sau :

1/ Hiệu số tung độ giữa đường đặc tính khai thác, và đường luỹ tich cho ta biết diễn biến dung tích hồ chứa trong thời gian đ/t .

2/ Lưu lượng d/c đến tại từng thời điểm đ/t (bằng độ dốc của đường thẳng tiếp tuyến với đường luỹ tích d/c đến tai thời điểm đó (đường néy đứt xuất phát từ điểm 2 trên đường luỹ tích)

3/ Lưu lượng tháo ra từ hồ chứa tại thời điểm nào đó bằng độ dốc của đường tiếp tuyến với đường đặc tính sử dụng tại thời điểm đó. ( trong giả định trên, lưu lượng lấy ra từ hồ là không đổi, nên đường đăc tính khai thác là một đường thẳng,nên độ dốc của nó không đổi, biểu thị lượng không đổi trong thời kỳ đ/t).

4/ Nếu lưu lượng tháo ra từ hồ (lưu lượng điều tiết) chứa bằng lưu lượng d/c đến (nghĩa là hồ không điều tiết, và cũng thể hiện khả năng tháo nước lớn nhất của hồ) thì đường đặc tính khai thác // với đường luỹ tích d/c đến,với khoảng cách (theo phương trục tung) là dung tích điều tiết của hồ. Đường đặc tính khai thác trong trường hợp này gọi là đường bổ trợ (hay có thể hiểu đường đặc tính khai thác trong trường hợp dung tích hồ luôn luôn đầy và lưu lượng tthiên đến bao nhiêu thì tháo ra khỏi hồ bấy nhiêu) . Mọi phương án đ/t đều có lưu lượng đ/t nhỏ hơn lưu lượng tháo lớn nhất (hồ không đ/t) nên các đường khai thác với các phương án khác nhau đều nằm giữa đường luỹ tích d/c đến và đường bổ trợ.

5/ Từ kết quả của p/p cho ta diễn biến dung tich hồ chứa, và lưu lượng tháo ra từ hồ (lưu lượng điều tiết), kết hợp với đường đặc tính hồ chứa cho ta biết dao động mực nước thượng, hạ lưu, và tính được cột nước, công suất của TTĐ tại từng thời điểm trong thời gian đ/t. và tính được công suât bảo đảm và các trị số cột nước đặc trưng của TTĐ.(xem phần tính toán công suất bđ của TTĐ.

2/ Tính điều tiết năm trong hệ toạ độ vuông góc

Từ đồ thị tia lưu lượng với lưu lượng trung bình trong thời đoạn = 10 ngày một. và tài liệu của năm thuỷ văn tính toán, ta vẽ đường luỹ tích d/c đến O-A-B-C-D .của năm thuỷ văn tính toán.

Với phương án điều tiết năm hoàn toàn ( Qđt = Q0 ( lưu lượng trung bình năm)) ta làm theo thứ tự sau: Vẽ đường thẳng OD qua gốc toạ độ và điểm cuối gặp đường luỹ tích tại điểm D, đường này có độ dốc tương ứng với lưu lượng trung bình của năm thuỷ văn tính toán (bởi vì nó là trị số trung bình của 12 trị số lưu lượng của 12 tháng của năm thuỷ văn tính toán). di chuyển đường này xuống dưới đến khi tiếp súc với đường luỹ tích tại điểm thấp nhất (điểm A) ta được đường khai thác (đường tháo nước) với lưu lượng điều tiết Qđt bằng Q0 (nếu di chuyển lên phía trên thì lượng nước tháo luôn luôn lớn hơn lượng nước chảy đén), điểm A là thời điểm hồ cạn hoàn toàn, điểm cao nhất của đường luỹ tích (điểm c) là thời điểm hồ đầy, mực nước hồ là MNDBT, khoảng cách từ điểm c đến đường đặc tính khai thác (điểm c/) là dung tích hữu ích của hồ W1 , độ dốc của đường tiếp tuyến với đường luỹ tích (đường cs) // với đường khai thác có độ dốc tương ứng với Qđt bằng Q0 .

Với phương án điều tiết năm với lưu lượng thay đổi thì đường khai thác nằm giữa đường luỹ tích và đường bổ trợ, giả sử như đường b - b/ - b// - b///, khoảng cách giữa điểm cao nhất của đường luỹ tích đến khai thác (đoạn c - c// ) là dung tích hữu ích của hồ đt với lượng thay đổi .

3/ Tính toán điều tiết mùa trong toạ độ xiên

Hình vẽ dưới đây cho ví dụ tính toán điều tiết mùa.

Với phương án điều tiết năm hoàn toàn nghĩa là Qđt = Q0 (lưu lượng điều tiết bằng lưu lượng trong bình năm của năm tính toán), như vậy hồ phải có dung tích hữu ích là W1 . Đường khai thác là đường thẳng A1 - B1 nối hai điểm thấp nhất của đượng luỹ tích tương ứng với thời điểm đầu mùa lũ và cuối mùa kiệt của năm.

Với phương án điều tiết năm không hoàn toàn hồ có dung tích W2

Khoảng cách giữa đường khai thác và đường luỹ tích thể hiện diễn biến dung tích hồ trong năm điều tiết .

4/ Tính toán điều tiết nhiều năm trong toạ độ xiên :

Hình vẽ trên thể hiện phương án điều tiết nhiều năm bằng đường luỹ tích trong toạ độ xiên thể hiện quá trình d/c đến trong 57năm. đường thẳng O F thể hiện đưòng tháo nước không đổi lớn nhất trong khoảng từ năm thứ 1 đến năm thứ 43 với dung tích để đt theo phương án này là W1 rất lớn. Đường thẳng FK thể hiện khả năng tháo nước không đổi từ năm thứ 43 đến năm thứ 51 với dung tích hồ là W3 nhưng vẫn có thời kỳ không đủ nước từ năm 51 đến năm 53 . Dường bổ trợ với dung tích điều tiết nhiều năm W2 và đường đặc tính khai thác ABCDÈHK nằm giữa đường luỹ tích và đường bổ trợ . Từ đường khai thác trên thời gian hồ cạn là năm thứ 43 và năm thứ 57. Cách tính toán và cách vẽ tương tự như đối với hồ đt năm.

-Hiểu được cách tính đt theo phương pháp đồ giải trên, ta dễ dàng nắm được cách điều tiết lũ, lập đường điều tiết điều phối và các dạng đt bằng p/p đồ giải khác.

 2-8 Tính toán điều tiết bằng phương pháp lập bảng ;

Tương tự như phương pháp đò giải, tài liệu ban đầu để tính toán là dãy năm thuỷ văn quan sát, hoặc những năm thuỷ văn tính toán và dung tích hữu ích của hồ chứa. Dưới đây giới thiệu lập bảng để tính đt cho một năm tính toán, các năm khác cũng tính toán tương tự. Các bước tính như sau :

- Bước 1 : Lập đồ thị quan hệ d/c năm của năm tính toán (Q t). Trên đồ thị ta đặt giá trị lưu lượng bình quân năm (Qo= với i = 1 - 12 tháng ) , đường thẳng Qo chia đường quan hệ Q t thành hai mùa là mùa lũ và mùa kiệt (như hình vẽ)

- Bước 2 :

a/ Tìm trị số lưu lượng đt mùa lũ tương ứng với dung tích hữu ích, ta làm như sau : Ta biết rằng với một trị số Qđt trên trục tung , ta kể một đường nằm ngang , phần diện tích giữa đường nằm ngang với đường Q t là phần dung tích hữu ích tương ứng với Qđt ấy, nếu ta giả định một số trị số điều tiết mùa lũ (Qdtlũ ) ta tìm được một số trị số Vhi tương ứng . Tập hợp các trị số Qdtlũ giả định và các trị số Vhi tương ứng ta xây dựng đường cong qua hệ giữa Qdtlũ và Vhi . Từ Vhi đã có, dóng lên đường quan hệ ta có Qdtlũ phải tìm.

b/ Tìm trị số Qdtkiệt ứng với Vhi, ta cũng làm tương tự như đối với Qdtlũ.

Trị số lưu lượng điều tiết mùa lũ, mùa kiêt, tìm được cũng định ra thời gian trữ nước và cấp nước của hồ chứa (xem hình vẽ).

- Bước 3 :

Lập bảng tính toán điều tiết cho liệt năm quan sát , hay các năm thuỷ văn tính toán, từ bảng tính điều tiết cho ta diễn biến dung tích, cột nước và công suất của TTĐ từng thời đoạn (tháng), từ đó ta tiến hành lập đường tần suất công suất của TTĐ và tìm được công suất đảm bảo và điện lượng đảm bảo cho TTĐ. (Bảng tính toán đt được minh hoạ dưới đây.

Lưu ý rằng ngày nay với phần mềm AutoCAD ta không phải mất công lập quan hệ Qdt Vhi, mà từ một trị số ta có thể có được trị số thứ hai nhờ cách tính diện tích vùng khép kín trên bản vẽ của AutoCAD.

Hình vẽ đường quan hệ Q t của năm thuỷ văn lưu lượng điều tiêt hồ chứa.

Bảng tính toán điều tiết cho năm thuỷ văn tính toán theo quân hệ Q t trên

Thời

đoạn

(tháng) Lưu

lượng

thiên

nhiên

[m3/s]

Lưu

lượng

TTĐ

[m3/s]

(m3/s)

(106m3) Vtb

tháng

(103m3) Ztl

(m) Zhl

(m) HTTĐ

(m) Ntb tháng

(+) (-) (+) (-)

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12)

V 0 Vc MNC

VI + +

VII + +

VIII + +

IX + +

X 0 Vhi MNDBT

XI 0 Vhi MNDBT

XII _ _

I _ _

II _ _

III _ _

IV +,-- Vc MNC

Ghi chú:

Mực nước thượng lưu (Zhl) tại mỗi thời đoạn (tháng) lấy tương ứng với dung tích của đầu thời đoạn cộng với 1/2 phần dung tích tăng thêm hay giảm đi trong thời đoạn ấy tra trên đường đặc tính dung tích hồ.

Mực nước hạ lưu (Zhl) trong thời đoạn tương ứng với QTTĐ trong thời đoạn tra trên đường quan hệ Q Zhl.