Патент на изобретение №2228996

(54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ ПАВОДКОВОЙ ВОДОЙ ГОРНОЙ РЕКИ СЕЛЬХОЗУГОДИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к гидроэнергетике, мелиоративной технике направлено на выработку электроэнергии и на исключение разрушающего действия паводковых вод в сезон интенсивных продолжительных ливней в горах. Способ включает сообщение водозабора с герметичным напорным водоводом, размещение каскада деривационных гидроэлектростанций с возрастанием КПД по направлению потока. Водозабор осуществляют из водохранилища, образованного на горной реке строительством плотины на нижней границе выпадения интенсивных осадков. Напорный водовод напрямую сообщают с береговой границей моря или озера с помощью напорного деривационного водовода, регулируя расход воды с помощью затворов или переводом гидроагрегатов в режим электронасоса, перекачивая воду по другому трубопроводу в сельхозугодья с целью орошения. При использовании способа снимается проблема непредсказуемой, чрезвычайной ситуации в нижней части русла реки, обеспечивается выращивание культур с более длительным вегетационным периодом. 1 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике, а также к мелиоративной технике, и может быть использовано на горных реках, где преобладает муссонная циркуляция, а максимум осадков на верхние бассейны рек приходится на лето, когда с океана в глубину континента или острова устремляется поток влажного воздуха.

Известно, что паводок – сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, возникающее в результате быстрого таяния снега при оттепели, ледников. Особенно наглядно выражены паводки муссонного происхождения, сливающиеся летом или осенью в одну волну половодья, вызывающие наводнение.

Если паводок образуется вследствие быстрого увеличения расхода воды в верхней части бассейна реки, то он распространяется вниз по течению с большой скоростью, достигающей 45 км/час на горном участке, тогда как на равнинном участке 5 км/час и меньше.

Известны из источников научно-технической литературы [1] способы предотвращения паводка, включающие плотину – гидротехническое сооружение, перегораживающее реку, для подъема уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Водохозяйственное значение плотины многообразно: подъем уровня воды и увеличение глубины в верхнем бъефе благоприятствует судоходству, лесосплаву, а также водозабору для нужд орошения и водоснабжения; сосредоточение напора у плотины создает возможность энергетического использования стока реки: наличие водохранилища позволяет регулировать сток, т.е. увеличивать расход воды в реке в меженные периоды и уменьшать максимальный расход в паводок, способный привести к разрушительным наводнениям. Плотина и водохранилище существенно воздействуют на реку и прилегающие территории: изменяются режим стока реки. температура воды, и т.д. Плотина обычно является основным сооружением гидроузла.

Водохранилища создают для перераспределения стока рек во времени, а совместно с каналами и другими водопроводящими сооружениями – и по территории. Они являются основой разностороннего использования водных ресурсов. Необходимость создания водохранилищ обусловлена большой неравномерностью в распределении стока рек в течение года, значительной изменчивостью годового стока и неравномерным распределением его по территориям. Различают водохранилища суточного, сезонного или (годичного) или многолетнего регулирования. Объем водной массы водохранилища, следовательно, и площадь зеркала, глубина и прочее подвержены сезонным изменениям в связи с неравномерностью естественного притока воды и ее потреблением для нужд народного хозяйства (см. также) [2].

Обвалование [3 и 4] – система заградительных земляных валов (защитных дамб), устраиваемых вдоль берегов рек, озер, водохранилищ и морских побережий для защиты прилегающей территории от временного затопления при подъеме уровня воды в паводок, во время прилива и ветрового нагона воды. Фронт отвалования обычно состоит из одного, реже двух рядов дамб, расположенных вдоль береговой линии или по периметру участка защищаемой территории (кольцевое обвалование). На случай местного прорыва валов паводком устраивают траверсы (поперечные дамбы), разделяющие защищаемую территорию на ряд отсеков и локализующие ее затопление.

Обеспечить устойчивое земледелие на плодородных прибрежных и пойменных землях (в частности, в низовьях и дельтах рек) можно лишь устройством обвалования.

А также дренаж сельскохозяйственных земель, способ осушения земель при помощи подземных искусственных водотоков – дрен. Дренаж применяют для осушения избыточно увлажненных земель – осушительный дренаж, который необходим на землях, где глубина залегания грунтовых вод меньше нормы осушения. В сельхоз практике применяют в основном горизонтальный систематический (равномерно распределенный на осушаемой территории) трубчатый дренаж – систему труб в виде сплошных дренажных линий. Грунтовая вода поступает в стыки между трубами или отверстиями в трубах под действием разности напоров, в связи с чем глубина закладки дрен должна быть больше нормы осушения. Дренаж более интенсивно работает в “критические периоды” усиленного питания грунтовых вод – обычно весной и осенью.

Указанные способы предотвращения паводка и методы устранения последствий, причиненных пойменным землям наводнением, обладают низкой эффективностью вызванной низкой скоростью пробега паводковых вод по низменному руслу реки (5 км в час) в береговую часть моря или озера, а также малой скоростью течения грунтовых вод по подземным, искусственным, дренажным водотокам к водоприемнику.

Следовательно, большие площади наиболее плодородных земель при наводнении оказываются выведенными из сельскохозяйственного пользования из-за затопления и дальнейшего избыточного переувлажнения (повышения уровня грунтовых вод) на неопределенное время. Кроме того, водохранилища на коротких реках с выпадением осадков мусонного происхождения имеют малый суммарный объем водной массы и поэтому являются ненадежными перераспределителями стока рек во времени. А гидротехнические сооружения, предназначенные для предотвращения паводка, особенно земляные, обладают высокой аварийностью и в паводок часто прорываются потоками воды. В результате долины вдоль русла и пойма реки подвергаются периодическому непредсказуемому разрушению и затоплению.

Известен каскад деривационных гидроэлектростанций [5], где приведено описание способа получения электроэнергии.

Способ предусматривает сообщение водозабора с герметичным напорным водоводом, размещение каскада деривационных гидроэлектростанций с резервным гидроагрегатом, при котором турбины гидроэлектростанций каскада располагают с возрастанием КПД по направлению потока.

Его недостатком является то, что его использование не исключает затопление поймы реки при паводке, а также разрушение сооружений вдоль русла реки, поскольку в нем не предусмотрено строительство плотины на нижней границе выпадения интенсивных осадков, а также не предусмотрена возможность напорного водовода пропускать паводковый объем воды помимо деривационных гидроэлектростанций в береговую часть моря или озера.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеприведенных недостатков прототипа.

Поставленная задача решается описываемым способом, включающим сообщение водозабора с герметичным напорным водоводом, размещение каскада деривационных гидроэлектростанций с резервным гидроагрегатом, при котором турбины гидроэлектростанций каскада располагают с возрастанием КПД по направлению потока.

Новым является то, что водозабор осуществляют на нижней границе выпадения интенсивных осадков горной реки из водохранилища, образованного строительством плотины, а напорный водовод напрямую сообщают с береговой границей моря или озера с помощью напорного деривационного водовода, регулируя расход воды с помощью затворов или переводом гидроагрегатов в режим электронасоса, перекачивая воду по другому трубопроводу в сельхозугодья с целью орошения.

Отмеченные отличительные признаки, по нашему мнению, являются существенными, поскольку позволяют получить новый положительный эффект, не свойственный известным объектам.

Отметим, что холостой сброс паводковой воды крайне расточителен, потому что вода является энергоносителем и в то же время обязательным компонентом практически всех технологических процессов – как сельскохозяйственного, так и промышленного производства. При этом многократно увеличивается пропускная способность за счет концентрации напора в напорном деривационном водоводе. Однако предлагаемое решение оправдано надежной защитой сельхозугодий от затопления, так как холостой сброс паводка в береговую часть моря или озера по существу представляет собой управляемый отъем паводковой воды из водохранилища.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображены: влагооборот, водохранилище, плотина, напорный деривационный водовод и две ступени каскада гидроэлектростанций.

Способ осуществляют следующим образом.

Известно, что под влиянием тепла, исходящего от солнца 1, происходит испарение воды с поверхности моря 2 с переносом водяного пара 3 на расстояние. Движущееся вверх по склонам гор воздушное течение 4, обильно насыщенное теплым водяным паром 3, взаимодействует со стекающим с гор охлажденным воздушным течением 5. С высотой пары воды, охлаждаясь, превращаются в облачные системы 6 и 7. На высотах более километра над уровнем моря, на наветренных склонах гор, над верхним бассейном реки осадков из облаков 6 выпадает в 2-5 раз больше, чем из облаков 7 над холмисто-равниной частью бассейна реки.

В результате крайне неравномерным выпадением осадков над бассейном реки, особенно муссонного происхождения, создаются условия для развития непредсказуемой, неуправляемой ситуации в долинах и пойме с частым выходом паводковых вод из русла 8 реки.

Следовательно, для устранения непредсказуемой ситуации в естественном русле 8 реки образуют водохранилище 9, например, плотиной 10, выполненной на нижней границе выпадения интенсивных осадков и являющейся одним из основных гидротехнических сооружений первой ступени каскада гидроэлектростанций, в теле которой размещены: водосброс 11 – гидротехнический узел, поддерживающий совместно с впадающими ниже плотины 10 притоками уровень воды в нижнем течении реки, а также водозаборная часть 12, соединенная с напорным деривационным водоводом 13, с которым сообщен турбинный водовод 14 с основным гидроагрегатом 15. Турбинный водовод 14 перекрывают затворами 16 и 17. Резервный турбинный водовод 18 с резервным гидроагрегатом 19 перекрывают затворами 20 и 21. В месте расположения первой ступени каскада, напорный деривационный водовод 13 перекрывают затвором 22.

Вторая ступень каскада сообщена с напорным деривационным водоводом 13 турбинным водоводом 23 с основным гидроагрегатом 24. Турбинный водовод 23 перекрывают затворами 25 и 26, резервный турбинный водовод 27 с резервным гидроагрегатом 28 перекрывают затворами 29 и 30. В месте расположения второй ступени каскада напорный деривационный водовод 13 перекрывают затвором 31 и оборудуют водоотводящим водоводом 32, сообщая его с береговой границей моря 2.

Напорный деривационный водовод 13 размещают вдоль русла 8 реки, при этом напорным водоводом может служить также подземный водовод, устроенный в земной коре склона, склонов гор без вскрытия лежащей над ним массы грунта, тогда как гидроагрегаты ступеней каскада гидроэлектростанций могут быть размещены как в скальной выработке, так и на открытом грунте.

Вода из водохранилища 9, при закрытых затворах 22 и 31, поступает по водозаборной части 12, турбинному водоводу 14 в гидроагрегат 15, а затем в нижерасположенный гидроагрегат 24, приводя в движение гидротурбины.

В паводок, способный привести к разрушительному наводнению, паводковая вода из водохранилища 9, при открытых затворах 22 и 31, сбрасывается напрямую помимо гидроагрегатов 15 и 24 и русла 8 реки в береговую часть моря 2 напорным деривационным водоводом 13.

Таким образом, в межень способ осуществляет выработку электроэнергии и работает как энергетический объект, тогда как в паводок, способный нанести урон посевам, способ защищает посевы от затопления паводковой водой и пойму реки от избыточного переувлажнения и выполняет больше мелиоративную, чем энергетическую функцию. Кроме того, в зависимости от притока воды из зоны формирования паводка осуществляется плавный переход от энергетического к мелиоративно-энергетическому режиму работы и наоборот, за счет изменения (уменьшения, увеличения) проходного сечения затворов 22 и 31.

Важной составляющей осуществления способа является перевод последнего гидроагрегата 24 в режим насоса (электронасоса), использующего электроэнергию от другой электростанции, что позволит увеличить пропускную способность и дальность прокачки воды основного водовода 13, а также при необходимости избыток паводковой воды перекачивается по водоотводящему водоводу 32 в искусственный водоем с целью накопления.

Благодаря этому обеспечивается защита от эрозии плодородных низменностей вдоль русла реки, орошение посевов в сухой сезон, а также транспортировка от береговой границы моря паводковых объемов воды, первоначального качества.

Основным технико-экономическим преимуществом изобретения является то, что водозабор осуществляется из водохранилища, образованного на нижней границе выпадения интенсивных осадков, предотвращая наводнение, а также загрязнение паводковых вод, при этом повышается КПД использования речного стока.

Таким образом, при использовании способа снимается проблема непредсказуемой чрезвычайной ситуации по течению реки и особенно нижней части русла реки, обеспечивается выращивание культур с более длительным вегетационным периодом.

Источники информации

1. Большая советская энциклопедия (БСЭ), 1975 г., том 20, стр.46-47.

2. БСЭ, 1971 г., том 5, стр.199, 200.

3. БСЭ, 1974 г., том 18, стр.175.

4. БСЭ, 1972 г., том 8, стр.496-498.

5. Патент РФ, №2050434, опубл. в БИ №35, 1995 г.

Формула изобретения

Способ предотвращения затопления паводковой водой горной реки сельхозугодий, включающий сообщение водозабора с герметичным напорным водоводом, размещение каскада деривационных гидроэлектростанций с резервным гидроагрегатом, при котором турбины гидроэлектростанций каскада располагают с возрастанием кпд по направлению потока, отличающийся тем, что водозабор осуществляют из водохранилища, образованного на горной реке строительством плотины на нижней границе выпадения интенсивных осадков, а напорный водовод напрямую сообщают с береговой границей моря или озера с помощью напорного деривационного водовода, регулируя расход воды с помощью затворов или переводом гидроагрегатов в режим электронасоса, перекачивая воду по другому трубопроводу в сельхозугодья с целью орошения.

РИСУНКИ