Лекция4 ВХБ. 7. водохозяйственный баланс водохозяйственный баланс сопоставление располагаемых водных ресурсов с требуемыми объемами и режимом водопотребления, с целью удовлетворения потребностей в воде населения и отраслей народного хозяйства
 Скачать 258.5 Kb.
|
|
7. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС Водохозяйственный баланс - сопоставление располагаемых водных ресурсов с требуемыми объемами и режимом водопотребления, с целью удовлетворения потребностей в воде населения и отраслей народного хозяйства. Водохозяйственный баланс (ВХБ) является основой планирования использования водных ресурсов и предназначен для целей:
7.1 Водохозяйственный баланс и водный баланс территории Водохозяйственный баланс следует отличать от водного баланса территории, который служит средством анализа природного и антропогенного круговоротов воды, с целью:
Таким образом, водный баланс позволяет определить количество располагаемых водных ресурсов и режим их стока, а водохозяйственный баланс использует эти данные в качестве основной приходной статьи. Различают водный баланс: поверхностных вод Wпов. = Ос – Е - В + П – О , где Ос - количество выпадающих осадков; Е - суммарное испарение; В - впитывание воды в почву; П - поверхностный приток воды, О- поверхностный отток воды, (Wпов. 0 приводит к появлению поверхностной воды в виде луж, прудиков или увеличению уровня воды в озерах, болотах и т.п.) почвенных вод Wпочв. = В ± g, где ±g - водообмен почвенных и грунтовых вод (+ подпитывание почвенных вод, - подпитывание грунтовых вод); В - впитывание воды в почву; (Wпочв. 0 означает увеличение влажности почвы выше среднемноголетнего уровня). грунтовых вод Wгр. =  g + П – О, где П - подземный приток воды, О - подземный отток воды, (Wгр. 0 означает подъем уровня грунтовых вод). общий баланс толщи почво-грунтов (рис.7.1) W = Ос - Е + (П + П) – (О + О) ± Р , (7.1) где ±Р - водообмен грунтовых вод с нижележащими подземными водоносными горизонтами. Поверхностный и подземный отток воды с территории идут на формирование объема речного стока: Wр. = О + О 7.2 Виды ВХБ Различают следующие виды водохозяйственных балансов: отчетный, оперативный, плановый и перспективный. Отчетный ВХБ составляется по данным за прошедший год и предназначен для анализа водохозяйственной деятельности, выявления непроизводительных потерь воды, путей экономии водных ресурсов. Оперативный ВХБ предназначен для целей оперативного управления гидроузлами и составляется на ближайший период времени: год, квартал, месяц, декаду. Плановый ВХБ является промежуточным звеном между отчетным и перспективным периодом, что позволяет планировать поэтапность достижения результатов перспективного баланса. Перспективный ВХБ предназначен для разработки планов использования водных ресурсов, обеспечивающих плановое развитие экономики и составляется на срок 5…20 лет.  Рис.7.1 Составляющие водного баланса территории между створами 1-2. 7.3 Водохозяйственный баланс и его составляющие ВХБ составляется для бассейнов рек (рис.7.2), их участков, отдельных территорий, на которых расположены водохозяйственные комплексы.  Рис.7.2 ВХБ для участка реки расположенного между створами 1-1 и 2-2. Уравнение водохозяйственного баланса ВХБ = Wр + Wр +Wп.в. ± Wпер. +  - - Wпоп. -- * Wп.в ± Wа ± Wвод. - Wи – Wгр Wл – Wфил., (7.2) где Wр - объем стока реки формирующийся на вышележащей территории, Wр - объем стока реки формирующийся на рассматриваемой территории, Wп.в. – объем водопотребления из подземных водоносных горизонтов, Wввi - объем возвратных вод i-го участника ВХК, Wi - объем водопотребления i-м участником ВХК, Wпоп.- объем попусков на ниже лежащий участок реки, * Wп.в – ущерб речному стоку за счет использования подземных вод гидравлически связанных с рекой; - коэффициент, учитывающий гидравлическую связь речных и подземных вод, Wа - изменение стока реки за счет деятельности человека на водосбор- ной площади, Wвод.- изменение объема речного стока при сработки (+) водохранилища или первоначальном наполнении (-) , Wи - дополнительные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища, Wгр. - объем воды идущий на пополнение запасов подземных вод после создания водохранилища, Wл – потери воды при оседании льда на берега во время зимней сработки водохранилища (-), возврат воды в результате таяния льда весной (+); Wфил. - фильтрационные потери из водохранилищ в пределах расчетного ВХУ; n - количество водопотребителей в составе ВХК. Объем стока реки, поступающий на рассматриваемый участок с выше лежащей территории (Wр) представляет собой сток, сформированный на водосборной площади F2 подвешенной к створу 2-2 (рис.7.1). Зная модуль стока воды с данной территории (q2) можно определить объем Wр за расчетный период времени () величина притока воды по реке на рассматриваемый участок составит: Wр = q2 * F2 * (7.3) Объем стока (Wр) формируется на площади F1-2 и при известном модуле стока (q1-2 ) определяться по формуле: Wр = q1-2 * F1-2 * (7.4) Объем переброски стока предназначен для устранения дефицита воды. Wпер. < ( ВХБ < 0) (7.5) В уравнении ВХБ (+Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-приемником, в которую поступает определенный объем переброски стока из бассейна другой реки (реки-донора). Величина (–Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-донором. Водозабор из подземных вод учитывается величиной (Wп.в). Подземные воды могут дренироваться рекой, т.е. быть с ними гидравлически связанными. Часть подземных вод *Wп.в, которая забирается из подземных водоносных горизонтов, перестает участвовать в формировании стока реки. Происходит косвенное истощение реки, то есть ущерб речному стоку за счет использования подземных водоносных горизонтов гидравлически связанных с рекой. Коэффициент гидравлической связи изменяется в пределах =0…1. (совершенная гидравлическая связь грунтовых вод и речных вод =1, отсутствие связи подземных и поверхностных вод =0). Значения коэффициента гидравлической связи могут быть приняты в зависимости от гидрогеологических условий и условий водозабора (рис.7.3). Например: если идет отбор подземных вод из аллювиальных отложений речной долины, то = 1. Если водозабор осуществляется из подземных горизонтов изолированных от контакта с поверхностными водами покровным водоупором, или из скважин расположенных на значительном удалении от реки то значение коэффициента принимается равным 0 ( = 0). В других случаях значение принимается в пределах от 0,7 до 0,3  =1 =0.7 =0 =0.3 =0Рис.7.3 Схема для выбора значения коэффициента гидравлической связи подземных и поверхностных вод. В случае совершенной связи подземных вод с рекой и однородном водоносном горизонте коэффициент гидравлической связи поверхностных и подземных вод можно определить по формуле: = erfc(  ) , (7.6)где erfc -специальная табулированная функция; l -расстояние от скважины до реки по линии тока подземных вод, м; а - коэффициент уровнепроводности (безнапорные подземные воды: a = kф*h1/) или пьезопроводности (напорные воды: a=kф*h2 /), м2/сут; kф- коэффициент фильтрации грунтов, м/сут; -коэффициент водоотдачи; h1, h2 – мощность водоносного горизонта, м (рис.7.4); -время с начала работы водозаборной скважины, сут.  Рис.7.4Схема определения мощности водоносного горизонта А – безнапорный; Б - напорный Годовой объем попусков определяется как сумма максимальных по месяцам объемов воды, необходимой для водопотребителей: Wпоп.=  мах{wгэсi, wвтi, wлi, wэколi, wрхi} , (7.7)где wгэсi - объем воды в i-ый месяц необходимый для выработки электроэнергии на ГЭС; wвтi - объем воды в i-ый месяц для водного транспорта; wлi - объем воды в i-ый месяц для лесосплава; wэколi - минимально допустимый объем экологического стока в i-ый месяц (объем воды не используемый для водопотребления но необходимый для поддержания экологического равновесия водной экосистемы); wрхi - объем воды, необходимый для обеспечения нормальных условий обитания рыб в водном объекте (провода проходных рыб из одного бьефа гидроузла в другой во время нереста, создание необходимых мелководных зон для развития молоди и т.п.). При определении объемов попусков следует учитывать, что выбирая наибольший объем воды, должны удовлетворяться требования всех других водопользователей. Например, если в составе гидроузла имеется ГЭС и судопропускные шлюзы, то необходимо дать попуск, обеспечивающий и работу ГЭС (wГЭСi) и условия судоходства в нижнем бьефе (wвтi) и пропуск судов по шлюзу (wвтi) (рис. 7.5 а). Wпоп = мах{wГЭСi+wвтi, wвтi} (7.8)В случае, если водопользователи расположены на главой реке и ее притоке, то необходимо обеспечить нормальную работу каждого ( рис.7.5 б): Wпоп = мах {wгэс1i, wвт1i} + мах{wгэс2i, wвт2i} (7.9) Рис.7.5 Схемы для определения объемов попусков: а.- наличие судоходного шлюза в составе гидроузла; б.- наличие двух гидроузлов в бассейне реки. Изменение стока реки в результате антропогенной деятельности, осуществляемой на водосборной площади (±Wа), является результатом вырубки или посадки лесов, использования земель для выращивания сельскохозяйственных культур, урбанизации территории, строительства прудов. Вследствие интенсивного использования малых рек и антропогенной трансформации ландшафтов их водосборов в прошлое столетие в Центральном регионе РФ исчезло около 30% малых рек. Вырубка лесов и лесопосадки приводят к перераспределению составляющих: поверхностного и подземного стоков, идущих в реку с водосборной площади. Лесные массивы увеличивают долю подземного стока и снижают долю поверхностного, это приводит к снижению максимальных расходов половодья и увеличению расходов воды во время меженных периодов (рис.7.6).  Рис. 7.6 Изменение годового стока малых рек (Wа) зоны смешанных лесов ЕТР в зависимости от залесенности водосбора (а) и обеспеченности (б) годового стока рек (расчетные данные). Величина (-Wвод) учитывается в период первоначального наполнения водохранилища до проектной отметки (например, до отметки уровня мертвого объема, УМО). Если наполнение до данной отметки происходит в течение нескольких лет (нап), то при составлении ВХБ для конкретного года этого периода (i), в уравнении ВХБ учитывается объем наполнения водохранилища в данный год (Vi, если эти потери связаны с заполнением мертвого объема Vмо, то Vi=Vмо). Величина (+Wвод.) учитывается в годы аварийной сработки водохранилища или проведения планового ремонта (рис.7.7), требующего холостого опорожнения до отметки ВБсраб..  Wвод =Vсраб. УВБ – отметка воды в водохранилище на момент начала сработки Рис.7.7 Схема определения объема сработки водохранилища для проведения ремонтных мероприятий. Потери воды на дополнительное испарение с водной поверхности водохранилища определяются по формуле: Wи = Fср*[hв - (hос - hст)], (7.10) где Fср – средняя площадь зеркала водохранилища за расчетный интервал времени. Определяется как площадь водохранилища минус площадь водной поверхности до создания водохранилища (f): Fcp=Fв-f; hв - слой испарения с водной поверхности; hос - слой осадков на водную поверхность; hст - слой стока на той же площади до создания водохранилища.  Рис.7.8 Схема для расчета дополнительных потерь воды на испарение с поверхности водохранилища. (Fв – площадь водохранилища, f-площади естественного зеркала реки). При первоначальном наполнении водохранилища часть воды (Wгр) идет на насыщение толщи почво-грунтов (рис.7.9). Насыщение водой происходит на прилегающей к водохранилищу территории, в течение нескольких лет (10-20лет). Каждый год периода насыщения почво-грунтов происходят потери определенного объема воды Wгрi. В результате на данной территории поднимается уровень грунтовых вод (h). Зона, в пределах которой отмечается достоверный (превышающий ошибку определения 10-20см) подъем уровня грунтовых вод, называется зоной влияния водохранилища (h). Объем Wгрi определяется площадью распространения воды за конкретный год (Fвл.i) и величиной подъема уровня грунтовых вод за данный период (hi): Wгр.i = hi * Fвл.i * (n – w), (7.11) где n -пористость почво-грунтов, w – влажность толщи почво-грунтов зоны подъема уровня грунтовых вод; hi – величина подъема уровня подземных вод.  Рис.7.9 Схема определения объема потерь воды на насыщение почво-грунтов (Wгр.). Фильтрационные потери воды из водохранилищ складываются из фильтрации через тело плотины, ее основание и в обход плотины. Потери на фильтрацию через тело, основание и в обход плотины определяются по данным натурных наблюдений (за существующей плотиной или ее аналогом) или на основе расчетов, например по формуле: Wф плот =  (7.12) где: H1 , H2 – соответственно, расстояние между уровнем воды в верхнем, нижнем бьефе и водоупором (рис.7.10), м; lур - расстояние между линиями уреза воды в верхнем и нижнем бьефах, м; Кф - коэффициент фильтрации грунта и основания плотины, м/c; Lп – длина плотины, м; t – период времени, за который рассчитывается фильтрация, с.  Рис.7.10 Схема для расчета фильтрационных потерь воды через тело и основание грунтовой плотины. Во время зимней сработки водохранилища, образовавшийся лед оседает на берегах, что приводит к потере воды, заключенной в осевшей ледяной массе. Данные потери воды рассчитываются по формуле (-Wл): Wл =  hл (Fн - Fк) , (7.13)где: в/л – отношение плотности воды и льда (обычно принимается равным единице); hл – средняя толщина льда за расчетный интервал; Fн и Fк - площадь зеркала водохранилища соответственно в начале и в конце расчетного интервала времени. Лед, осевший зимой на берега водохранилища, возвращается в него при таянии в течение первого теплого весеннего месяца (+Wл). Потери воды на льдообразование являются полностью возвратными –Wл=+Wл. 7.10 Оценка качества воды водных объектов при проведении воднобалансовых расчетов Использование водных ресурсов (связанное с забором воды из источника водоснабжения и сбросом в него загрязненных стоков) сказывается на экологическом состоянии водных объектов и приводит к истощению, изменению гидрологического режима и качества вод. Поэтому при решении водохозяйственных задач необходимо учитывать загрязненность сточных вод, и их вклад в формирование качества воды поверхностных водных объектов. Сделать это можно с помощью безразмерного коэффициента предельной загрязненности (Кпз), или в виде показателя предельной загрязненности, выраженного в единицах объема воды. Дане показатели получены на основе решения уравнений водного баланса с учетом гидрохимической составляющей. Расчетная схема представлена на рис.7.17. К створу 1-1 поступают загрязненные воды реки. Объем загрязняющих веществ определяется произведением W1*C1. Добавим к нему некоторый объем вод W’ c фоновой концентрацией загрязняющего вещества в реке Ср. Величина W’ представляет собой некоторый виртуальный объем чистой воды, который позволяет довести концентрацию загрязняющих веществ (C2) в створе 2-2 реки до ПДК (предельно-допустимой концентрации). Запишем выражение баланса веществ для створа 2-2: W2*C2 + W’*Сp = (W2 + W’)*ПДК (7.29) Решим уравнение относительно виртуального объема W’: W’= W2*(C2 –ПДК)/(ПДК – Ср) (7.30) Соотношение, стоящее в правой части выражения (7.30) представляет собой показатель предельной загрязненности воды i-м веществом (Wпзi= W2*(Ci –ПДКi)/(ПДКi – Срi)), который определяется как произведение фактического объема речного стока в расчетном створе на коэффициент предельной загрязненности реки i-м веществом (Кпзi).  Wпзi = W2*KпзiКпзi.=  (7.31)Рис.7. 17 Расчетная схема для определения показателя загрязненности водных ресурсов. Без существенной потери точности коэффициент предельной загрязненности можно рассчитывать по формуле: Кпзi.=  (7.32)В речной воде содержится несколько загрязняющих веществ, что учитывается с помощью среднего значения коэффициента предельной загрязненности.  или  (7.33)где N- количество загрязняющих веществ, используемых для оценки качества воды, рекомендуется принимать от 5 до 20 веществ, среди которых обязательно используются: растворенный кислород, БПК, рН. Как видно из формулы (7.33) коэффициент предельной загрязненности представляет собой модификацию, применяемого в практике оценки качества вод, индекса загрязнения воды (ИЗВ), что позволяет использовать разработанную для ИЗВ методику и классификационную шкалу (табл.7.4). Коэффициент предельной загрязненности воды позволяет сделать оценку качества воды в водном объекте на основе классификации (таб.7.4). Следует отметить, что отрицательные значения коэффициентов предельной загрязненности показывают, что загрязненность воды отвечает требованиям нормативов ПДК. Табл.7.4 Классификация качества воды по коэффициенту предельной загрязненности.
| |||||||||||||||||||||||||||