Общие положения. Водохозяйственный комплекс (ВХК) представляет собой совокупность различных отраслей народного хозяйства, совместно использующих водные ресурсы одного водного бассейна.

Водохозяйственный комплекс бассейна реки - это совокупность водных ресурсов бассейна, а также размещенных на его территории сооружений, предназначенных для формирования, транспортировки и регулирования стока, объектов водопотребления и водоотведения. В то же время ВХК можно рассматривать как совокупность мероприятий и сооружений по рациональному использованию водных и связанных с ними природных ресурсов, позволяющих оптимально удовлетворить всех водопользователей имеющимся ресурсом воды.

При правильном обосновании ВХК должен обеспечить наибольшую экономическую эффективность в целом, а не для какой-либо отдельной отрасли; не допускать вредного воздействия на окружающую среду. Сооружения участников ВХК должны способствовать охране вод от загрязнения и истощения; обеспечивать достаточно простую и надежную эксплуатацию.

Водохозяйственный комплекс включает в себя ряд участников. К ним относятся: водоснабжение, водоотведение, гидротехнические мелиорации, гидроэнергетика, водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, здравоохранение, водные рекреации и др. В гидротехнические мелиорации входят оросительные и осушительные работы, осуществление мероприятий по борьбе с вредными воздействиями вод: защита от наводнений, борьба с водной эрозией, селевыми потоками, оползнями и разрушением берегов, а также с заболачиванием и засолением почв. Учитывая существующую экологическую обстановку, в число участников ВХК целесообразно включать и природные комплексы.

Требования, предъявляемые к водохозяйственному комплексу:

рациональное обеспечение потребителей водой в достаточном количестве и соответствующего качества;

сохранение природных условий и гарантии охраны воды от загрязнения, засорения и истощения;

обеспечение наибольшего народнохозяйственного экономического эффекта;

гарантии простой и надежной работы.

Государственная и хозяйственная деятельность водохозяйственных комплексов осуществляется в соответствии с Водным законодательством России, в котором отражены основные положения о порядке использования и охраны рек, озер, водохранилищ, других поверхностных и подземных водных объектов.

Водопотребители и водопользователи. Участников ВХК условно можно разделить на водопотребителей и водопользователей.

При водопотреблении воду изымают из водных объектов, часть которой после использования возвращается в этот же или другой водный объект (например, при испарении), а часть теряется безвозвратно, так как входит в состав вырабатываемой продукции.

Основными водопотребителями являются промышленность, коммунальное водоснабжение и сельскохозяйственное орошение. Последнее потребляет около половины воды, используемой в народном хозяйстве. Возвратные воды имеют, как правило, иной качественный состав, и для возможности дальнейшей биологической очистки и использования этих вод их необходимо разбавлять.

При водопользовании воду не изымают из водных объектов. Водопользование имеет место в гидроэнергетике, водном транспорте, сплаве леса, рекреации, частично в рыбном хозяйстве.

Однако по мере более глубокого использования водных ресурсов грани между водопотребителями и водопользователями стираются. Так, при создании энергетических водохранилищ значительная часть воды теряется на испарение и фильтрацию и пропадает для остальных участников комплекса. Такое же явление в больших масштабах наблюдается и на водохранилищах, которые используют в системе охлаждения тепловых и атомных электростанций. Аналогичные доводы можно привести относительно использования воды в рыбном хозяйстве, когда для нереста затапливают обширные мелководья, хорошо прогреваемые солнцем, с которых происходит значительное испарение воды.

Поэтому более правильно будет объединить эти две категории в одну с общим названием - водопользователи.

В водопользовании существенную роль играют водопотребление и водоотведение. Водопотреблением называют потребление воды из водного объекта или систем водоснабжения, а водоотведением, или сбросом сточных вод, - удаление сточных вод за пределы населенного пункта, предприятия или других мест использования. В объем водоотведения входит суммарное количество всех видов сточных вод, отводимых непосредственно в водоемы, подземные горизонты и бессточные впадины, на ведомственную очистку, а также другим организациям.

В водопотреблении учитывают не только непосредственное использование воды, но и потери на испарение и фильтрацию из каналов и водохранилищ.

С точки зрения использования и охраны водных ресурсов производственная деятельность водопотребителей характеризуется:

общим водопотреблением - суммой забора свежей и оборотной воды за единицу времени (год, сутки, час, секунду);

забором свежей воды - водозабором из водного объекта;

забором оборотной воды - водозабором из системы замкнутого водоснабжения;

водоотведением - сбросом в водный объект, в замкнутые понижения или подземные горизонты;

безвозвратным водопотреблением - забором свежей воды за вычетом водоотведения;

объемами сброса загрязнений - объемами загрязняющих веществ в сбрасываемой воде за вычетом содержания этих веществ в воде, забираемой из источника;

тепловым загрязнением - количеством тепла, сбрасываемого в водный объект, определяемым по расходу сбрасываемой воды и повышению температуры в сбросных водах по сравнению с температурой забираемой воды.

Водопользователи характеризуются величиной необходимых расходов (гидроэнергетика) и уровней воды (судоходство, гидроэнергетика, рыбное хозяйство, рекреация, природные комплексы), а также влиянием их на качество воды.

Важная особенность участников водохозяйственного комплекса - взаимное несовпадение требований к режиму водоисточника во времени.

Несогласованность водопотребления и водоотведения между участниками (компонентами) ВХК приводит к противоречиям. Так, водный транспорт заинтересован в поддержании судоходных глубин в нижнем бьефе ГЭС в навигационный период, а гидроэнергетика, наоборот, - в накоплении воды в водохранилище для более интенсивного использования ее в осенне-зимний пик загрузки. Во время половодья гидроэнергетика заинтересована в накоплении воды в водохранилище, а рыбное хозяйство требует значительных попусков из водохранилища для поддержания оптимальных глубин нерестилищ и мелководий, в которых обитает рыба. Разрешают эти противоречия при формировании ВХК и при оптимальном функционировании.

Существуют противоречия и в требованиях к качеству используемой воды. Гидроэнергетика, судоходство, лесосплав не предъявляют жестких требований к загрязненности воды. Для здравоохранения, водоснабжения, рыбного хозяйства и орошения, отдыха на воде качество воды имеет существенное значение, поэтому и это учитывают на стадии формировании ВХК.

3. Классификация водохозяйственного комплекса

Водохозяйственный комплекс (ВХК) классифицируют по масштабам их распространения, типам сооружений, числу участников. По масштабам распространения выделяют глобальные, или межгосударственные, государственные, зональные, бассейновые и ВХК части бассейнов.

Глобальные, или межгосударственные - это проекты использования водных ресурсов пограничных рек или рек, проходящих транзитом через ряд стран.

Государственные - это ВХК, возникающие при реализации таких проектов, как создание единой водохозяйственной системы страны (ЕВХС).

Общим признаком государственного ВХК служит рассмотрение и признание водохозяйственной проблемы в масштабах всей страны на основе долгосрочных прогнозов экономического развития государства с учетом общих политических и социальных аспектов.

Зональные ВХК предусматривают решение водохозяйственных проблем в том или ином экономическом регионе страны. Основная цель такого комплекса - совершенствование водного хозяйства и наиболее полное и эффективное использование его возможностей для развития данного экономического района.

Бассейновые ВХК наиболее полно разработаны как в мелиорации, так и в энергетике. Практически по всем бассейнам крупных рек составлены схемы комплексного использования и охраны водных и земельных ресурсов с перспективой на 15-20 лет.

В бассейновых схемах ВХК более полно учитывают природные и социально-экономические особенности рассматриваемых районов.

водохозяйственный комплекс водопользование

ВХК части бассейнов формируют после рассмотрения состава ВХК более высоких порядков, представленных шестью составляющими (рис.1.3.1). Рассматривают и формируют ВХК части бассейнов на основе проектных решений, уточняя схемы использования участков реки: более детально изучают притоки основной реки на данном участке, рассматривают возможности их комплексного использования, учитывают возможности совершенствования природной среды, устранения эрозионных процессов и другие вопросы водно-земельного благоустройства и водопользования.

ВХК классифицируют также по типам сооружений и по числу участников. Одноузловые отраслевые ВХК имеют либо энергетическое, либо ирригационное назначение.

По мере развития народного хозяйства в данном бассейне одноузловые ВХК трансформируются в многоузловые, или каскадные межотраслевые, ВХК. Это наиболее распространенный тип ВХК в нашей стране и за рубежом. Такие водохозяйственные комплексы сформированы на каскадах гидроузлов по рекам Волге, Днепру, Енисею и др. Формирование такого ВХК завершается с окончанием строительства всего каскада, поэтому получение полного народнохозяйственного эффекта может затянуться на ряд лет. Однако такие комплексы стимулируют интенсивное развитие народного хозяйства в данном районе, способствуют рациональному использованию водных ресурсов. В том случае, если водных ресурсов одного бассейна не хватает для формирования ВХК, то возможно создание межбассейнового отраслевого, а затем и межбассейнового многоотраслевого ВХК (рис.1 г, д). Крупномасштабность таких мероприятий затрагивает обычно ряд отраслей, сказывается на изменении природной среды, экономических и социальных аспектах. Такой ВХК сформирован на базе Каракумского канала, участниками которого являются ирригация, водный транспорт, рыбоводство, сельское хозяйство, коммунально-бытовое водоснабжение, обводнение. Проекты ВХК более широкого масштаба будут реализованы при создании единой водохозяйственной системы определенных регионов, а затем и всей страны в целом. При полном выполнении этих проектов объем изъятия стока значительно возрастет. Такие изменения естественных условий могут дать не только положительный, но и отрицательный эффект.

Рис.1. Типы ВХК:

а, б - одноузловые отраслевой и межотраслевой;

в - каскадный межотраслевой; г - межбассейновый отраслевой

с локальной переброской стока; д - межбассейновый многоотраслевой;

е - природоохранный; К₀ - здравоохранение; К₁ - водоснабжение,

К_2а - орошение; К_2б - осушение; К₃ - энергетика; К₄ - транспорт;

К₅ - рыбное хозяйство; К₆ - водоотведение; К₇ - отдых;

К₈ - природные комплексы.

Зоны влияния:

I - осушения (понижение УГВ, переосушка,

снижение продуктивности лесов);

II - водохранилища (подтопление, мелководья, переработка берегов);

III - зарегулированного расхода в русле реки

(отсутствие паводков, пересыхание поймы, засоление земель);

IV - водоотведение для контроля качества воды

Водохозяйственные комплексы Алтайского края по масштабам распространения относятся к бассейновым и водохозяйственным комплексам части бассейнов. По типу они чаще всего одноузловые отраслевые и межотраслевые ВХК.

В связи с тем, что ВХК тем или иным способом влияет на окружающую среду, особенно при водоотведении, необходимо выделение еще одного типа ВХК - водоохранного, который должен функционировать в системе природоохранного комплекса. Водоохранным комплексом называют систему сооружений и устройств для поддержания требуемого количества и качества воды в заданных створах или пунктах водных объектов. Водоохранные комплексы включают в себя объекты осушения, водохранилища, поймы, загрязненные участки водных объектов и сооружения, предотвращающие отрицательное влияние ВХК.

Наводнения, водная эрозия, включая сели, оползни, разрушение берегов (получившие название вредного воздействия вод), - распространенные явления, характеризующиеся разрушением хозяйственных построек, гибелью людей, снижением плодородия почв на обширных территориях. Они наносят немалый экономический и экологический ущерб. Борьба с этими явлениями - одна из задач водного хозяйства, решать которую надо одновременно с водохозяйственным строительством, мелиорацией земель и включать в ВХК в качестве самостоятельного участника.

Причинами наводнения являются: интенсивное таяние снегов (весной) и ледников (летом); сильные и длительные ливни; заторы и зажоры льда; разрушение дамб и плотин; ветры со стороны моря и т.п. При наводнениях значительно повышается уровень воды в водотоках и увеличиваются расходы воды. Наиболее распространенная мера борьбы с наводнениями - строительство крупных водохранилищ. Защитить значительные территории от затопления можно построив специальные дамбы. Снизить пики половодий можно, проведя различные лесомелиоративные и агротехнические мероприятия: посадку леса, кустарников, снегозадержание, пахоту поперек склонов. Все это способствует переводу поверхностного стока в подземный. При этом уменьшается высота дамб, а следовательно, и стоимость сооружения.

Эрозия почв - процесс разрушения и сноса почвенного покрова потоками воды и ветром (дефляция). Наиболее опасна водная эрозия, проявляющаяся в виде овражной эрозии и оползней. Средняя скорость образования оврагов составляет 1-25 м в год. Наиболее эффективные меры борьбы с овражной эрозией - лесотехнические мелиорации, создание специальных ливнесбросных конструкций и т.п.

В Алтайском крае овражная эрозия распространена преимущественно по берегам р. Обь и ее притоков (р. Алей, Чарыш и Чумыш). Кроме этого проявления овражности наблюдаются и в степной части края - в руслах пересыхающих рек и временных водотоков.

По левому берегу р. Обь в районе г. Барнаула отмечаются оползневые процессы, которые приносят значительный вред и вызывают опасность для города.

Селевые (грязе-каменные) потоки - наиболее опасные формы водной эрозии в горных районах. Для защиты от селевых потоков сооружают специальные селезащитные дамбы.

4. Водохозяйственные системы

Водохозяйственная система (ВХС) - это комплекс взаимосвязанных водных объектов и гидротехнических сооружений, предназначенных для обеспечения рационального использования и охраны вод участниками ВХК.

К водохозяйственным системам (ВХС) относят водохранилища, каналы различного назначения, мелиоративные системы, системы технического водоснабжения промузлов, предприятий, электростанций, системы очистки и сброса сточных, коллекторно-дренажных вод. Водохозяйственные системы - это все гидротехнические сооружения и узлы гидротехнических сооружений. Гидротехническое строительство в Алтайском крае в большинстве случаев имело целью создание условий для орошения сельскохозяйственных земель. Пруды и водохранилища, которых в крае около 200 шт., предназначались в основном для целей орошения.

Существует три аспекта описания ВХС: морфологический, функциональный и информационный.

Морфологически ВХС может быть расчленена на иерархические уровни по территориальному признаку. Водохозяйственная система страны объединяет региональные ВХС, которые в свою очередь состоят из бассейновых систем. Внутри бассейнов можно выделить водохозяйственные районы и водохозяйственные участки. Основным элементом ВХС водохозяйственного участка является комплексный гидроузел - плотина и образованное ею водохранилище с совокупностью технических устройств, предназначенными для многоцелевого использования водных ресурсов на выделенном водохозяйственном участке.

В качестве примера можно рассмотреть водохозяйственную систему Западной Сибири, которая включает в себя ВХС бассейнов р. Обь и Енисея. Бассейновая ВХС р. Обь может быть расчленена на ВХС верхней, средней и нижней Оби. Каждая из этих ВХС состоит из нескольких водохозяйственных участков, на которых расположены комплексные гидроузлы, образующие вместе каскад гидроузлов. Каждый комплексный гидроузел может иметь гидроэлектростанции, водозаборные станции, нерестилища и т.п.

В задачи функциональной структуры ВХС входят: добыча (регулирование) водных ресурсов, транспортировка, распределение их между потребителями, сбор сточных вод и подготовка их для повторного использования. Многообразие элементов ВХС предопределяет наличие больших информационных потоков между ними. Это вызывает необходимость специального информационного описания ВХС - совокупности данных, которые взаимодействуют и преобразуются в процессе ее функционирования.

Таким образом, иерархическая структура, наличие большого числа разнородных элементов, рассредоточенных на значительной территории, многообразие функций - отличительные черты ВХС.

К особенностям ВХС относят:

многообразие взаимодействия с окружающей средой, большое влияние на окружающую среду, которое необходимо учитывать при управлении функционированием ВХС;

недостаточная достоверность информации о водопотреблении и водоотведении;

многообразие прямых и обратных связей между элементами системы (гидравлические, технические, социальные, экономические, информационные);

функционирование в условиях случайных воздействий;

длительность формирования и непрерывность развития;

высокая капиталоемкость и вследствие этого большой ущерб от неудачных экономических решений;

неопределенность исходной информации при планировании развития ВХС, которая возникает ввиду того, что величины, определяющие будущее водопотребления (информация о развитии производства, изменениях демографической ситуации, технико-экономических показателях), обычно задаются со значительной неопределенностью вследствие своего прогнозного характера;

противоречивость требований к режиму источника водопотребителей, являющихся участниками ВХК;

возможность многократного использования ресурса;

возможность замены водного ресурса другим для отдельных участников ВХК;

возможность значительного антропогенного воздействия на водные ресурсы.

Перечисленные свойства ВХС (многочисленность и неоднородность элементов, связей между ними, функций, наличие неопределенностей и т.д.) позволяют отнести их к большим кибернетическим системам, что обусловливает особенности управления ими.

Управление ВХС можно расчленить на ряд задач, которые условно объединим в две группы: формирование структуры вновь создающейся или развивающейся ВХС и управление режимами работы функционирующей ВХС.

При решении задач первой группы осуществляют долгосрочное планирование использования водных ресурсов. При этом учитывают, что ВХС - составная часть ВХК, который, в свою очередь, есть подсистема народнохозяйственного комплекса соответствующей территории.

В первой группе задач обосновывают и определяют:

размещение по территории, состав и мощность водоемких производств;

размещение водохранилищ и их параметры;

размещение, параметры и состав водохозяйственных объектов (водозаборных устройств, каналов и т.п.);

мероприятия по охране природы, поддерживающие высокое качество воды в бассейне при проведении водохозяйственных операций.

На каждом уровне иерархии ВХС решает свой комплекс задач по формированию ее структуры. Имеется ряд задач, которые являются общими для нескольких уровней, но степень детализации в них различна. Например, размещение водоемких производств можно обосновывать на уровне страны, региона и бассейна, а определять состав, параметры и место водохозяйственных объектов - на уровне бассейна и водохозяйственных участков и т.п. На всех уровнях устанавливают состав природоохранных мероприятий при проведении водохозяйственных работ.

Вторая группа задач может быть разделена на две подгруппы: выработка плана работы функционирующей или планируемой ВХС на некоторый период и реализация этого плана. В результате решения задач первой подгруппы определяют планируемые объемы попусков воды из верхних бьефов водохранилищ в каждый момент времени, уровни воды в водохранилищах и каналах, режимы работы водохозяйственных объектов.

В соответствии с особенностями планирования использования водных ресурсов расчеты ведут по нескольким вариантам исходных данных (гидравлических, режимов потребления воды сельскохозяйственными, рыбохозяйственными и другими потребителями, требования которых зависят от метеорологических условий, носящих стохастический характер).

При эксплуатации необходимо выбрать вариант плана, наиболее подходящий к конкретной водохозяйственной обстановке, и откорректировать его в соответствии со складывающимися метеорологическими условиями. Реализуют скорректированный план, регулируя потоки воды в водотоках.

5. Территориальное перераспределение стока

Для решения водохозяйственных задач необходимо сопоставление имеющихся водных ресурсов с запросами потребителей. Водохозяйственный баланс используется при составлении научно обоснованных планов распределения водных ресурсов, позволяет всесторонне анализировать сложившиеся и ожидаемые режимы расходования водных ресурсов. Для этой цели устанавливают водный баланс в пределах рассматриваемого бассейна, который охватывает соотношение между атмосферными осадками, поверхностными и подземными стоками, испарением и транспирацией влаги растительностью.

Местное регулирование стока может оказаться недостаточным для увязки ВХБ, особенно в маловодные годы. В этом случае дополнительные водные ресурсы получают, перераспределяя сток.

В соответствии с характером и масштабами решаемых задач, водохозяйственные системы территориального перераспределения речного стока можно разделить на три основных вида:

подача воды от источника в районы непосредственного потребления;

внутрибассейновые переброски речного стока;

межбассейновое перераспределение водных ресурсов; оно обеспечивает подачу воды из бассейна донора, для которого характерно изобилие водных ресурсов, в бассейн-водоприемник. Различают два вида межбассейнового перераспределения водных ресурсов: внутризональное и межзональное.

Наиболее распространенный способ перераспределения стока - подача воды по открытым каналам.

Межбассейновое и внутрибассейновое перераспределение стока осуществлено более чем по 50 каналам общим объемом около 100 км³/г. Наиболее крупные каналы, как правило, приурочены к зоне орошения.

В Алтайском крае для подачи воды в степные районы с целью орошения действует Кулундинский магистральный канал протяженностью 180 км, ведущий забор воды из р. Обь, и магистральный канал Алейской оросительной системы протяженностью 90 км, забор - из р. Алей. Кроме того, ведется строительство Бурлинского канала для увеличения водности р. Бурлы за счет воды р. Обь. Для обеспечения питьевой водой юго-западной безводной части Алтайского края построен Чарышский групповой водопровод. В качестве источника водоснабжения принято Чарышское месторождение подземных вод, расположенное в Шипуновском районе. Протяженность водопровода составляет 1274 км, обеспечивает водоснабжение 142 населенных пункта в 8 административных районах края и 11 промышленных предприятий.

Помимо оросительных каналов, в стране действуют крупные судоходные каналы: Беломорско-Балтийский канал протяженностью 227 км, Волго-Балтийский водный путь длиной 361 км, Волго-Донской судоходный канал длиной 101 км и др.

Поскольку по мере перераспределения воды по каналам качество ее может ухудшаться, предусматривают мероприятия по сохранению качества воды.

Размещено на Allbest.ru