Методы управления водными ресурсами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ

1. Управление водными ресурсами

Управление водными ресурсами - система организационных и инженерно-технических мероприятий, позволяющая изменить количество и качество водных ресурсов в конкретных условиях и привести их к целевым показателям Цель управления состоит в разработке механизмов достижения результатов водохозяйственной деятельности на основе оптимального использования водных ресурсов.

Процесс управления водными ресурсами включает: планирование, организацию, мотивацию и контроль водохозяйственной деятельности. Результат данного процесса это обеспечение населения и отраслей экономики водой на основе ее рационального использования. В связи с этим решаются задачи управления.

1. Планирование деятельности - позволяет определить цель деятельности и наиболее эффективные методы ее достижения.

§ Делается постановка задачи и оценка конечного результата.

Рис. Результаты водохозяйственного баланса в месячных интервалах времени для года 75% обеспеченности.

Например, на основе анализа природно-климатических условий объекта и сложившейся водохозяйственной обстановки, выявлены основные задачи, связанные с необходимостью покрытия дефицита воды (рис.9.1) и улучшения качества воды водных объектов (рис.9.2). Планируемый результат: гарантированное бесперебойное водоснабжение отраслей экономики для расчетной обеспеченности 75% и улучшение качества воды в водных объектах до приемлемого уровня «умеренно загрязненная» в год 95%.

Рис. Оценка изменения качества воды в источнике водоснабжения, по показателю Кпз, в зависимости от водности года: без учета (Э=0%) и с учетом проведения водоохранных мероприятий эффективностью Э=60% и Э=80%.

Рис.9.3 Изменение чистого дохода (ЧД) получаемого от использования воды в зависимости от ее качества в источнике водоснабжения (водность года 95%).

(Затраты связаны с водоподготовкой и подачей воды потребителю. Доход определяется стоимостью предоставления услуг по подаче воды и стоимостью самой воды).

Результаты водохозяйственного баланса в месячных интервалах времени показывают необходимость неполного годичного регулирования речного стока с созданием водохранилища полезной емкостью 8 млн.м3.

Оценка качества воды в реке позволяет обосновать проведение водоохранных мероприятий с эффективностью 80% (рис.9.2).

§ Оцениваются возможности получения конечного результата, при этом учитываются не только технико-экономические показатели, но и природно-климатические особенности объекта.

Например, анализируя природно-экономическую ситуацию, на основе технико-экономического обоснования (рис.9.3), сделан вывод, что при допустимой рентабельности соответствующей ЧД?40%, приемлемый уровень качества воды соответствует классу «загрязненная» для остро маловодного года.

2. Организация деятельности - создание условий для достижения целей Организация деятельности идет на разных уровнях решения вопросов, например: подготовка технического задания на рассмотрение проблем конкретной территории; предпроектная проработка вопроса; проектирование системы управления, строительство и эксплуатация объекта. При этом на каждом уровне проводится организация деятельности, связанная, например, с: финансированием, выбором исполнителей и заказчика, получением материалов и оборудования.

3. Мотивация - позволяет привлечь внимание к решению вопросов и стимулировать деятельность для достижения цели. Процесс мотивации предполагает наличие четких, реальных для достижения и понятных общественности целей, направленных на удовлетворение насущных потребностей. Мотивация не должна ограничиваться только материальным стимулированием от выполнения заказов на проектирование и строительство. Она должна носить перспективный, многосторонний характер. Примером отсутствия мотивации может быть проект переброски стока в южные регионы, где наблюдается дефицит воды для орошения и сильная загрязненность водных объектов. Учитывая, что орошение проводится не эффективно, устаревшими технологиями, с большими потерями воды, в первую очередь следует рассмотреть вопросы экономии воды, за счет: перехода на современные способы орошения; организацию севооборотов, исключающих большую долю требовательных к воде культур; автоматизацию системы водораспределения. Улучшение качества воды нельзя делать за счет разбавления загрязненных вод чистой водой, так как снижается только концентрация загрязняющих веществ, а сами вещества остаются в водном объекте. Улучшение экологического состояния водных следует проводить, ориентируя деятельность на устранение причин приведших к бедствию и определяя возможности восстановления экологического состояния водного объекта. Причинами ухудшения состояния являются чрезмерный водозабор и повышенный сброс загрязненных сточных вод.

4. Контроль - позволяет в полной мере реализовать функции управления, путем организации обратной связи между руководящими и исполнительными структурами. На данном этапе решаются вопросы: установление нормативов; выбор способов оценки результатов и их сопоставление с плановыми показателями; корректировка управляющих воздействий или плановых показателей. Контроль водохозяйственных мероприятий позволяет планомерно и поэтапно осуществлять деятельность с гарантированным получением запланированных результатов.

Методы управления водными ресурсами включают регулирование стока во времени и территориальное перераспределение стока.

1.1 Регулирование стока во времени

Регулирование стока во времени - перераспределение во времени объёма речного стока и изменение его режима. Цель регулирования:

Ш удовлетворение потребностей отраслей экономики в воде (гидроэнергетики, орошения, водоснабжения, водного транспорта и др.);

Ш борьба с негативным воздействием вод (регулирование паводков и половодий);

Ш охрана природы (восстановление заболоченных территорий, пополнение запасов подземных вод, регулирование русловых процессов, удовлетворение санитарных требований).

Регулирование стока может осуществляться с помощью создания: водохранилищ речного, озерного и морского типов; наливных водохранилищ; лиманов.

Рис. Виды водохранилищ.

Табл. Классификация водохранилищ по морфометрическим показателям.

Классы	Полный объем, км3	Площадь, км2	Количество, %
Крупнейшие	>50	>5000	<0,1
Очень крупные	10…50	500…5000	1
Крупные	1…10	100…500	5
Средние	0,1...1	20…100	15
Небольшие	0,1...0,01	2…20	35
Малые	<0,01	<2	44

Водохранилища речного типа создаются в долинах рек и являются наиболее распространенными.

Озерные водохранилища создаются при подпоре вытекающих из озер рек, что позволяет аккумулировать большие объемы воды при относительно незначительном подпоре и увеличении площади затопления.

Водохранилища морского типа, в основном, создаются для выработки электроэнергии на приливных гидростанциях (ПЭС), за счет использования напора создаваемого во время приливов и отливов.

Наливные водохранилища создаются в пониженных элементах рельефа местности и наполняется водой из рек, подаваемой по искусственным каналам или трубопроводам.

Лиманы устраиваются путем создания дамб обвалования в затапливаемых, во время половодья, поймах рек. После окончания половодий часть воды остается в лиманах.

Табл. Характеристика крупнейших водохранилищ России

Водохранилище	Река	Площадь зеркала воды, при НПУ, км2	Объем, км3	Использование*
			полный	полезный
Братское	Ангара	5470	169,3	48,20	ГЭ,СУ,ЛС,РХ,ВС,РК
Бурейское	Бурея	740,0	20,94	10,7	ГЭ,БН,ВС,РХ,РК
Бухтарминское	Иртыш	5490	49,62	30,81	ГЭ,СУ,РХ
Вилюйское	Вилюй	2360	35,88	17,83	ГЭ,ВС,РХ
Волгоградское	Волга	3117	31,45	8,25	ГЭ,СУ,ИР,ВС,РХ,РК,ВС
Камское	Кама	1915	12,2	9,24	ГЭ,СУ,ЛС,ВС
Краснодарское	Кубань	400	3,048	2,16	ОР,РХ,СУ,БН
Красноярское	Енисей	2000	73,30	30,40	ГЭ,СУ,ЛС,ВС,БН,РХ,РК
Куйбышевское	Волга	6150	58,00	34,60	ГЭ,СУ,ИР,ВС,РХ,БН,РК
Ириклинское	Урал	260	3,26	2,76	ОР,ГЭ,ВС
Рыбинское	Волга	4550	25,42	16,60	ГЭ,СУ,ВС,РХ,РК
Саратовское	Волга	1830	12,9	1,75	ГЭ,СУ,РХ,ВС,РК,ИР
Саяно-Шушенское	Енисей	621	31,3	15,3	ГЭ,ИР,СУ,РХ,ВС,РК,БК
Усть-Илимское	Ангара	1922	58,8	2,7	ГЭ,СУ,ВС,ЛС
Цимлянское	Дон	2702	23,9	11,54	ИР,СУ,ГЭ,РХ,ВС,РК

*ГЭ - гидроэнергетика, СУ - судоходство, ЛС - лесосплав, ОР - орошение, РХ - рыбное хозяйство, ВС - водоснабжение, РК - рекреация, ИР - ирригация, БН - борьба с наводнениями.

Табл. Характерные уровни воды крупнейших водохранилищ России

Водохранилище	Нормативные уровни водохранилищ, м
	УМО	НПУ	ФПУ
Иваньковское	119,50	124,00	124,20
Угличское	107,50	113,00	113,40
Шекснинское	107,50	113,00	113,20
Рыбинское.	97,10	102,00	104,00
Горьковское	81,00	84,00	85,50
Чебоксарское.	62,50	63,00	64,50
Павловское	128,50	140,00	142,40
Камское	100,00	108,50	110,20
Воткинское	85,00	89,00	90,00
Нижне-Камское	61,00	62,00	64,00
Куйбышевское	45,50	53,00	55,30
Саратовское	27,00	28,00	31,40
Волгоградское	12,00	15,00	16,30

Примечание. Система отсчета Балтийская

1.2 Виды регулирования стока

Различают следующие виды регулирования стока.

Ш Суточное регулирование - наполнение водохранилища производится в часы суток с пониженным водопотреблением. Данный вид регулирования используется для целей гидроэнергетики. Условие осуществления суточного регулирования: суточный дефицит воды (Дсут) не превышает суточного избытка (Исут): Исут Дсут.



Рис. Суточный гидрограф стока реки и график водопотребления.

Ш Недельное регулирование - наполнение водохранилища производится в сутки с пониженным водопотреблением. Используется, в основном, для целей гидроэнергетики. Условие перехода на недельное регулирование: суточный дефицит воды (Дсут) больше суточного избытка (Исут) и избыток воды за неделю (Инед) больше недельного дефицита (Днед): Исут Дсут и Инед Днед.

Ш Сезонное регулирование - наполнение водохранилища осуществляется в многоводный период года. Используется для орошения, рыбного хозяйства, рекреационных и других целей. Условие перехода на сезонное регулирование: дефицит воды за неделю (Днед) превышает недельный избыток (Инед) и избыток воды за год (Игод) больше годового дефицита (Дгод): Инед Днед и Игод Дгод. Причем если Игод Дгод осуществляется неполное годичное регулирование стока, если Игод = Дгод - полное годичное регулирование.

Рис. Сопоставление годового гидрографа стока реки и графика водопотребления, для определения дефицита воды.

Многолетнее регулирование - наполнение водохранилища осуществляется в многоводные годы. Используется для любых целей. Условие перехода на многолетнее регулирование: годовой дефицит воды (Дгод) превышает годовой избыток (Игод) и избыток воды за многоводные годы (Имн) больше дефицита за маловодные (Дмн): Игод Дгод и Имн Дмн.

Рис. Сопоставление гидрографа стока реки и графика водопотребления за многолетний период. (З - зима, В - весна, Л - лето, О - осень).

Основные показатели водохранилищ

Водохранилища характеризуются следующими параметрами:

Ш объемы воды - полезный объем (Wплз), мертвый объем (Wмо), форсированный (Wф) и полный объем (Wпол = Wплз + Wмо). Полезная емкость водохранилища определяется из условия покрытия дефицита воды (Д), с учетом потерь на испарение и фильтрацию Wфил:

Wплз = Д + И + Wфил.

Отмечается определенное соотношение между полным объемом водохранилищ и их морфометрическими показателями.



Рис. Соотношение средней глубины и ширины водохранилищ России к их полному объему /Авакян А.Б. и др., 1987/

Рис. Соотношение средней длины водохранилищ России, построенных на равнинных, низкогорных и плоскогорных территориях, к их полному объему /Авакян А.Б. и др., 1987/.

Мертвый объем определяется с учетом: заиления водохранилища; обеспечения санитарных требований в верхнем бьефе при всех уровнях воды /СанПиН 3907-85/; удовлетворения конструктивных требований, например, для обеспечения работы агрегатов ГЭС в оптимальном режиме. В последнем случае, величина сработки уровня воды в верхнем бьефе ВБ=НПУ-УМО должна быть в пределах (0.05…0.20)Нмах. Нмах - максимальный напор на ГЭС.

Нмах = НПУ-НБ.

Объем форсировки предназначен для регулирования половодий и определяется с учетом трансформации стока половодья.

Ш Уровни воды - уровень мертвого объема (УМО), нормальный подпорный уровень (НПУ), форсированный подпорный уровень (ФПУ). Для существующих водохранилищ России значение ФПУ-НПУ изменяется в пределах от 20-70см до 1-3м в зависимости от их полного объема.

Ш Напор воды определяется как разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах (Н=УВБ-УНБ). Увеличение напора воды позволяет увеличить объем вырабатываемой энергии на ГЭС, но при этом повышаются затраты на рыбопропускные и судоходные сооружения, увеличивается негативное влияние водохранилища на среду.

Рис. Схема определения напора воды.

Ш Максимальный диапазон изменения уровней воды в верхнем бьефе (ВБ = НПУ - УМО). Снижение диапазона колебаний уровня воды позволяет обеспечить: работу агрегатов ГЭС в оптимальном режиме; водозабор из водохранилища самотечным способом; удовлетворение требований для рекреационного использования водохранилищ; создать благоприятные условия для развития водной биоты в водохранилище. Однако уменьшение диапазона ведет к повышению уровней воды в водохранилище, а значит, увеличивается его негативное влияние на среду и стоимость гидроузла.

Ш Коэффициент зарегулированности стока - отношение полезного объема воды в водохранилище к норме стока реки ( = Wплз/Wр). В среднем коэффициент зарегулированности стока изменяется в пределах 0,1…0,5. Меньшие значения соответствуют условиям сезонного регулирования (0,1…0,3), большие - условиям многолетнего регулирования (0,3…0,5).

Ш Время водообмена - отношение полного объема воды водохранилища к норме годового стока реки ( = Wпол/Wр).

Табл. Классификация водохранилищ по времени водообмена

Скорость водообмена	Время водообмена, год = Wпол/Wр
Очень большая	<0,10
Большая	0,10…0,24
Значительная	0,24…0,50
Средняя	0,5…1
Небольшая	1…2
Малая	>2

Влияние регулирования стока на окружающую среду

Трудно переоценить важность и необходимость водохранилищ для человека. Однако их создание связано с коренным изменением состава и структуры биогеоценозов на больших площадях бассейна реки. Это прямо или косвенно сказывается на водных, наземных объектах и изменении климатических параметров.

Влияние на поверхностные водные объекты.

Влияние на поверхностные водные объекты проявляется в изменении их гидрологического и гидрохимического режимов, что ведет к изменениям в биотическом составе. Так проточный режим реки переходит в слабопроточный режим водохранилища. Происходит резкое снижение транспортирующей способности потока воды, что сопровождается отложение наносов и осветлением воды. Трансформируется уровенный режим, который в водохранилище и его нижнем бъефе изменяется в соответствии с требованиями хозяйственной деятельности человека, а не природных гидрологических процессов. Изменяются условия обитания речных водных организмов, которые мало приспособлены к жизни в водохранилище, что приводит к снижению их численности и видового состава.

Рис. Влияние водохранилищ на окружающую среду

Вследствие затопления почв и растительного покрова начинается вторичное загрязнение воды, что сказывается на формировании гидрохимического режима водохранилища, отличающегося от естественных условий (речных).

Рис. Изменение распределения показателя качества воды в разных частях водохранилища: верховье - условия соответствуют речным;

средняя часть - условия соответствуют озерным системам (степень сохранности речной экосистемы Р1 =40…60%); приплотинная часть - создаются специфические условия (степень сохранности речной экосистемы Р240%)

Причем, по гидрохимическому режиму выделяются три зоны водохранилища: верховье где условия соответствуют речным (степень сохранности речной системы не менее 60%); средняя часть где условия соответствуют озерным системам (степень сохранности речной экосистемы Р1=40…60%); приплотинная часть в которой создаются специфические условия (степень сохранности речной экосистемы Р240%) (рис.9.12).

Степень изменения гидрохимического режима во многом определяется параметрами водохранилища, например, такими как: средняя глубина, коэффициент проточности, коэффициент зарегулированности стока.

Рис. Изменение концентрации загрязняющего вещества в зависимости от нагрузки L, средней глубины водохранилища (А) и коэффициента проточности (Б) (коэффициент седиментации 0,2 год-1)

Рис. Зависимость качества воды в водохранилище от степени зарегулированности речного стока

(А) и соотношение полного объема и площади зеркала для водохранилищ России (Б) /Авакян А.Б. и др, 1987/.

Изменение гидрологического и гидрохимического режимов приводит к изменению биотической структуры водной экосистемы. В экосистемах не подверженных антропогенному воздействию, структура (например, видовой состав, трофические связи) меняется во времени в зависимости от качественных и количественных изменений природных факторов среды. Это эволюционные процессы, протекающие в течение длительных отрезков времени. Аналогично происходят изменения и при антропогенных воздействиях, но изменения в экосистемах протекают с большими скоростями. Более резко, чем при эволюционных изменениях, происходит упрощение структуры системы. Это сопровождается возрастанием амплитуды изменения биомассы в экосистеме, сокращением трофических цепей, снижением видового разнообразия /Алимов А.Ф. 2000/. Так например, относительно быстрое изменение уровней воды в водохранилище негативно сказывается на рыбопродуктивность (рис.9.15, 9.16).

Рис. Изменение относительного ущерба рыбным запасам водохранилища в зависимости от уровня сработки полезной емкости /по данным Петрова Л.П., Глибко О..Я.

1.3 Влияние водохранилищ на климатические и геологические условия

Влияние водохранилищ на изменение климатических параметров связано с отражающей способностью водной поверхности, большой теплоемкостью воды и малой теплоотдачей. Это приводит к изменению радиационного баланса, температуры, влажности воздуха, розы ветров и т.д., как на территории водохранилища, так и на прилегающих к нему землях. Данное влияние проявляется на расстоянии до 1-3 км от водохранилища, в зависимости от его размеров. Влияние водохранилища на климат распространяется на территорию примерно равной площади его зеркала, ход температур становится более сглаженным, снижается амплитуда колебания температур. Создание обширной водной поверхности приводит к увеличению скорости ветра и его повторяемости.

Водохранилища влияют на тектонические процессы /Авакян, 1985/, способствуя увеличению сейсмической активности, которая зависит от удельного давления массы воды на земную кору. Поэтому геотектонические процессы связаны с созданием крупных водохранилищ с большим напором. Давление массы воды приводит к прогибанию ложа водохранилища. Так на Красноярском и Братском водохранилищах скорость прогибания доходила до 7 - 10 мм/год. На Ингурском, Нурекском, Саяно-Шушенском, Токтогульском водохранилищах поверхность ложа водохранилища прогнулась на 20-25 см.

Землетрясения носят поверхностный, локальный характер, с очагами на глубинах 5…10 км, с эпицентрами на расстоянии не более 10 - 15 км от водохранилища. Магнитуды колебаний изменяются от 2 до 6,5 баллов. (Магнитуда землетрясения -- характеристика энергии, которая выделяется при землетрясении).

Влияние водохранилищ на наземные системы

Водохранилища приводят к затоплению земель и изменению уровненного режима грунтовых вод на прилегающих землях, где формируются зоны заболачивания и переувлажнения. Это в свою очередь ведет к изменению продуктивности наземных угодий и их видового состава (рис.9.17). Увеличивается количество влаголюбивых видов растений, нарушаются условия обитания животных. Затопление земель приводит к ликвидации высокопродуктивных пойменных земель.

Рис. 9.17 Зависимость относительной продуктивности растений (например, злаковые травы, зерновые сельскохозяйственные растения, ель) от глубины залегания грунтовых вод.

Рассмотрим пример. Пусть на территории, до создания водохранилища, грунтовые воды залегали на глубине 0,8 м. Продуктивность этих угодий соответствовала 90% от максимально возможной в конкретных условиях (рис.9.17). После создания водохранилища, данная территория попадает в зону заболачивания, в пределах которой средняя глубина залегания грунтовых вод равна 0,1 м. Продуктивность угодий снижается до 10%, причем снижение продуктивности до уровня 30…40% приводит к гибели растений.



Рис. Выделение зон влияния водохранилища на прилегающую территорию по изменению уровненного режима грунтовых вод.

В зоне водохранилища образуются огромные площади мелководий, в которых резко ухудшаются санитарные условия, происходит их зарастание. Площадь зарастания f (по Алиеву А.Ф.) характеризуется емкостью водохранилища (Е), т.е. отношением средней к максимальной глубине водохранилища (f=E4.35).

Рис. Изменение относительной площади зарастания мелководной зоны (f,%) от емкости водохранилища (Е=hср/hмах).

В нижнем бьефе, регулирование стока, так же приводит к изменению гидрологического и гидрохимического режимов. Как следствие исчезают заливные луга, что приводит к изменению биопродуктивности, как самих лугов, так и реки.



Рис Подъем уровня грунтовых вод (h/Hо) на разном расстоянии от уреза воды в водохранилище (Х) от коэффициента уровнепроводимости (а) грунтов водоносного горизонта.

Рис.9.21 Зависимость относительной рыбопродуктивности и урожайности заливных лугов от обеспеченности стока половодья /Фащевский, 1989/.

Влияние водохранилищ по-разному проявляется в различных природных зонах и экономических районах.

Влияние водохранилищ на подземные воды

Вода из водохранилищ проникает в подземные водоносные горизонты. С одной стороны это увеличивает ресурс воды на величину привлекаемого ресурса (Qпр), с другой - создается опасность ухудшения качества подземных вод за счет поступления воды из водохранилища. В первом случае влияние водохранилища положительное для водохозяйственного использования подземных вод, во втором - отрицательное.



Рис. Увеличение ресурсов подземных вод (Qпв) за счет привлекаемых из водохранилища объемов воды (Qпр).

1.4 Территориальное перераспределение стока

Перераспределение стока во времени применяется при необходимости увеличения водности территорий с дефицитами воды в многолетнем разрезе. Переброска применяется в случае, если на рассматриваемом объекте дефицит (Дгод) годового водохозяйственного баланса превышает годовой избыток воды (Игод): Дгод > Игод. В этом случае вода из реки-донор подается в реку-приемник в объеме необходимом для покрытия дефицита. При этом следует решить ряд задач общего характера:

Ш определить водохозяйственный участок пригодный для водоотвода на реке-донор;

Ш определить водохозяйственный участок реки-приемник, на который следует подать воду.

Водоотвод из реки-донор можно осуществить на j-м водохозяйственном участке, в пределах которого свободный сток превышает необходимый для переброски объем воды. Свободный сток это избыток воды равный положительной величине водохозяйственного баланса: Идон = (ВХБдон>0).

ВХБдонj= Wрдонj + Wп.в.донj + - - Wпоп.донj - * Wп.в.донj

ВХБдонj Wпер.

Подача воды в реку-приемник осуществляется на i-ый водохозяйственный участок, в пределах которого требуется покрытие дефицита: Дпр = (ВХБпрi <0).

ВХБпрi= Wрпр i + Wп.в.прi + - - Wпоп.пр i - * Wп.в.пр i

ВХБпрi < 0 Wпер = ВХБпрi + Wпот.

План трассы переброски стока



Рис. Схема трассы переброски стока

Профиль по трассе переброски стока

В реке-приемник дефицит воды наблюдается на участке между створами б-б и в-в, значит, подать объем переброски следует выше створа б-б. В реке-донор свободный сток, превышающий требуемый объем переброски, наблюдается на среднем (между створами А-А и Б-Б) участке. Водоотвод можно проводить из реки-донор на данных участках.

ВГТС

Рис. Схема Вазузской гидротехнической системы (ВГТС) переброски стока из реки Вазуза в Рузское водохранилище, для регулирования стока реки Москва.

Состав сооружений трассы переброски и точные места водоотвода и подачи воды определяются на основе технико-экономического обоснования. Необходимо стремиться к многоцелевому использованию проектируемой системы, что повысит ее эффективность. С этой целью на трассе переброски возводят перепадные ГЭС (напор создается за счет перепадов рельефа местности), каналы используются для судоходства и другие сооружения. Например, Вазузская гидротехническая система (ВГТС), позволяет осуществлять переброску стока р. Вазузы в Рузское водохранилище расходом до 15.8м3/с. В состав ВГТС входят: три водохранилища (Вазузское, Яузское, Верхнее-Рузское), три насосные станции, две ГЭС. Протяженность трассы составляет 200 км.

2. Переброска стока

Переброска стока должна рассматриваться только в том случае, когда учтены все возможные мероприятия по экономии и рациональному использованию водных ресурсов, и только для возможности осуществления первостепенных, самых необходимых мероприятий государственного или регионального масштаба

Связано это с большими экономическими затратами и несоизмеримым (по сравнению с другими мероприятиями по ликвидации дефицитов воды) воздействием на окружающую среду. Влияние на среду вызвано как созданием водохранилищ на реке-донор (для обеспечения условий водоотведения) и реке-приемник (для перераспределения стока во времени), так и транспортом больших объемов воды на значительные расстояния. Сама транспортирующая сеть создает препятствие на пути миграции наземных животных, кроме того, фильтрационные потери приводят к подъему уровня грунтовых вод, что может вызвать заболачивание, переувлажнение и засоление прилегающих земель.

Рис. Изменение удельных фильтрационных потерь воды из канала в зависимости от коэффициента фильтрации грунтов.

Вода, проходя по трассе переброски, приобретает специфические свойства, которые могут привести к химическому, зоологическому и ботаническому загрязнению реки-приемник.

Трасса открытых каналов может пересекать водосборные площади малых рек, приводя к снижению их водности и загрязнению.

Водность малых рек снизится на величину:

W1= g1*F1* и W2=g2*F2*

где g - модуль стока, - время. Нарушается водный баланс болота.

Рис. Снижение водности малых рек при пересечении их бассейнов трассой открытых каналов.

Схемы переброски стока

Необходимость территориального перераспределения стока вызвана рядом причин:

• неравномерность распределения водных ресурсов по территории страны;

• несоответствие водообеспеченности территорий и обеспеченности их другими природными ресурсами;

Пространственное перераспределение стока имеет ряд разновидностей:

• межрегиональное перераспределение воды (между азиатской и европейской частями РФ; северными и южными склонами - сибирских рек в Волгу, в Среднюю Азию и Казахстан, северных рек в Волгу);

• региональное перераспределение стока, которое в свою очередь включает:

Ш межбассейновое (Волго - Дон; Уфа -Исеть)



Рис. Схема межбассейнового перераспределения стока.

Ш внутрибассейновое

Крупный водопотребитель

Схема внутрибассейнового перераспределения стока.

Мотивацией осуществлению проектов переброски служат:

• дефицит собственных водных ресурсов рассматриваемого водотока без регулирования стока, которое экологически или социально не эффективно. (например, в силу топографических причин, создание водохранилища приведет к большим площадям затопления и подтопления земель, при небольшой средней глубине водохранилища и большой доли мелководных зон. В зону влияния водохранилища попадают населенные пункты);

• водохозяйственные мероприятия по экономии воды недостаточно эффективны даже при высокой стоимости;

• качество воды по месту использования неприемлемо, полная очистка стоков несоизмеримо дороже дотации стока извне (водоснабжение Екатеринбурга из бассейна р. Уфы);

• необходимость создания единых водохозяйственных комплексов с централизованным управлением водными ресурсами;

• в зоне интенсивного использования стока практически исчерпаны водные ресурсы (Южный регион РФ).

Водохозяйственные задачи, решаемые в проектах переброски стока:

• оценка возможного отбора стока в зоне изъятия

• определение пропускной способности тракта

• конструкция и компоновка водозаборных сооружений

Мировые тенденции в области территориального перераспределения
водных ресурсов связаны с необходимостью решения ряда проблем гарантированное обеспечение водой растущего населения земного шара, сельскохозяйственного и промышленного производства. Напряженное положение с ресурсами пресных вод. Во многих районах мира, прогрессирует загрязнение рек и водоемов, что заставляет искать новые способы экономии воды, очистки сточных вод и освоения дополнительных источников водоснабжения. Все актуальнее становятся вопросы оценки водных ресурсов и водопотребления, прогноза их состояния на ближайшую и отдаленную перспективу, охраны водных объектов.

По оценке Лондонского института стратегических исследований, в ХХI веке главной причиной конфликтов и войн будет борьба за водные ресурсы. Эксперты предупреждают, что вода становится “международным товаром” и в ХХI веке будет тем же, чем в ХХ веке была нефть. В недалеком будущем стоимость воды превысит стоимость бензина.

Помимо высокой стоимости переброски стока и ее негативного влияния на окружающую среду имеются сложности, связанные с преодолением социально-правовых и политических аспектов. Так как, большие массы воды перераспределяются между различными природными и административными районами. В связи с этим, к осуществлению проектов переброски стока подходят с большой осторожностью, выполняя комплексные научные исследования по их обоснованию. Проводятся изыскания альтернативных вариантов восполнения дефицита водных ресурсов, осуществляя различные мероприятия по экономии пресных вод и по сохранению их качества. К таким мероприятиям относятся:

Ш экономия и охрана водных ресурсов путем резкого снижения водопотребления (в настоящее время, водопотребление населением городов изменяется в пределах от 200 до 400л/сут*чел, однако вполне достаточно, без снижения степени благоустройства, 150 - 220 л/сут*чел.);

Ш сокращение или полное прекращение сбросов в озерно-речную сеть загрязненных сточных вод;

Ш максимально возможное использование местных вод путем сезонного и многолетнего регулирования стока;

Ш использования соленых морских и минерализованных подземных вод.

Пути получения дополнительных ресурсов пресных вод разнообразны и специфичны. Отдать предпочтение тому или иному способу (за исключением экономного использования воды и очистки сточных вод, которые всегда необходимы) можно только сравнивая их по всему комплексу экологических, экономических и социальных показателей.

В настоящее время в мире проектируется, строится и функционирует большое число самых разнообразных по мощности, целевому назначению, техническим решениям систем переброски стока, в разных по физико-географическим условиям территориях. Суммарный объем переброски стока в мире составляет около 400 км3/год, в том числе: в Канаде 140 км3/год, в Российской Федерации- 80 км3/год , в Индии- 50 км3/год , в США- 30 км3/год.

Рис. Объемы переброски стока в Мире, км3/год.

Неоспоримым достоинством территориального перераспределения водных ресурсов, в сочетании с регулированием стока во времени является возможность гарантированного водообеспечения больших регионов, попутно решая проблемы транспорта, рекреации, энергетики, расселения и занятости людей. Однако, в случае осуществления крупномасштабных проектов, экологические, экономические и даже социальные последствия практически не предсказуемы.

2.1 Водохозяйственные расчеты

Водохозяйственные расчеты (ВХР) в традиционном понимании - это методология теоретического и практического решения различных водохозяйственных задач, возникающих в процессе проектирования и эксплуатации водохозяйственных систем. Кроме того ВХР имеют самостоятельное научное значение. Не следует идентифицировать понятия «водохозяйственные расчеты» и «водохозяйственные балансы», поскольку последние являются их составляющей. Одновременно ВХР являются аналитической составляющая водохозяйственного обоснования проектных решений, а также режима управления водохозяйственными системами.

ВХР направлены на всестороннюю оценку соответствия проектируемых гидросооружений и водохозяйственных установок режиму и объему требований к воде участников водохозяйственного комплекса или отдельных водопотребителей для решения проблем водообеспечения, поддержания качества вод и экологического равновесия водных объектов.

В ряде случаев инструментом для решения указанных задач служит уравнение водохозяйственного баланса для водохозяйственного участка и или в створе гидроузла:

Qв.i +Qбп.i Qi - Qвп.i - Qпi - Qн/бi Qеi = 0 ,

где: Qв.i - суммарный расход воды во входных створах водохранилища, представляющий собой сумму естественных расходов воды;

Qбп.i -расход бокового притока воды в рассматриваемое водохранилище;

Qвп.i - суммарный расход безвозвратного водопотребления из рассматриваемого водохранилища;

Qпi - суммарный расход потерь из водохранилища;

Qi - расход воды на сработку (+) или наполнение (-) водохранилища;

Qн/бi - расход воды в нижнем бьефе рассматриваемого гидроузла, с учетом возвратных затрат стока и потерь (шлюзование, фильтрация через тело, основание и берега плотины гидроузла, протечки через неплотности затворов водопропускных сооружений и др.);

Qеi -невязка водного баланса водохранилища, как результат неточности измерения или вычисления статей баланса, а также наличия неучтенных статей водного баланса. Определяется только при исследовании фактических режимов работы водохранилищ и может быть как положительной (+) так и отрицательной (-).

При обосновании правил использования водных ресурсов, ВХР проводятся по многолетним рядам продолжительностью не менее 40-50 лет.

Водохозяйственные расчеты выполняются при разработке разных видов технической документации: Схемы комплексного использования и охраны водных объектов (СКИОВО), технико-экономическое обоснование водохозяйственных или водоохранных мероприятий (ТЭО), типовая документация (ТЭД), технико-экономические расчеты (ТЭР), проекты водохозяйственных систем. Вся отмеченная документация позволяет дать оценку соответствия: проектируемых гидротехнических сооружений и устройств требованиям к потребности в воде участников водохозяйственного комплекса. Расчеты проводятся с целью решения проблем водообеспечения, охраны водных объектов и борьбы с негативным воздействием вод.

Решение вопросов с помощью водохозяйственных расчетов, зависит от условий конкретного объекта и стадии проектирования. Например:

- обосновывающие расчеты, выполняемые для ГЭС или энергокомплексов, называют водноэнергетическими (ВЭР), где решаются задачи по определению количества вырабатываемой энергии и требуемых объемов воды для ГЭС, покрытия графика нагрузки энергосистемы и подбор гидросилового оборудования;

- проведение водохозяйственных расчетов гидроузла требует определения время первоначального наполнения водохранилища и потерь воды из него на испарение и фильтрацию.

Фундаментальные основы теории водохозяйственных расчетов разработаны С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем. Основные направления развития водохозяйственных расчетов обоснованы современными задачами, стоящими перед водным хозяйством. Они связаны с разработкой математических моделей природных процессов, имитационного моделирования водохозяйственных систем различного уровня сложности и оптимизацией режима их работы.

Водохозяйственные задачи делятся на основные и частные, возникающие в процессе проектирования и эксплуатации ВХС.

Основные водохозяйственные задачи.

Ш Определение эффекта, получаемого от водохозяйственной системы или отдельной водохозяйственной установки (гарантированное количество воды и энергии, отдаваемое потребителям). Например, требуется решить вопрос водораспределения между ГЭС и орошением в условиях дефицита воды, при имеющемся ресурсе воды (Wрес). Задача решается путем оптимизационных расчетов.

Ш Критерием оптимизации может быть величина суммарных ежегодных затрат (З), которая складывается из затрат на получение продукции с орошаемых земель (Зор) и ГЭС (ЗГЭС). Ограничения накладываются на минимальный объем вырабатываемой электроэнергии (Эмин) и минимальную урожайность, получаемую с орошаемых земель (Умин). Затраты на ГЭС и орошение выражаются в зависимости от требуемых ими объемов воды (Wор, WГЭС):

З=Зор+ЗГЭС Зор=f(Wор) ЗГЭС=f(Wрес-Wор)

Э Эмин У Умин Wрес = Wор + WГЭС

Рис. Оптимизация водораспределения между ГЭС и орошением располагаемого ресурса воды (Wрес=100ед.).

Ш Обоснование водохозяйственных и водоохранных мероприятий, направленных на экономию водных ресурсов и регулирование качества воды.

Например, на основе проведения расчетов водохозяйственного баланса для года основной расчетной обеспеченности, получены результаты:

Месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Год
МВХБ	-1	-2	5	20	10	-4	-5	-4	-3	2	-1	-1	16

В течение года наблюдаются дефициты воды, что говорит о необходимости проведения мероприятий по экономии воды или управлению водными ресурсами.

Ш Обоснование инженерно-технических мероприятий и параметров гидротехнических сооружений, например, объемы и характерные отметки водохранилищ гидроузлов (УМО, НПУ, ФПУ), пропускная способность каналов и водоводов, производительность насосных станций, гарантированная и установленная мощность ГЭС, объем выработки электроэнергии и др.

Ш Водохозяйственное обоснование системы мероприятий для защиты от проявлений негативного действия вод, сокращения и предотвращения социально-экологических и экономических ущербов. Например, в результате разработки проекта гидроузла определена площадь затопления земель водохранилищем, в пределах которой образуется большая зона мелководий, ухудшающая санитарные условия. Необходимо рассмотреть мероприятия по снижению данного негативного влияния. В качестве таковых предложено обвалование территории с устройством берегового и систематического дренажа.

Рис. Защита мелководной зоны водохранилища от затопления и подтопления.

Ш Водохозяйственное обоснование комплексных мероприятий по восстановлению водных объектов. Например, в результате исследования состояния реки, расположенной в пределах города, сделано следующее заключение. Качество воды в реке неудовлетворительное, резко изменилась санитарная обстановка водного объекта и прилегающей территории, ухудшилось экологическое состояние реки (трофический статус оценивается на уровне эвтрофного и гиперэвтрофного). Причины связаны с коренными изменениями на водосборной площади, заилением и замусориванием русла. Сток реки (Wр) меньше экологически допустимой величины (Wэк): WрWэк. Предложены восстановительные мероприятия: выемка загрязненных донных отложений и очистка русла от мусора, аэрация воды, устройство биоплато руслового типа, берегоукрепление, устройство водоохраной зоны и организация мест водопользования. Прогноз изменения состояния реки в результате проведения восстановительных мероприятий показал их экологическую и экономическую эффективность.

Ш Разработка имитационных моделей для систем регулирования и территориального перераспределения стока, в том числе каскадов водохранилищ. Моделирование один из способов проверки гипотезы. Различают физическое и математическое моделирование. Основная цель моделирования -- исследовать объекты и прогнозировать результаты будущих наблюдений. Физические модели позволяют воссоздать масштабную физическую копию исследуемого объекта на основе теории подобия. Математическое моделирование дает возможность воссоздать исследуемый класс явлений или объектов реального мира на языке математики. Математическое моделирование и связанный с ним эксперимент незаменим в тех случаях, когда натурный эксперимент или физическое моделирование невозможны или затруднены по тем или иным причинам, например, оптимизация параметров работы гидроузла.

Ш Разработка «Правил использования водных ресурсов водохранилищ». Эксплуатация гидроузлов и водохранилищ осуществляется по определённым правилам, которые отражаются в виде диспетчерских графиков. Правила позволяют обеспечивать водой потребителей в зависимости от конкретных условий (многоводного или маловодного года), не допустить создание аварийной ситуации (при пропуске больших объемов весеннего половодья), поддерживать экологическое состояние реки в нижнем бьефе гидроузла и др.

Частные водохозяйственные задачи.

§ Оценка располагаемых водных ресурсов.

- Определение лимита и качества речной воды. Лимит воды, возможный для безвозвратного использования объем, определяется как разность объемов: ресурса воды в реке (Wр) и требуемого объема воды для водопользования (объем попусков Wпоп) Wлим. = Wр - Wпоп.

- Определение оросительной способности реки. Оросительная способность источника водоснабжения, т.е. площадь, которую можно оросить, определяется исходя из лимита воды (Wлим), суммы безвозвратного водопотребления (Wб.п) другими участниками ВХК и оросительной нормы брутто (М):

Fор =(Wлим.-Wб.п) /М);

§ составление водохозяйственных балансов с учетом территориального деления воды в трансграничных створах.

Створ 1-1: Wр1-Wб.п.1 -Wэкол1 =ВХБ1

Створ 2-2: Wр2 +ВХБ1+Wпоп1-Wб.п.2 -Wэкол2 =ВХБ2

Из створа 1-1 переходит объем воды W1-1= ВХБ1 + Wпоп1

Расчетная схема для составления водохозяйственного баланса в трансграничном створе двух стран (1-1) и использование результатов расчета, для воднобалансовых расчетов в заключительном створе (2-2).

§ повышение репрезентативности гидрологической и водохозяйственной информации (использование рек-аналогов, применение стохастических и детерминированных моделей);

§ определение параметров гидротехнических сооружений (протяженность дамбы обвалования или плотины, их высота и объем);

§ построение диспетчерских графиков одного или каскада водохранилищ;

§ определение продолжительности пускового периода водохранилищ. После завершения строительных работ по возведению гидроузла, осуществляются работы по наполнению водохранилища.



Рис. Схема определения продолжительности пускового периода (5лет).

Продолжительность периода зависит от наполняемого объема (Wпол.=Wплз+Wмо) и потерь воды на водонасыщение берегов водохранилища (Wпот.). Наполнение происходит за счет объемов свободного стока реки в i-ый год пускового периода Wсвi = Wрi - Wэколi - Wб.п.i.

§ Распределение водных ресурсов между участниками ВХК в условиях дефицита воды. Распределение располагаемого ресурса (Wрес) проводится на основе оптимизационных расчетов. Критерием оптимизации может служить максимизация чистого суммарного дохода, получаемого от отдельных участников ВХК: , ЧДi =f(Wi), ограничение , где

ЧДi - чистый доход, получаемый i-м участником ВХК; Wi - объем воды требуемый i-му участнику ВХК для получения продукции.

§ Анализ изменения уровенного режима естественных водоемов. Например, в результате безвозвратного водопотребления из рек, впадающих в озеро, объем стока в них снизился на 20%. Следует оценить, как это скажется на уровенном режиме озера.



Водный баланс озера определяется речным стоком и испарением с водной поверхности: W1+W2+W3-E(F)=V. Снижение объема речного стока за счет водозабора приводит к снижению составляющих баланса. Скорость снижения испарения меньше скорости снижения приходной статьи, в силу действия принципа Ле Шателье - Брауна:

внешнее воздействие на систему (водозабор) стимулирует в ней внутренние силы, направленные на снижение воздействия. Объем воды в озере снижается, что в свою очередь формирует определенный уровенный режим.

Схема определения влияния водозабора из рек впадающих в озеро на его уровенный режим: а). - расчетная схема; б). - график зависимости изменения уровня воды в озере от объема суммарного водозабора из рек; в). - зависимость испарения с водной поверхности озера от стока рек.

§ Определение зон влияния водохранилища на прилегающие объекты. Влияние водохранилища сказывается через изменение: климатических параметров (на расстояние до 1-3км), уровенного режима грунтовых вод ( в зависимости от использования прилегающих земель, гидрогеологических и гидрологических условий) и др.

§ Расчет пропуска половодий и паводков (определение емкости форсировки, границ затопления и подтопления, высоты и протяженности защитных дамб). Например, требуется определить параметры водосливной части открытого регулируемого водосбросного сооружения и отметку ФПУ. Отметка порога водослива (П) определяется при известной отметке НПУ. Для этого зная допустимый удельный расход воды в нижнем бьефе (q) и максимальный расход основной расчетной обеспеченности, например Р=3%, (Q3%), определяется требуемая ширина водослива: B=Q3%/q . Далее определяется глубина воды на водосливе (hНПУ): , что позволяет рассчитать отметку порога водослива: П =НПУ-hНПУ. По формуле определяется глубина воды на водосливе при пропуске расхода проверочной обеспеченности, например Р=0,5%: . Отметка ФПУ составит ФПУ=П+hФПУ.

Общая методика определения водохозяйственного эффекта от создания ВХС или отдельной водохозяйственной установки включает следующие расчеты.

- Определение гарантированного объема воды подаваемого потребителю (W), который является функцией следующих характеристик:

W = f(Wp, Cv, Cs, r, wpi, V, Э, U)

где Wp - среднемноголетнее значение естественного стока; Cv, Cs - изменчивость и асимметрия речного стока; r - коэффициент автокорреляции между обеспеченностями стока смежных лет (который определяет тесноту связи гидрологических характеристик временных рядов); wpi - внутригодовое распределение ресурсов; Р - критерий покрытия потребностей в воде; V - параметры водохозяйственной системы, например: емкость водохранилища; пропускная способность каналов и водоводов, производительность насосных станций; Э - санитарно-экологические требования; U - управление водными ресурсами.

- Обоснование водохозяйственных мероприятий и параметров гидротехнических сооружений. К основным параметрам гидроузла относятся: объемы и характерные отметки уровня воды в водохранилищах: УМО, НПУ, ФПУ; пропускная способность каналов и водоводов; производительность насосных станций; гарантированная и установленная мощность ГЭС; выработка электроэнергии и другие показатели.

В современных условиях водохозяйственные задачи направлены, в основном, не на проектирование новых объектов, а на изменение режима регулирования стока существующими гидроузлами и снижение антропогенного воздействия. Связано это с тем, что, несмотря на огромный потенциал водных ресурсов России, дальнейший рост водопотребления ограничен существующими масштабами регулирования стока и экологическими проблемами.

2.2 Водохозяйственные системы

Водохозяйственная система - это совокупность технических средств и сооружений связанных между собой территориально и функционально. Водохозяйственная система включает в себя отраслевые сооружения (используемые в интересах отдельных участников водохозяйственного комплекса) и комплексные сооружения (используемые в интересах всех участников водохозяйственного комплекса).

В зависимости от состава участников на комплексных гидроузлах выделяют следующие отраслевые сооружения.

Гидроэнергетические сооружения, предназначенные для выработки и распределения электроэнергии: водоприемники и турбинные водоводы, здание гидроэлектростанции с энергетическим оборудованием, водоотводящие сооружения, вспомогательное оборудование, открытые распределительные устройства и др.

Водозаборные сооружения, которые позволяют осуществлять забор воды для нужд участников ВХК: водоприемники, насосные станции, отстойники, станции водоподготовки.

Судоходные и лесосплавные сооружения, предназначенные для обслуживания судов, плотов, бревен и пропуск их через комплексный гидроузел: шлюзы, судоподъемники, причалы, плотоходы, бревноспуски и др. водохранилище сток бассейн гидротехнический

Рыбохозяйственные сооружения, предназначены для пропуска рыб проходных пород к местам нереста и обратно, защиты от попадания рыб в водозаборы и искусственного их разведения: рыбоходы, рыбопропускные шлюзы, рыбоподъемники, рыбозащитные сооружения, сооружения для искусственного рыборазведения.

Сооружения для борьбы с вредным воздействием вод. Они предназначены для защиты: населенных пунктов и экономических объектов от наводнения, селевых потоков; берегов от размыва; плодородных земель от эрозии. Например: защитные дамбы, водохранилища.

Рекреационные сооружения, предназначенные для организации всестороннего отдыха и лечения на воде: прежде всего оборудованные и защищенные от волнового воздействия пляжи, причальные сооружения и др.

К комплексным сооружениям относят плотину и водохранилище, а также и некоторые отраслевые сооружения (частично или полностью), если значение их в обеспечении нормального функционирования всего ВХК велико, например, причал на берегу водохранилища, который является основой транспортного узла, обслуживающего всех участников водохозяйственного комплекса. К комплексным сооружениям относятся и вспомогательные сооружения, обеспечивающие эксплуатацию гидроузла. Например: жилые, административные, хозяйственные и культурно-бытовые постройки, дороги, системы связи и т. п.

Комплексными гидроузлами считаются и отдельные гидротехнические сооружения, например: крупный канал, используемый для судоходства, орошения, рыбного хозяйства, водоснабжения и т.п.; насосную станцию, подающую воду для всех участников водохозяйственного комплекса, и т. п.

Плотина - это гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток и его долину для подъема уровня воды. Плотины классифицируются:

- по материалу изготовления тела: грунтовые или каменно-набросные, бетонные, железобетонные. Возможны комбинации различных типов материала;

- конструктивным признакам и условиям статической работы: гравитационные, контрфорсные, арочные.