Водохозяйственный баланс

Раздел 1.Приходная часть годового ВХБ

Уравнение годового водохозяйственного баланса (ВХБ) имеет вид:

Wпр-Wрасх=?W, (1.1)

где Wпр- приходная часть годового ВХБ; Wрасх - расходная часть годового ВХБ; ?W - результирующая часть годового ВХБ.

Приходная часть годового ВХБ рассчитывается по формуле:

Wпр=Wф+Wс+?Wвg+Wп+Wпоп, (1.2)

где Wф- годовой объем стока, формирующегося в районе рассматриваемого гидроузла;

Wg - объем возвратных вод g-того потребителя, поступающих в водоем выше рассматриваемого створа;

Wп- объем пригодных для использования подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком;

Wпоп- попуск из вышележащего водохранилища (учитывается в том случае, если рассматриваемый гидроузел является элементом каскада гидроузлов);

Wс- годовой объем стока, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла (при отсутствии каскада).

Элементы приходной части можно определить следующим образом.

Годовой объем стока, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла (при отсутствии каскада):

Wс = ?Qi?ti, (1.3)

где Qi - расход стока в i-ом месяце;

ti - продолжительность i - того месяца.

Формирующийся в районе гидроузла полный речной сток R связан с атмосферными осадками следующим образом:

Wф=?Ri?ti, (1.4)

где Ri - полный речной сток в районе гидроузла в i-ом месяце.

R=Кс?Х, (1.5)

R=Х - E,(1.6)

где Х - объем атмосферных осадков за год;

Кс - коэффициент стока;

E - суммарное испарение с поверхности водосборной территории.

Суммарный расход определяется как Ri+Qi=Q, а также по формуле:

Q=W/А,(1.7)

гдеА - активность водообмена;

W - объем водоема или другой части гидросферы.

Объем возвратных вод Wв, поступающих в водоем выше рассматриваемого створа, рассчитывается по зависимости:

Wв=Wg?Квg,(1.8)

где Wg - годовой объем потребления воды потребителем; Квg - коэффициент возврата водопотребителя.

Объем возможных для использования подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, определяется по формуле:

Wп=?Qпi?ti,(1.9)

где Qпi - расход подземного водозабора в i-ом месяце;

ti - продолжительность i-го месяца.

Объем стока Wс и объем Wп можно рассчитать по формуле:

Wс=Qсг?Т, (1.10) Wп=Qсп?Т,(1.11)

где Qсг - средний годовой расход стока;

Qсп - средний расход подземных вод;

Т - число секунд в году;

Т=??ti, Qсг=?Qi/12, Qсп=?Qпi/12.

Раздел 2.Расходная часть годового ВХБ

Расходная часть годового ВХБ рассчитывается по формуле:

Wрасх=?Wg+?Wраз g+?Wпоп j, (2.1)

где Wg - годовой объем потребления воды g-м потребителем;

Wраз g- годовой объем воды, потребный для разбавления возвратных

вод g-го потребителя поступающих в верхний бьеф;

Wпопj - объем попусков в нижний бьеф j-го вида (санитарных, энергетических, судоходных, водоснабженческих, рыбохозяйственных).

Элементы расходной части можно определить следующим образом.

Годовой объем потребления воды потребителем:

Wg=Вg?qg?t/зg, (2.2)

где Вg - объем продукции потребителя, определяющий забор воды;

qg - норма потребления воды (на единицу продукции) потребителя;

t - продолжительность периода водопотребления;

зg - коэффициент полезного действия водоподводящих устройств.

Годовой объем воды, потребный для разбавления возвратных вод потребителя:

Wраз=Wв?Кр, (2.3)

где Wв - годовой объем возвратных вод потребителя;

Кр- коэффициент разбавления возвратных вод.

Годовой объем попусков в нижний бьеф:

Wпоп=?Q поп i?ti, (2.4)

где Q поп i- расход попусков в i-го вида;

ti- продолжительность попусков i-го вида.

Раздел 3.Гидравлический расчет нагорных каналов

Расчет производят по следующим формулам:

Sв= 8,01/ F0,178, (3.1)

где Sв - модульстока весеннего паводка;

Sл = 2,54/ F0,25, (3.2)

где Sл - модуль стока для высоких летних вод

Sb = 0,816/ F0,311, (3.3)

где Sb- модуль бытового стока.

Расчет расходов воды по следующей формуле:

Q = W?V,(3.4)

где W - площадь живого сечения потока;

V - средняя скорость течения.

Расход воды для разных модулей стока определяют по следующей формуле:

Qв= S?F/1000,(3.5)

где Qв- расход воды для модуля стока весеннего паводка;

Qл = S?F/1000,

гдеQл - расход воды для модуля стока летнего паводка;

Qб = S?F/1000 ,

где Qб- расход воды для бытового модуля стока.

Расчет смоченного периметра:

ч= b + 2h ?1+ m2 ,(3.6)

где ч - смоченный(длина линии дна реки между урезами воды);

b - ширина канала по дну;

h - глубина канала по дну;

m-коэффициент заложения откосов (принимается от 1,5 до 2).

Расчет гидравлического радиуса:

R = W/ ч(3.7)

Расчет коэффициента Шези:

C = (1/n)?Ry, (3.8)

где C - коэффициент сопротивления трения по длине (коэффициент Шези), являющийся интегральной характеристикой сил сопротивления;

n - коэффициент шероховатости, который зависит от материала грунта

Для расчета используем n = 0,02

1/n = 50

y - показатель степени, зависящий от величины коэффициента шероховатости и гидравлического радиуса:

при R? 1 > y = 1,5vn

при R? 1 > y = 1,3vn

Расчет сечения канала:

W = h?(b + m?h),(3.9)

где h - глубина заполнения канала;

b - ширина канала по дну;

m - коэффициент заложения откосов, для расчетов используем m = 2.

Расчет расходной части характеристики канала или модуль расхода:

K = W?C?vR,(3.10)

где K - модуль расхода;

W - модуль скорости;

Расчет фактического модуля расхода:

Kф = Qв / vi,(3.11)

гдеi - уклон.

Определение фактического уклона:

iфакт= V2доп/ C2?R,(3.12)

Vдоп-допустимая средняя скорость потока равная .

Для расчета используем Vдоп= 0,6 (м/с).

Определение фактической скорости воды в канале:

Vф = C?vR?iфакт(3.13)

необходимо соблюдение данногоусловия:VФ ? Vдоп

2. Практическая работа № 1

2.1 Расчет приходной части водохозяйственного баланса

Цель: Научиться проводить расчет приходной части годового водохозяйственного баланса.

Упражнение 1.1

Исходные данные:

Средний годовой расход воды Qсг= 10 м3/с;

Расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, равен нулю (Qпг=0);

Попуск из вышележащего водохранилища отсутствует (Wпоп=0);

Все потребители расположены в верхнем бьефе (табл. 1.3);

Система водоснабжения прямоточная;

Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать (Wф=0).

Таблица 2.1 - Данные о водопотребителе

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового ВХБ (водохозяйственного баланса)

Выполнение работы:

по формуле (1.4) рассчитывается годовой объем стока Wс,

формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

по формуле (1.8) рассчитывается объем возвратных вод Wвg,

поступающих в водоем выше рассматриваемого створа;

по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть ВХБ Wпр.

Пример:

Рассчитать годовой объем стока

Wc= 10 ? 60 ? 60 ? 24 ? 365 = 315 360 000 = 315 360000(м3)

1.2. Рассчитать объем возвратных вод от каждого потребителя

Wв1= 49 ? 0,9 = 44 100 000(м3)

Wв2= 18 ? 0,85 = 15 300 000(м3)

Wв3= 27 ? 0,15 = 4 050 000(м3)

Рассчитываем общее количество возвратных вод от всех водопотребителей

Wв= 44 100 000 + 15 300 000 + 4 050 000 = 63 450 000( м3)

Рассчитываем приходную часть ВХБ

Wпр= 315 360 000 + 63 450 000 = 378 810 000(м3)

Таким образом, приходная часть водохозяйственного баланса при заданных условных значениях составляет 378 810 000 м3.

Упражнение 1.2

Исходные данные:

Средний годовой расход воды Qсг= 6,3 м3/с;

Среднегодовой расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, составляет Qпс=5,0 м3/с;

Попуск из вышележащего водохранилища составляет Wпоп= 60 млн. м3;

Все потребители расположены в нижнем бьефе (таблица 1.1);

Система водоснабжения - прямоточная;

Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать Wф= 0.

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового водохозяйственного баланса.

Ход выполнения работы:

по формуле (1.4) рассчитывается годовой объем стока Wс, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

по формуле (1.11) рассчитывается годовой объем стока подземных вод Wп, гидравлически не связанных с речным стоком;

поскольку водопотребители расположены в нижнем бьефе,

объем возвратных вод принимается равным нулю;

по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть баланса Wпр.

Пример:

Рассчитать годовой объем стока

Wc=6,3? 60 ? 60 ? 24 ? 365 = 198 680 000 (м3)

Объем возможных для использования подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком

Wп = 5 ? 60 ? 60 ? 24 ? 365 = 157 680 000(м3)

Поскольку все водопотребители расположены в нижнем бьефе рассматриваемого гидроузла, то объем возвратных вод от них не учитывается

Wв = 0

Рассчитываем приходную часть ВХБ

Wпр= 198 680 000 + 157 680 000 + 60 = 416 360 000(м3)

Таким образом, приходная часть водохозяйственного баланса при заданных условиях составляет 416 360 000 м3 .

Упражнение 1.3

Исходные данные:

Средний годовой расход воды Qсг= 12 м3/с;

Среднегодовой расход подземных вод, гидравлически не связанных с речным стоком, отсутствует;

Попуск из вышележащего водохранилища составляет Wпоп=15 млн. м3;

В нижнем бьефе расположены животноводческие фермы с объемом водопотребления 5 млн. м3/год и коэффициентом возврата 0,5. Информация о других потребителях, расположенных в верхнем бьефе, приведена в табл. 1.1;

Все потребители, кроме промышленности, имеют прямоточную систему водоснабжения, промышленность - оборотную;

Объем стока, формирующегося в районе, не учитывать (Wф=0).

Задание к работе: рассчитать приходную часть годового ВХБ

Ход выполнения работы:

по формуле (1.4) рассчитывается годовой объем стока Wс, формирующегося выше района рассматриваемого гидроузла;

по формуле (1.8) рассчитывается объем возвратных вод Wвg, , поступающих в водоем выше рассматриваемого створа; поскольку животноводческие фермы расположены в нижнем бьефе, объем возвратных вод животноводства равен нулю; также равен нулю объем возвратных вод промышленности;

по формуле (1.2) рассчитывается приходная часть баланса Wпр

Пример:

Рассчитать годовой объем стока

Wc= 12 ? 60 ? 60 ? 24 ? 365 = 378 432 000 ? 12 = 454 120 000(м3)

Рассчитать объем возвратных вод от потребителей

Wв2= 18 ? 0,85 = 15 300 000(м3)

Wв3 = 27 ? 0,15 = 4 050 000(м3)

?W = 19 350 000(м3)

Рассчитываем приходную часть ВХБ

Wпр= 454 120 000 + 19 350 000 + 15 300 000 = 488 770 000(м3)

Таким образом, приходная часть водохозяйственного баланса при заданных условиях составляет 488 770 000 м3.

3. Практическая работа № 2

3.1 Определение расходной части водохозяйственного баланса

Упражнение 2.1

Цель: Научиться проводить расчет расходной части годового водохозяйственного баланса.

Исходные данные:

Санитарный расход воды в нижний бьеф составляет Qсан= 3 м3/c;

В верхнем бьефе расположены животноводческие фермы с объемом водопотребления 5 млн. м3/год, коэффициентом возврата 0,5 и коэффициентом разбавления возвратных вод 10. Информация о других потребителях приведена в табл. 3.1. Возвратные воды орошения отводятся в нижний бьеф, возвратные воды прочих потребителей - в верхний бьеф. Забор воды всеми водопотребителями осуществляется в верхнем бьефе;

Таблица 3.1 - Информация о потребителях

Все потребители, кроме промышленности, имеют прямоточную систему водоснабжения, промышленность - оборотную;

Ход выполнения работы:

по формуле (2.4) рассчитывается годовой объем попусков в нижний бьеф Wпоп;

по формуле (2.3) рассчитывается объем Wраз, необходимый для разбавления возвратных вод, поступающих в верхний бьеф; промышленность и орошение не учитываются, так как в промышленности - оборотная система водоснабжения, а сточные воды с орошаемых земель поступают в нижний бьеф;

рассчитывается суммарный объем водопотребления;

по формуле (2.1) рассчитывается расходная часть ВХБ Wрасх.

Пример:

Рассчитать годовой объём попуска в течение года

Wпоп= 3 ? 60 ? 60 ? 24 ? 365 = 94 608 000(м3)

Рассчитываем объем возвратной воды, необходимой для разбавления , поступающей в верхний бьеф

Wраз g = 18 ? 0,85 ? 5 + 5 ? 0,5 ? 10 = 101 500 000(м3)

Рассчитываем объем возвратной воды, необходимой для разбавления , поступающей в нижний бьеф

Wраз g = 27 ? 0,15 ? 3 = 12 150 000(м3)

Рассчитываем годовой объем потребления всеми потребителями

Wg= 5 +49 + 18 + 27 = 99 000 000(м3)

Рассчитываем расходную часть ВХБ на исследуемой территории

Wрасх= 94608 + 101 500 + 12 150 + 99 000 = 307 258 000(м3)

Таким образом, расходная часть ВХБ при заданных условиях составляет 307 258 000 м3 .

Упражнение 2.2

Цель: научиться проводить расчет расходной части годового водохозяйственного баланса.

Исходные данные:

Санитарный расход воды в нижний бьеф с июля по март включительно составляет Qсан=3 м3/c, в прочие месяцы - отсутствует;

В верхнем бьефе расположены животноводческие фермы с общим поголовьем скота 500 голов, коэффициентом возврата 0,5 и коэффициентом разбавления возвратных вод 10. Информация о других потребителях приведена в табл. 3.2. Возвратные воды орошения отводятся в нижний бьеф, возвратные воды прочих потребителей - в верхний бьеф. Забор воды всеми потребителями осуществляется в верхнем бьефе.

Таблица 3.2 - Исходные данные иных потребителей

Все потребители, кроме промышленности, имеют прямоточную систему водоснабжения, промышленность - оборотную;

Коэффициент полезного действия водоподводящих устройств з = 0,9;

Норма водопотребления в промышленности составляет 4000 м3/(т•год), в коммунальном хозяйстве - 150 л/(чел•сут), в животноводстве - 50 л/(гол.•сут), при орошении - 4500 м3/(га•год);

Задание к работе: рассчитать расходную часть годового водохозяйственного баланса.

Ход выполнения работы:

по формуле (2.4) рассчитывается годовой объем попусков в нижний бьеф Wпоп;

по формулам (2.3) рассчитывается объем Wраз, необходимый для разбавления возвратных вод, поступающих в верхний бьеф; промышленность и орошение не учитываются, так как в промышленности - оборотная система водоснабжения, а сточные воды с орошаемых земель поступают в нижний бьеф;

по формулам (2.3) рассчитывается объем Wраз, необходимый для разбавления возвратных вод орошения, поступающих в нижний бьеф;

рассчитывается суммарный объем водопотребления;

по формуле (2.1) рассчитывается расходная часть ВХБ Wрасх.

Пример:

Wпоп= 3 ? 60 ? 60 ? 24 ? 274 = 71 021 000(м3)

Рассчитываем объем потребления воды всеми потребителями:

Животноводство:

Wg= 500 ? 0,05 ? 365/ 0,9 = 10 139 000(м3)

Промышленность:

Wg= 10 205 ? 4000 ? 1/ 0,9 = 45 356 000(м3)

Коммунально бытовые:

Wg= 2 172 ? 0.15 ? 365/ 0,9 = 132 130 000(м3)

Орошение:

Wg= 7 188 ? 4 500 ? 1/ 0,9 = 35 940 000(м3)

Объем разбавления в верхнем бьефе:

Животноводство:

Wраз= 10 139 ? 0,5 ? 10 = 50 690 000(м3)

Коммунально бытовые:

Wраз= 132, 13 ? 0,85? 5 = 562 000 000(м3)

?Wраз= 50 690 + 562 = 51 252 000 000(м3)

Объем разбавления в нижнем бьефе:

Орошение:

Wраз = 35 940 ? 0,15 ? 3 = 16 173 000 000(м3)

Считаем расходную часть:

Wрасх= 10 139 + 45 356 + 132,13 + 35 940 + 71 021 + 51 252 + 6 173=230 013 000 000(м3)

Таким образом, расходная часть водохозяйственного баланса составляет

230 013 000 000 м3.

4. Практическая работа № 3