Водохозяйственный комплекс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цель работы: формирование водохозяйственного комплекса в бассейне реки с учетом санитарно-экологических требований и обоснование системы его водообеспечения на базе руслового водохранилища сезонного регулирования стока и совмещенной с платиной ГЭС.

Водохозяйственный комплекс (ВХК) - совокупность отраслей народного хозяйства и природных объектов, совместно использующих водные ресурсы одного или нескольких бассейнов рек.

Формирование ВХК - одна из наиболее сложных предпроектных задач, при его обосновании следует учитывать следующие составляющие:

1) природная - заключается в потребности различных отраслей народного хозяйства определенного количества и качества водных ресурсов, на основании чего делается вывод о возможности и необходимости создания ВХС в рассматриваемом районе.

2) техническое - заключается в создании системных взаимосвязей технических решений сооружений с мероприятиями, обеспечивающими функционирование ВХС в конкретных местных условиях.

3) экономическая - заключается в техником и экономическом обосновании ВХС, которое позволяет получить максимальный экономический эффект, при условии удовлетворения социально-экономической сферы.

4) социальная - заключается в учитывании нравственных, национальных и медицинских аспектах.

5) экологическая - заключается в анализе ущерба наносимом ВХС природным объектам.

В состав ВХС входят следующие участники:

· коммунально-бытовое хозяйство (КБХ) городов и сельских населенных пунктов (ГКБХ и СКБХ);

· промышленное производство;

· сельское хозяйство: (а) животноводство,

(б) мелиорация - (б.1) орошение, (б.2) осушение;

· энергетика (ТЭС, АЭС, ГЭС);

· рекреация;

· водный транспорт;

· рыбное хозяйство;

· лесосплав.

В составе работы решаются следующие задачи: 1) дается оценка располагаемых водных ресурсов объекта.

2) рассчитываются требования водопотребителей и водопользователей.

3) проведение водобалансовых расчетов.

4) выяснение путей покрытия дефицитов водных ресурсов.

5) уточнение параметров водохранилища.

6) определение параметров энергосистемы.



1. Оценка располагаемых водных ресурсов объекта

Располагаемые водные ресурсы можно оценить по поверхностным и подземным составляющим.

Поверхностные ресурсы характеризуются объемом стока и режимов внутри годового распределения.

Подземные воды характеризуются потенциальными запасами (ПЗ) и эксплуатационными ресурсами (ЭР).

Поверхностный сток

Расчетные характеристики: 1)Среднегодовой расход воды

Q₀ = 17 м³/с

2) Среднемноголетний объем стока

= Q₀ · Т = 17 · 31,54 = 535,5 млн.м³/год

Т = 24 · 60 · 60 · 365 · 10^-4 = 31,5 млн.с.

3) Площадь водосбора

F_вод = 2300 км²

4) Коэффициент вариации

С_v = 0,1…1

5) Коэффициент асимметрии

C_s = 2C_v

6) Модуль поверхностного стока

л/с·км²

7) Коэффициент автокорреляции

r_а - характеризует вероятность связи между стоками смежных лет, принимается в зависимости от

С_v; C_s = 2C_v

С_v = 0,34

W_25% = 1,2 · 536,11 = 643,332

W_50% = 0,961 · 536,11 = 515,2

W_75% = 0,754 · 536,11 = 404,23

W_90% = 0,597 · 536,11 = 320,06

W_95% = 0,518 · 536,11 = 277,70

W_97% = 0,467 · 536,11 = 250,36

Расчетные гидравлические характеристики

Параметры	Годовой объем различной обеспеченности, W%, мм м3
	25%	50%	75%	90%	95%	97%
Кр%	1,2	0,961	0,754	0,597	0,518	0,467
Wр%, мм м3	643,33	515,2	404,23	320,06	277,7	250,36

Wр% = · Кр_% , мм м³

2. Подземные, водные ресурсы. Краткое описание количественная оценка

Подземные воды - это наиболее устойчивый источник пресных вод, повсеместно используемый для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Подземные воды (ПВ) обладают рядом преимуществ по сравнению с поверхностными: они более равномерно распределены как по территории так и во времени, кроме того они лучше защищены от загрязнения и заражения.

В работе при оценке подземных ресурсов будем рассматривать две составляющие: 1. Потенциальные запасы (ПЗ) - их можно оценить зная мощность распространения ПВ; 2. Эксплуатационные ресурсы (ЭР) - количество ПВ, которое может быть получено по средствам рациональных водозаборов, то есть экономически оправданное число сооружений (скважин) и их расположение.

Для характеристики связи между ПЗ и ЭР используем уравнения:

м³/с

где - это ЭР; - естественный приток ПВ; - ПЗ, - срок эксплуатации скважин ( = 25 ч 50 лет), - привлекаемые ресурсы - ресурсы поверхностного речного стока или смежного водоносного горизонта, характеризуют связь поверхностных и подземных вод.

Факторы влияющие на гидравлическую связь поверхностных и подземных вод: 1) подземный водозабор расположен на значительном удалении от гидравлической сети или же ПВ не имеют гидравлической связи с поверхностными водами, отгорожены водоупоры. б_г.св. = 0 - коэффициент гидравлической связи поверхностных и подземных вод.

2) подземный водозабор осуществляется из речных долин, то есть фактически забирается речной сток. б_г.св. = 1.

3) промежуточный вариант, при котором гидравлическая связь ПВ и поверхностных вод осуществляется на основе изысканий. б_г.св. = 0,3 ч 0,7.

В работе эксплуатационные ресурсы ПВ найдем по модулю ПВ (м_ПВ)

м_ПВ = 0,2 л/с·км²



м³/с

W_Э = Q_Э · Т = 31, 54 · 0,46 = 14, 51

W_Э.г.св. = W_Э · (1 - б_г.св.) = 4,804; б_г.св.= 0,4

3. Водные ресурсы водохранилища

Условия выбора расчетного створа предполагаемого места строительства плотины:

1. Наличие естественной топографической ёмкости.

2. Наличие подстилающих водонепроницаемых грунтов.

3. Фильтрационные свойства грунтов должны обеспечивать нормальных режим регулирования, не должно быть размывов и карстов.

4. Район строительства должен быть сейсмически устойчив.

5. Створ по возможности должен быть ниже по течению реки, для того чтобы контролировать больше стока; в то же время сосредоточенные притоки не должны нести большого количества наносов.

6. Русло реки ниже створки гидроузла должно быть по возможности прямолинейным. Во избежание разлива нижнего бьефа.

7. Минимальный объем земляных работ.

В работе предварительно принимаем высоты плотины 40 ч 50 м с отметкой дна в створе гидроузла.

Расчеты площадей зеркала водохранилища и объемов водохранилища для построений батиграфических характеристик

Отметка поверхности земли, м	Средняя hi глубина, м	Площадь зеркала, щi , млн.м2	Объем водохранилища, Wi=2/3·hi·щi, млн.м3
дна = 435	0	0	0
440	5	0,8625	2,875
450	15	1,875	18,75
460	25	6,73	112,1875
470	35	16,04	374,36
480	45	30,12	903,6
490	55	43,47	1593,9

4. Структура водохозяйственного комплекса и его потребность в водных ресурсах

ВХК можно рассматривать как совокупность мероприятий и сооружений по рациональному использованию водных и связанных с ними природных ресурсов, позволяющий оптимально удовлетворять всех участников ВХК имеющимся ресурсом воды.

ВХК осуществляет организацию управления водохозяйственной системой, так как использование водных ресурсов в больших масштабах сопряжено с установлением связей в природе и системе народного хозяйства.

Состав участников ВХК и их описание.

Участниками ВХК являются:

1. Водопотребители - участники ВХК изымающих воду из водных объектов, возвращающие часть ее в меньшем количестве и худшего качества в тот же или другой объект, а часть воды теряется безвозвратно, так как входит в состав вырабатываемой продукции (ГКБХ, СКБХ, промышленность, животноводство, орошение, ТЭС, рекреация).

2. Водопотребители характеризуются тремя показателями:

а) Объемом водопотребления W_i, млн.м³

б) Объемом возвратных (сточных) вод W_ВВi = W_i · К_ВВi - коэффициент возвратных вод = 0 ч 1, млн.м³

в) Объем предельной загрязненности сточных вод W_ПЗ = W_ВВi · К_ПЗ, млн.м³ К_ПЗ - показывает осредненное по загрязненным веществам превышение нормативов > 1.

Водопользователи характеризуются объемом попусков в нижний бьеф.

Расчет водопотребления и водоотведения участников ВХК

1. КБХ



, млн.м³

где - численность населения, проживающего в городах и сельских населенных пунктах

- удаленная норма водопотребления, которая зависит от степени благоустройства населенных пунктов.

= 50 ч 125 л/сут.·чел. ; = 125 ч 350 л/сут.·чел.

365 - расчетный интервал времени

- КПД систем водоснабжения, то есть потери воды в результате транспортировки и использовании

млн.м³

млн.м³

2. Животноводство

где - поголовье крупнорогатого скота

- удельная норма водопотребления, которая зависит от вида животного л/сут.·гол.

= 0,7

3. Промышленность

где - годовой объем выпускной продукции

- удельная норма водопотребления в промышленности

4. Орошение

где - площадь орошаемых земель

- оросительная норма, то есть количество воды потраченное на полив за весь период вегетации. Зависит от природно-климатических условий и вида растений

- КПД оросительной сети. = 0,7 - полив по бороздам; = 0,9 - дождевание (капельный полив)

5. Рекреация

- количество отдыхающих в санаториях или пансионах

- удельная норма воды в рекреационном учреждении

= 0,95

6. ТЭС

- мощность ТЭС, кВт

- удельная норма водопотребления в ТЭС, т.е. количество воды потраченного на выработку 1 кВт электроэнергии м³/кВт

= 1500 ч 2000 м³/кВт - для прямоточной системы водоснабжения;

= 150 ч 200 м³/кВт - для оборотной системы водоснабжения

= 0,85

Расчеты требований к воде водопользователей.

1. Природоохранные попуски. В реальных проектах объем, и режим этого попуска имеет специальное обоснование. При этом во внимание принимается допустимая величина изъятия стока, наличие предприятий являющихся сильными загрязнителями.

В нашем случае млн.м³

2. Рыбохозяйственные попуски назначаются в размере минимального расхода в году 95% обеспеченности; попуск учитывает условия нереста рыбы, обитающей в рассматриваемой реке. Рассчитывается за период с III по VIII месяц ф_i - количество секунд в месяце

Месяцы	вi ·
III	2Qmin	17,47
IV	3Qmin	25,33
V	3Qmin	26,21
VI	2Qmin	16,89
VII	2Qmin	17,47
VIII	2Qmin	17,47

3. Требования водного транспорта к водным ресурсам сводятся к обеспечению необходимых для пропуска судов глубин, которые в свою очередь определяются объемами воды W_ВТ, в течение навигационного периода с V по VIII.

Месяцы	вi ·
V	2Qmin	17,47
VI	3Qmin	26,21
VII	4Qmin	34,95
VIII	2Qmin	17,47

4. ГЭС требуется объем воды для выработки заданного количества энергии при данном напоре



МВт·ч

где 432- физический коэффициент, в котором учтены плотность воды, ускорение свободного падения, КПД агрегатов ГЭС.

- годовая выработка электроэнергии, МВт·ч

- напор воды на ГЭС, первоначально принимаем м

С другой стороны располагаемые водные ресурсы объекта расчетного года 75% обеспеченности составляют:

млн.м³

млн.м³

Сравниваем:

Если , тогда водных ресурсов недостаточно для удовлетворения требований энергетики. Поэтому необходимо сократить выработку электроэнергии и (или) увеличить напор

, млн.м³

4. Водохозяйственные расчеты

Водное хозяйство является основой водохозяйственного обоснования проектных решений. При выполнении водохозяйственных расчетов решается множество основных и локальных водохозяйственных задач. Одним из основных методов водохозяйственных расчетов является водохозяйственный баланс (ВХБ).

ВХБ - это сопоставление располагаемых водных ресурсов и расчетных требований к воде по количеству и качеству, а также обоснование параметров водохозяйственных мероприятий, связанных с водообеспечением отраслей и предотвращением вредного воздействия сточных вод.

В зависимости от сложности проектной задачи, ее масштабов и уровня возможных последствий от реализации проекта ВХБ выполняются:

1. По расчетным годам характерной обеспеченности 75%.

2. По многолетнему расчетному ряду в интервале объемов стока (месячный, декадный и т.п.) с использованием имитационной водохозяйственной модели или более упрощенным способом.

3. По обобщенным методам на основе обобщенных параметров стока и водопотребления.

4. Сочетание различных методов.

Уравнение водохозяйственного баланса без учета качества воды:

ВХБ =

где - объем приходной части; - объем расходной части; - объем эксплуатационных гидравлически несвязанных с землей подземных вод; - объем водохранилища («+» - водохранилище наполнено, « - » - водохранилище опорожнено; - объем переброски стока; - годовой объем стока воды в реке года 75% обеспеченности; - суммарный объем возвратных вод всех водопотребителей; - суммарный объем водопотребления; - суммарный объем комплексного попуска в нижний бьеф.



Если водохозяйственный баланс без учета качества воды меньше нуля, то водных ресурсов на объекте недостаточно для удовлетворений требований участников ВХК.

Для сведения ВХБ к положительному результату необходимо провести мероприятия по управлению водными ресурсами объекта для ликвидации дефицита воды и предотвращения загрязнения реки, а также предусмотреть меры по рациональному использованию водных ресурсов и охране природы.

Результаты водохозяйственных расчетов используются для оценки качества воды в реке на основе показателей загрязненности сточных вод. Оценка качества речной воды дается путем расчета показателя предельной загрязненности речной воды и классификационной таблицы. Показатель загрязненности реки определяется по формуле:

где, - фактический сток воды в реке,

По величине делается оценка класса качества воды в реке, при этом, приемлемым качеством воды в реке можно считать уровень «умеренно загрязненный».

Существует четыре группы методов управления:

1. Экономия и рациональное использование воды.

2. Перераспределение стока во времени.

3. Перераспределение стока в пространстве.

4. Ограничение водой участников ВХК.



5. Расчет и увязка годового водохозяйственного баланса

Водохозяйственные мероприятия:

1. Прямоточная система очистки. Улучшение качества очистки вод ГКБХ и рекреации (глубокая биологическая очистка сточных вод). Эффективность до очистки сточных вод составляет 90-95%

2. Ведение оборотной системы водоснабжения.

Эффективность данного метода заключается в следующем: 1) Экономия свежей воды (объем водопотребления снижается на объем возвратных вод).

2) Предотвращение загрязнения водного объекта.

3) Экономическая эффективность - введение прогрессивной системы водоснабжения.

3. Ограничение водопотребления в орошении и животноводстве.

В орошении объем водопотребления снижаем на 50% за счет оптимизации оросительной нормы и реконструкции оросительной сети с целью повышения КПД.

В животноводстве объем водопотребления снижается на 20% за счет отказа от гидросмыва:

4. Снижение нагрузки на водный объект со стороны СКБХ, животноводства и орошения.

Для снижения антропогенной нагрузки на водный объект со стороны рассредоточенных источников загрязнения предусматриваются следующие водоохранные мероприятия: 1) Устройство водоохраной зоны.

Водоохранная зона (ВОЗ) - это территория, примыкающая к акваториям рек, озер, водохранилищ, на которой устраивается специальный режим в целях предотвращения загрязнения вод.

В пределах водоохраной зоны выделяют прибрежные полосы - территории со строго ограниченной хозяйственной деятельностью.

Минимальная ширина ВОЗ зависит от крутизны прилегающих склонов и видов угодий на них. Ширина водоохраной зоны зависит от категории реки.

Вблизи орошаемых земель ширина водоохраной зоны увеличивается до 500 м для средних рек. Эффективность ВОЗ составляет 60% (Э_ВОЗ=60%).

2) Для защиты от загрязнения со стороны СКБХ и животноводческого комплекса устраивают отстойники Э_отст = 70%

3) Для задержания сточных вод от животноводства строятся дамбы обваливания Э_д.о. = 60%

4) Складирование отходов и использование их на удобрения, Э_скл = 40%, Э_уд = 50%

5. Повторное использование сточных вод животноводства для орошения.

Сравниваем объем водопотребления

6. Переброска части стока из смежного бассейна реки:

Проведение выше перечисленных мероприятий не смогло увязать ВХБ, в результате чего произведем переброску части стока из смежного бассейна реки.



Вывод: водообеспечение проектируемого ВХК при отсутствии многолетнего регулирования стока возможно лишь в случае реализации выше рассмотренных мероприятий.

6. Расчеты ВХБ в месячных интервалах времени

Основой для составления ВХБ в месячный интервал времени являются данные увязанного годового ВХБ. Необходимость увязки МВХБ определяется неравномерностью стока реки и водопотребления в течение года.

Всех участников ВХБ разделим на две группы:

1) Равномерно потребляющие воду в течение года (ГКБХ, СКБХ, промышленность, животноводство, рекреация, ТЭС).

2) Неравномерно потребляющие воду в течение года (орошение).

Вывод: Результаты расчетов ВХБ в месячных интервалах времени показывают, что в отдельные месяцы года (1,2,6,7,8,9) наблюдаются дефицит водных ресурсов в объеме 21,95, а в остальные месяцы (3,4,5,10,11,12) - избыток в размере 113,79 .

Для ликвидации дефицита необходимо сезонное регулирование стока, которое в работе осуществляется строительством водохранилища, совмещенной с плотиной ГЭС.

Уточнение параметров водохранилища

Определение полезной емкости водохранилища.

Методика определения полезной емкости водохранилища зависит от масштабности проекта, степени ответственности сооружений, режима регулирования стока (сезонное или многолетнее) и стадий проектирования.

В работе примем балансовый метод для расчетного года 75% обеспеченности, т.е. Фактически будем определять емкость водохранилища по разности интегральной кривой стока и водопотребления.

Для расчета воспользуемся таблицей расчетных изолиний водохранилища.

Определение мертвого объема водохранилища.

Мертвый объем (МО) водохранилища назначается из следующих соображений:

1. Заиление емкости водохранилища в результате отложения наносов должно произойти не раньше установленного срока (срок службы водохранилища Т = 50 лет).

2. В соответствии с санитарными требованиями глубина воды водохранилища должна быть не меньше заданной отметки, которая устанавливается из условия:

- предотвращения инфекционных заболеваний (малярия);

- недопущение полного промерзания емкости водохранилища (h >3м);

- обеспечение нормального режима работы водосборных сооружений;

- при наличии судоходства в ВБ глубина должна соответствовать требованиям водного транспорта;

- так как в состав гидроузлов ГЭС, напор, создаваемый при отметке МО должен обеспечивать проектную выработку электроэнергии и гарантированную мощность ГЭС.

Таким образом, при расчете параметров мертвого объема определяющими являются (в нашей работе): санитарные требования, требования заиления и ГЭС. Из трех видов емкостей выбираем максимальную:

Санитарный объем принимаем по величине попуска на разбавление:



Емкость заиления определяется по формуле:

где - среднемноголетний сток реки, ;

- мутность реки, ;

- доля донных наносов по отношению к взвешенным, ;

- время заиления водохранилища, ;

- плотность донных наносов, ;

Определение объемов воды для ГЭС:

где - напор на ГЭС,

Для определения воспользуемся батиграфической зависимостью

- месячный объем воды, необходимый для работы ГЭС;

- среднее количество секунд в месяце,

Находим объем воды для ГЭС в ВБ по батиграфической зависимости отметок ВБ от объема

Получаем .

При полном объеме водохранилища находим

Определяем высоту плотины:

;

Уточняем площадь зеркала водохранилища при

По рисунку получаем

Определяем погрешность между расчетным и графически полученным значением:

Погрешность в пределах допустимых значений. Для дальнейших расчетов принимаем



Выводы

1. В работе запроектирован ВХК в составе следующих участников: ГКБХ, СКБХ, промышленность (завод по производству никеля), орошение, животноводство (КРС), рекреация, ТЭС, водный транспорт, рыбное хозяйство, ГЭС.

Проведен комплекс специальных водохозяйственных мероприятий по экономии водных ресурсов и улучшению их качества (применили 5 методов управления):

1) Введение оборотной системы водоснабжения в промышленности;

2) Глубокая биологическая очистка сточных вод ГКБХ и рекреации;

3) Ограничение водопотребления в орошении и животноводстве;

4) Снижение нагрузки на водный объект со стороны СКБХ, животноводства и орошения;

5) Введение системы повторного использования сточных вод животноводства для орошения

В результате расчетов ВХБ = 91,84

При этом снята необходимость многолетнего регулирования стока.

2. При расчете ВХБ в месячных интервалах времени наблюдается дефициты воды в отдельные месяцы года (1,2,6,7,8,9) в объеме 21,95 а в остальные месяцы (3,4,5,10,11,12) наблюдается избыток воды в объеме 113,79.

3. Запроектировано водохранилище сезонного регулирования для снятия внутригодовых дефицитов водных ресурсов и повышения водообеспеченности с учетом санитарно-экологических требований.

4. В составе гидроузла предусмотрено водохранилище с объемом , земляная плотина с открытым береговым водосбором, здания ГЭС руслового типа.



Список используемой литературы

1. Комплексное использование и охрана природы. Под ред. В.В. Шабанова. - М.: Колос, 1994.

2. Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Соколова С.А. разработка водохозяйственных мероприятий в бассейне реки. - М.: МГУП, 2011. 100с.

3. Практикум по инженерной гидрологии и регулированию стока. Под ред. Е.Е. Овчарова. - М.: Колос, 1996.

4. Мелиорация и водное хозяйство. Т. 5. водное хозяйство: Справочник/ Под ред. Бородавченко И.И., М.: Агропромиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...