Водохозяйственный баланс

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС

Водохозяйственный баланс - это сопоставление располагаемых водных ресурсов с требуемым объемом и режимом водопотребления для анализа водообеспеченности населения и отраслей экономики, а также с целью обоснования комплексных водохозяйственных и водоохранных мероприятий.

Водохозяйственный баланс (ВХБ) является основой планирования использования водных ресурсов и предназначен для целей:

Ш Анализа водохозяйственной обстановки;

Ш оперативного управления водными ресурсами;

Ш обоснование водохозяйственных мероприятий по удовлетворению потребностей в воде населения и отраслей экономики.

1. Водохозяйственный баланс и водный баланс территории

Водохозяйственный баланс следует отличать от водного баланса территории, который служит средством анализа природного и антропогенного круговоротов воды, с целью:

v уточнения располагаемых водных ресурсов;

v определения влияния на них антропогенной деятельности;

v раскрытия закономерностей в формировании вод суши;

v выявления соотношений между приходом и расходом влаги на территории.

Таким образом, водный баланс позволяет определить количество располагаемых водных ресурсов и режим их стока, а водохозяйственный баланс использует эти данные в качестве основной приходной статьи.

Различают водный баланс:

поверхностных вод

Wпов. = Ос - Е - В + П - О ,

где Ос - количество выпадающих осадков;

Е - суммарное испарение;

В - впитывание воды в почву;

П - поверхностный приток воды,

О - поверхностный отток воды,

(Wпов. 0 приводит к появлению поверхностной воды в виде луж, прудиков или увеличению уровня воды в озерах, болотах и т.п.)

почвенных вод

Wпочв. = В ± g,

где ±g - водообмен почвенных и грунтовых вод (+ подпитывание почвенных вод, - подпитывание грунтовых вод);

В - впитывание воды в почву;

(Wпочв. 0 означает увеличение влажности почвы выше среднемноголетнего уровня).

грунтовых вод

Wгр. = g + П - О Р,

где П - подземный приток воды,

О - подземный отток воды,

±Р - водообмен грунтовых вод с нижележащими подземными водоносными горизонтами (межпластовыми водами).

(Wгр. 0 означает подъем уровня грунтовых вод).

общий баланс толщи почво-грунтов (рис.7.1)

W = Ос - Е + (П + П) - (О + О) Р (7.1)

Поверхностный и подземный отток воды с территории идут на формирование объема речного стока: Wр. = О + О

Рис.7.1 Составляющие водного баланса территории между створами 1-2.

2. Виды ВХБ

Различают следующие виды водохозяйственных балансов: отчетный, оперативный, плановый и перспективный.

Отчетный ВХБ предназначен для анализа водохозяйственной деятельности, выявления непроизводительных потерь воды и обоснования путей экономии водных ресурсов. Он составляется по данным за прошедший период.

Оперативный ВХБ предназначен для целей оперативного управления гидроузлами и составляется на ближайший период времени: год, квартал, месяц, декаду. Основой для его составления служит отчетный баланс.

Плановый ВХБ является промежуточным звеном между отчетным и перспективным периодом, что позволяет планировать, контролировать и уточнять этапы достижения результатов перспективного баланса.

Перспективный ВХБ предназначен для разработки планов по использованию водных ресурсов, обеспечивающих намеченное развитие экономики, и составляется на срок 5…20 лет.

3. Водохозяйственный баланс и его составляющие

Водохозяйственный баланс составляется для бассейнов рек (рис.7.2), их участков, отдельных территорий, на которых расположены водохозяйственные комплексы.

Рис.7.2 ВХБ для участка реки расположенного между створами 1-1 и 2-2.

В общем случае уравнение водохозяйственного баланса имеет вид.

ВХБ = Wр + Wр + Wп.в. ± Wпер. + - - Wпоп. -

- * Wп.в Wа Wвод. - Wи - Wгр Wл - Wфил., (7.2)

где Wр - объем стока реки формирующийся на вышележащей территории,

Wр - объем стока реки формирующийся на рассматриваемой территории,

Wп.в. - объем водопотребления из подземных водоносных горизонтов,

± Wпер - объем переброски стока на рассматриваемую территорию (+) или соседние территории (-),

Wввi - объем возвратных вод i-го участника ВХК,

Wi - объем водопотребления i-м участником ВХК,

Wпоп.- объем комплексных попусков на ниже лежащий участок реки,

* Wп.в - ущерб речному стоку за счет использования подземных вод гидравлически связанных с рекой;

- коэффициент, учитывающий гидравлическую связь речных и подземных вод,

Wа - изменение стока реки за счет деятельности человека на водосбор- ной площади,

Wвод.- изменение объема речного стока при сработки (+) водохранилища или первоначальном наполнении (-) ,

Wи - дополнительные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища,

Wгр. - объем воды идущий на пополнение запасов подземных вод после создания водохранилища,

Wл - потери воды при оседании льда на берега во время зимней сработки водохранилища (-), возврат воды в результате таяния льда весной (+);

Wфил. - фильтрационные потери из водохранилищ в пределах расчетного ВХУ;

n - количество водопотребителей в составе ВХК.

Объем стока реки, поступающий на рассматриваемый участок с выше лежащей территории (Wр) представляет собой сток, сформированный на водосборной площади F2 подвешенной к створу 2-2 (рис.7.1). Зная модуль стока воды с данной территории (q2) можно определить объем Wр за расчетный год ().

Wр = q2 * F2 * (7.3)

Объем стока (Wр) формируется на площади F1-2 и при известном модуле стока (q1-2) определяться по формуле:

Wр = q1-2 * F1-2 * (7.4)

Объем переброски стока предназначен для увеличения водообеспеченности территории, на которой наблюдаются годовые дефициты воды.

Wпер. < ВХБ < 0 (7.5)

В уравнении ВХБ величина (+Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-приемником, в которую поступает определенный объем переброски стока из бассейна другой реки (реки-донора). Величина (-Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-донором.

Водозабор из подземных вод учитывается величиной (Wп.в). Подземные воды могут дренироваться рекой или пополняться из нее, т.е. быть гидравлически связанными. Часть подземных вод (*Wп.в), которая забирается из подземных водоносных горизонтов, перестает участвовать в формировании стока реки. Происходит косвенное истощение реки, то есть ущерб речному стоку за счет использования подземных водоносных горизонтов гидравлически связанных с рекой. Коэффициент гидравлической связи изменяется в пределах =0…1. (В случае совершенной гидравлической связи грунтовых вод и речных вод =1, при отсутствии связи между ними =0).

Значения коэффициента гидравлической связи принимаются в зависимости от гидрогеологических условий и условий водозабора (рис.7.3). Например: если идет отбор подземных вод из аллювиальных отложений речной долины, то = 1. В случае если водозабор осуществляется из подземных горизонтов, изолированных от контакта с поверхностными водами, покровным водоупором, или из скважин расположенных на значительном удалении от реки - значение коэффициента принимается равным 0 ( = 0). В других случаях коэффициент гидравлической связи принимается в пределах от 0,7 до 0,3

=1 =0.7 =0 =0.3 =0

Рис.7.3 Схема изменения значений коэффициента гидравлической связи подземных и поверхностных вод.

В случае совершенной связи подземных вод с рекой и однородном водоносном горизонте коэффициент гидравлической связи поверхностных и подземных вод можно определить по формуле:

= erfc() , (7.6)

где erfc -специальная табулированная функция; l -расстояние от скважины до реки по линии тока подземных вод, м; а - коэффициент уровнепроводности (для безнапорных подземных вод: a = kф*h1/) или пьезопроводности (для напорных вод: a=kф*h2 /), м2/сут; kф- коэффициент фильтрации грунтов, м/сут; -коэффициент водоотдачи; h1, h2 - расчетная мощность водоносного горизонта, м (рис.7.4); - время с начала работы водозаборной скважины, сут.



Рис.7.4 Схема определения мощности водоносного горизонта

А - безнапорный; Б - напорный

Годовой объем комплексных попусков определяется как сумма максимальных по месяцам объемов воды, необходимой для водопотребителей:

Wпоп.= махwгэсi, wвтi, wлi, wэколi, wрхi , (7.7)

где wгэсi - объем воды в i-ый месяц необходимый для выработки электроэнергии на ГЭС;

wвтi - объем воды в i-ый месяц для водного транспорта;

wлi - объем воды в i-ый месяц для лесосплава;

wэколi - объем экологически допустимого стока в i-ый месяц (объем воды не используемый для водопотребления но необходимый для поддержания экологического равновесия водной экосистемы);

wрхi - объем воды, необходимый для обеспечения нормальных условий обитания рыб в водном объекте (провода проходных и полупроходных рыб из одного бьефа гидроузла в другой во время нереста, создание необходимых мелководных зон для развития молоди и т.п.).

При определении объемов попусков следует учитывать, что выбирая наибольший объем воды, должны удовлетворяться требования всех других водопользователей. Например, если в составе гидроузла имеется ГЭС и судопропускные шлюзы, то необходимо дать попуск, обеспечивающий и работу ГЭС (wГЭСi) и условия судоходства в нижнем бьефе (wвтi) и пропуск судов по шлюзу (wвтi) (рис. 7.5 а).

Wпоп = мах{wГЭСi+wвтi, wвтi} (7.8)

В случае, если гидроузлы планируются на главой реке и ее притоке, то при составлении водохозяйственного баланса, для створа (I-I), расположенного ниже места слияния рек, необходимо обеспечить нормальную работу каждого гидроузла (рис.7.5 б):

Wпоп = [мах {wгэс1i, wвт1i} + мах{wгэс2i, wвт2i}] (7.9)

Рис.7.5 Схемы для определения объемов попусков: а.- наличие судоходного шлюза в составе гидроузла; б.- наличие двух гидроузлов в бассейне главной реки.

Изменение стока реки в результате антропогенной деятельности, осуществляемой на водосборной площади (Wа), является результатом вырубки или посадки лесов, использования земель для выращивания сельскохозяйственных культур, урбанизации территории, строительства прудов. Вследствие интенсивного использования малых рек и антропогенной трансформации ландшафтов их водосборов, в прошлое столетие в Центральном регионе РФ, исчезло около 30% малых рек.

Вырубка лесов и лесопосадки приводят к перераспределению составляющих: поверхностного и подземного стоков, питающих реку с водосборной площади. Лесные массивы увеличивают долю подземного стока и снижают долю поверхностного, это приводит к снижению максимальных расходов половодья и увеличению расходов воды во время меженных периодов (рис.7.6).

Рис. 7.6 Изменение годового стока малых рек (Wа) зоны смешанных лесов ЕТР в зависимости от залесенности водосбора (а) и обеспеченности (б) годового стока рек (расчетные данные).

Величина изменения объема речного стока при сработке водохранилища (-Wвод) учитывается в период его первоначального наполнения до проектной отметки (например, до отметки уровня мертвого объема УМО). Если наполнение происходит в течение нескольких лет (нап), то при составлении ВХБ на конкретный год этого периода (i), в уравнении ВХБ учитывается объем наполнения водохранилища за данный год (Vi, если эти потери связаны с заполнением мертвого объема Vмо, то Vi=Vмо).

Величина (+Wвод.) учитывается в годы аварийной сработки водохранилища или проведения планового ремонта (рис.7.7), требующего холостого опорожнения до отметки ВБсраб..

Wвод =Vсраб.

УВБ - отметка воды в водохранилище на момент начала сработки

УВБсраб -требуемый уровень сработки водохранилища для проведения ремонтных работ.

Рис.7.7 Схема определения объема сработки водохранилища для проведения ремонтных мероприятий.

Потери воды на дополнительное испарение с водной поверхности водохранилища определяются по формуле:

Wи = Fср*[hв - (hос - hст)], (7.10)

где Fср - средняя площадь зеркала водохранилища за расчетный интервал времени, которая определяется как площадь водохранилища минус площадь водного объекта до создания водохранилища (f): Fcp=Fв-f; hв - слой испарения с водной поверхности; hос - слой осадков на водную поверхность; hст - слой стока на той же площади до создания водохранилища.

Рис.7.8 Схема для расчета дополнительных потерь воды на испарение с поверхности водохранилища. (Fв - площадь водохранилища, f-площади естественного зеркала реки).

При первоначальном наполнении водохранилища часть речной воды (Wгр) идет на насыщение толщи почво-грунтов (рис.7.9). Насыщение грунтов водой происходит на прилегающей к водохранилищу территории, в течение нескольких лет (10-20лет). В каждый год периода насыщения происходят потери определенного объема воды Wгрi. В результате на прилегающей к водохранилищу территории поднимается уровень грунтовых вод (h). Зона, в пределах которой отмечается достоверный (превышающий ошибку определения 10-20см) подъем уровня грунтовых вод, называется зоной влияния водохранилища (h). Объем Wгрi определяется площадью распространения воды за конкретный год (Fвл.i) и величиной подъема уровня грунтовых вод за данный период (hi):

Wгр.i = hi * Fвл.i * (n - w), (7.11)

где n -пористость почво-грунтов, w - влажность толщи почво-грунтов в зоне подъема уровня подземных вод; hi - величина подъема уровня подземных вод.

Рис.7.9 Схема для определения объема потерь воды на насыщение почво-грунтов (Wгр.).

Фильтрационные потери воды из водохранилищ складываются из фильтрации через тело плотины, ее основание и в обход плотины. Потери на фильтрацию определяются по данным натурных наблюдений (за существующей плотиной или ее аналогом) или на основе расчетов, например по формуле:

Wф плот = (7.12)

где: H1 , H2 - соответственно, расстояние между уровнем воды в верхнем, нижнем бьефе и водоупором (рис.7.10), м; lур - расстояние между линиями уреза воды в верхнем и нижнем бьефах, м; Кф - коэффициент фильтрации грунтов тела и основания плотины, м/cут; Lп - длина плотины, м; t - период времени, за который рассчитывается фильтрация, сут.

Рис.7.10 Схема для расчета фильтрационных потерь воды через тело и основание грунтовой плотины.

Во время зимней сработки водохранилища, образовавшийся лед оседает на берегах, что приводит к потере воды, заключенной в осевшей ледяной массе. Данные потери воды рассчитываются по формуле (-Wл):

водохозяйственный баланс сток река

Wл = hл (Fн - Fк) , (7.13)

где: в/л - отношение плотности воды и льда (обычно принимается равным единице); hл - средняя толщина льда за расчетный интервал; Fн и Fк - площадь зеркала водохранилища соответственно в начале и конце расчетного интервала времени.

Лед, осевший зимой на берега водохранилища, возвращается в него при таянии в течение первого теплого весеннего месяца (+Wл). Таким образом, потери воды на льдообразование являются полностью возвратными -Wл=+Wл.

4. Методы составления ВХБ

В настоящее время используются следующие методы составления ВХБ: репрезентативный, календарный, обобщенный.

Репрезентативный метод заключается в составлении водохозяйственного баланса на год определенной обеспеченности речного стока (Р=25, 50, 75, 90, 95%). Балансы составляются в целом за год и по месяцам. Если хотя бы в один расчетный период баланс получается отрицательный, то весь баланс считается дефицитным, что служит основанием для разработки управляющих воздействий, направленных на ликвидацию дефицита.

ВХБ = Wр(75%) + Wвв -W -Wпоп (7.14)

При наличии орошения в составе водохозяйственного комплекса, необходимо учитывать несоответствие расчетной обеспеченности стока реки (Рw) и расчетной обеспеченности оросительной нормы (Рм), для этого требуются фактические данные о стоке воды в реке и оросительных нормах за одноименные годы (табл.7.1).

Репрезентативный метод применяется в случае: слабой и средней степени использования вод и слабой зарегулированности (до сезонного включительно) речного стока.

Табл. 7.1

Пример учета несоответствия расчетных обеспеченностей стока реки (Q) и оросительной нормы (М).

Год	Хронологические ряды	Ранжированные ряды в убывающем порядке	Р, %
	Q, м3/с	М, м3/га	Q, м3/с	М, м3/га
1970	13	800	25	1600	5
1971	14	830	22	1400	10
1972	20	900	20	1300	15
1973	17	830	19	1100	20
1974	16	920	17	1000	25
1975	11	500	16	960	30
1976	9	430	15	920	35
1977	5	670	15	900	40
1978	9	780	14	870	45
1979	12	1300	14	830	50
1980	14	1100	13	830	55
1981	10	1600	12	800	60
1982	8	1400	12	780	65
1983	7	1000	11	760	70
1984	15	960	10	710	75
1985	19	870	9	670	80
1986	22	760	9	500	85
1987	25	410	8	450	90
1988	15	450	7	430	95
1989	12	710	5	410	100

Расчетная обеспеченность речного стока Рw=75%, ей соответствует расход реки Qр=10м3/c , который наблюдался в 1981 году. В этом году оросительная норма составила М=1600м3/га, которой соответствует обеспеченность Рм= 5%.

Календарный метод составления водохозяйственного баланса основан на использовании фактических рядов наблюдений за стоком реки и метеопараметрами (температурой, осадками и т.д.). По данным метеонаблюдений определяются оросительные нормы. Фактические ряды наблюдений должны включать не менее 20...35 лет (количество лет входящих в гидрологический многолетний цикл). Для каждого года наблюдений составляются ВХБ.

Если, в какой либо год или отдельный его период, баланс отрицательный, то весь год считается перебойным. Число перебойных лет (Nпер) не должно превышать допустимую величину (Nдоп) перебоев. В этом случае баланс считается бездефицитным:

Nпер < Nдоп Nдоп = N*(100 - Р%)/ 100 (7.15)

где N - число лет в гидрологическом ряду,

Р - расчетная обеспеченность.

Если число перебойных лет превышает допустимое количество перебоев, то баланс считается дефицитным:

Nпер >Nдоп (7.16)

Таким образом, в данном методе допускаются годы с отрицательным балансом, в отличие от репрезентативного метода. Это связано с требуемой длинной гидрологического ряда. В многолетнем разрезе годовые объемы стока реки изменяются циклично. Продолжительность циклов составляет Т=20-30 лет. В пределах цикла могут быть годы с обеспеченностью более высокой (например, 80%, 90%,99%), чем расчетная обеспеченность (например, 75%). Эти годы, с обеспеченностью выше расчетной, являются перебойными.

Рис. 7.11 Графики изменения годовых объемов речного стока и кривая обеспеченности стока, поясняющие допустимость перебойных лет при составлении водохозяйственного баланса календарным методом и требуемый объем гидрологической информации.

Календарный метод применяется для водных объектов со средней степенью использования их водных ресурсов, большой изменчивости объемов водопотребления по годам. Условие использования метода требует наличия гидрологических данных и метеопараметров за одноименные периоды времени.

Табл.7.2

Использование календарного метода для составления водохозяйственного баланса р. Исеть, бассейна р. Иртыш, млн.м3

.Годы	Wр	Wр	Wвв	Приход	W	Wпоп	Wи	Расход	ВХБ
1980	641.57	616.37	105.60	1363.54	264.00	628.97	-1.08	891.89	471.65
1981	348.27	329.79	105.60	783.66	264.00	339.03	-1.08	601.95	181.71
1982	549.72	529.89	105.60	1185.21	264.00	539.81	-1.08	802.73	382.49
1983	233.83	194.27	105.60	533.70	264.00	214.05	-1.08	476.97	56.73
1984	163.78	89.35	105.60	358.73	264.00	126.57	-1.08	389.49	-30.76
1985	199.11	148.59	105.60	453.30	264.00	173.85	-1.08	436.77	16.53
1986	179.26	117.10	105.60	401.96	264.00	148.18	-1.08	411.10	-9.14
1987	206.05	158.38	105.60	470.03	264.00	182.22	-1.08	445.14	24.90
1988	242.05	203.41	105.60	551.06	264.00	222.73	-1.08	485.65	65.41
1989	263.83	233.30	105.60	602.73	264.00	248.57	-1.08	511.49	91.24
1990	354.89	336.43	105.60	796.92	264.00	345.66	-1.08	608.58	188.34
1991	213.94	168.46	105.60	488.00	264.00	191.20	-1.08	454.12	33.88
1992	213.94	168.77	105.60	488.31	264.00	191.36	-1.08	454.28	34.04
1993	183.66	124.36	105.60	413.62	264.00	154.01	-1.08	416.93	-3.31
1994	264.47	234.28	105.60	604.35	264.00	249.38	-1.08	512.30	92.06
1995	432.03	417.86	105.60	955.49	264.00	424.95	-1.08	687.87	267.63
1996	496.40	478.44	105.60	1080.44	264.00	487.42	-1.08	750.34	330.10
1997	373.96	357.24	105.60	836.80	264.00	365.60	-1.08	628.52	208.28
1998	391.29	377.45	105.60	874.34	264.00	384.37	-1.08	647.29	227.05
1999	420.33	406.51	105.60	932.44	264.00	413.42	-1.08	676.34	256.10

Примечание: 1. Расчетный створ - граница Свердловской и Курганской областей. Планируемый период 2015 г. 2. Объемы возвратных вод и водопотребления планируемые на перспективный период берутся постоянные, т.к. нет орошения в составе ВХК. 3. Величина попусков определяется с учетом экологических попусков, которые изменяются в зависимости от водности года. 4. Годы 1984,1986 и 1993 - перебойные (Nпер.=3). Если основная расчетная обеспеченность Р=75%, то допустимое количество перебойных лет составит: Nдоп.= 20*(100 - 75)/ 100 = 5 лет. Так как Nпер Nдоп - баланс без дефицитный.

Обобщенный метод составления ВХБ основан на использовании математических моделей, позволяющих моделировать необходимые данные (сток реки, требуемые объемы воды для орошения) для составления баланса за период не менее 100 лет. Для каждого года и отдельных его периодов составляются водохозяйственные балансы. Перебойные годы и дефицитность балансов проверяется так же, как и при календарном методе. Используется данный метод в случае сильной степени зарегулированности стока (в том числе, многолетнее регулирование включительно). Необходимое условие применимости метода - это достоверность описания процессов математическими моделями.

5. Критерии удовлетворения потребности в воде

Участники водохозяйственного комплекса предъявляют разные требования к водным ресурсам. Одно из главных требований - гарантированность подачи требуемого объема воды. Э требование учитывается с помощью расчетной обеспеченности отдачи воды, конкретному участнику ВХК по числу бесперебойных лет (Рчбл). Обеспеченность отдачи изменяется в пределах:

- хозяйственно-питьевое водоснабжение 95…97%;

- промышленность 95%;

- орошаемое земледелие в гумидной зоне 75 %, в аридной зоне 90%;

- водный транспорт и рыбное хозяйство 75…90%;

- энергетика 80…95 %;

- санитарный попуск 95…97%.

Учесть разные обеспеченности по отдаче воды в одном уравнении ВХБ затруднительно. Поэтому всех участников ВХК разделяют на две группы:

· I-группа, к ней относят наиболее важные для народного хозяйства отрасли (промышленность, коммунально-бытовое хозяйство, животноводство, ТЭС, АЭС). Для них принимается расчетная обеспеченность 95%;

· II-группа, к ней относят всех остальных участников ВХК, для которых принимается обеспеченность 75% в качестве основной.

Выполняя расчеты для года 75% обеспеченности, добиваются бездефицитного баланса при обеспечении водой отраслей I и II групп без ограничения:

W = W 1+W 2

Выполняя расчеты для года 95% обеспеченности, участники I-группы обеспечиваются водой по полной норме: W 1, а участников II группы допускается ограничивать водой на 20%, т.е. их суммарное водопотребление можно снизить до величины 0.8*W 2. Например:

год обеспеченности Р=75%

ВХБ = Wр(75%)+ W 1вв+ W 2вв -W1-W2 - Wпоп (7.17)

год обеспеченности Р=95%

ВХБ = Wр(95%)+W 1вв+ 0,8*W 2вв -W1-0,8*W2 -*Wпоп (7.18)

где - коэффициент учитывает ограничение водопользования, который показывает, что в случае дефицитного баланса водопользователи II-группы ограничиваются водой. В уравнении ВХБ данное ограничение учитывается переопределением объема попусков, без учета одного или нескольких водопользователей. Например, в случае нехватки воды можно ограничить водопользование для условий судоходства, лесосплава, гидроэнергетики. Экологические и рыбохозяйственные попуски относят к 1 группе, и они ограничению не подлежат. Таким образом, определяется ряд попусков (без ограничений и с ограничениями). В расчете ВХБ используется тот, при котором баланс становится бездефицитным (или дефицит существенно снижается при незначительном или допустимом снижении экономической выгоды):

W'поп.=махwгэсi, wлi, wэколi, wрхi W''поп.= махwгэсi, wэколi, wрхi

W'''поп.= махwэколi, wрхi (7.19)

Ограничение водопотребления в перебойные годы, вероятность появления которых равна (100-Рчбл), контролируется глубиной перебоев. Глубина перебоев - это величина снижения объемов подачи воды отдельным водопользователям в годы с обеспеченностью более Рчбл. Максимально допустимая глубина перебоев Gmax для городского водоснабжения и промышленности не должна превышать 10%. Для регулярного орошения допустимая величина перебоев определяется на основе технико-экономических расчетов и обычно изменяется в пределах от 15 до 50%.

6. Проведение воднобалансовых расчетов с использованием объемов естественного, фактического и восстановленного стока реки

В условиях не подверженных антропогенной деятельности, формируется естественный сток реки (Wестр.) за счет стоков, поступающих: с болот, лесов, лугов, в виде поверхностных и подземных потоков. Использование реки для хозяйственных целей приводит к изменению естественного стока. Это вызвано двумя факторами.

1. Безвозвратное водопотребление равное разности объемов водопотребления и возвратных вод Wбп.= W - Wвв.

2. Антропогенная деятельность на водосборной площади (возделывание сельскохозяйственных культур, лесопосадки или вырубка лесов, урбанизация территории, осушение земель, строительство прудов), которая приводит к изменению условий формирования стока. Это изменяет сток рек на величину Wа.

Измененный сток рек фиксируется путем проведения гидрометрических измерений, и называется фактическим стоком реки (Wфр). Таким образом, фактический сток отличается от естественного, на величину безвозвратного водопотребления (Wбп) и величину, связанную с антропогенной деятельностью на водосборной площади (Wа). Если фактический сток реки, расчетным путем, исправить на указанные величины, то получится так называемый восстановленный сток (Wвср.):

Wвс.р. = Wфр. + Wбп Wа (7.20)

Восстановленный сток отличается от естественного точностью определения составляющих водного и водохозяйственного балансов.

W ест.р. Wвср.

При составлении ВХБ возможно использование естественного, фактического и восстановленного стока.

6.1 Использование естественного и восстановленного стока

Использование естественного и восстановленного стока для составления водохозяйственных балансов идентично. В этом случае, в уравнении ВХБ учитываются объемы водопотребления и возвратных вод, которые определены для расчетного года.

ВХБ = Wвср. + Wвв - W г - Wпоп (7.21)

Рис.7.12 Схемы формирования естественного (Wест) и фактического (Wф) стока реки.

При составлении ВХБ на отчетный период берется объем безвозвратного водопотребления равный Wб.п.=4. Для составления перспективного баланса данная величина равна Wб.п.=16.



Рис.7.13 Изменение объемов безвозвратного водопотребления по годам.

Достоинства использования восстановленного и естественного стока:

Ш возможность применения метода аналогии в гидрологических расчетах;

Ш наглядность и простота проведения расчетов и интерпретации результатов.

6.2 Использование фактического стока

Особенностью рассматриваемого способа является то, что водопотребление и водоотведение, осуществляемое в настоящий момент (фактическое), уже учтено в фактическом стоке реки. На перспективный год уравнение ВХБ будет иметь вид:

ВХБ = Wфр. + Wвв - W - Wпоп. (7.22)

где Wвв, W - изменение объемов возвратных вод и водопотребления за расчетный период. Величины представляют собой разницу объемов полученных для условий фактического года (Wф.вв, Wф) и перспективного года (Wпер вв, Wпер ).

Wвв = Wпер вв - Wф.вв W = Wпер - Wф (7.23)

В примере, показанном на рис.7.13, при составлении ВХБ на перспективный период будет учитываться объем безвозвратного водопотребления равный

Wб.п. = Wперб.п. - Wфб.п.=16-4 =12

7. Баланс подземных вод

Подземные воды, как и поверхностные, широко используются для целей водопотребления. Планирование использования водных ресурсов подземных вод основано на проведении водно-балансовых расчетов. Изучение возможности использования подземных вод начинается с определения их запасов и ресурсов. Запасы подземных вод (V ,м3) - это количество гравитационных вод содержащихся в порах водоносного горизонта. Ресурсы (Q, м3/сут) - это расход подземных вод.

Различают естественные, искусственные и привлекаемые запасы и ресурсы подземных вод.

Естественные ресурсы и запасы формируются за счет поступления воды из природных источников (инфильтрация атмосферных осадков, фильтрация из рек, озер).

Искусственные ресурсы и запасы формируются за счет антропогенных источников (фильтрация воды из каналов, искусственных прудов, полей фильтрации, инфильтрации воды при орошении земель и т.п.).

Привлекаемые ресурсы формируются за счет создания условий способствующих перетоку воды из поверхностных источников в подземные, например, после создания водохранилищ (рис.7.14).

Использование подземных вод планируется в пределах эксплуатационного ресурса. Эксплуатационный ресурс (Qэ.) подземных вод - это объем воды допустимый для изъятия из подземных источников, рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными скважинами, с требуемым режимом водоотбора и качеством воды, в период всего срока эксплуатации. Эксплуатационный ресурс связан с ресурсами подземных вод следующим соотношением (рис.7.14):

Qэкс. = *qпв + V/Т, qпв = qе +qи + qпр + qв,

qе = qфе +qине qи =qфи +qини (7.24)

где - коэффициент использования ресурсов (0 1),

V - используемый объем запасов подземных вод (определяется воронкой депрессии),

Т - время эксплуатации водозаборного сооружения,

qв - искусственное восполнение запасов подземных вод;

qфе, qфи -фильтрация воды из естественных и искусственных водных объектов;

qине, qини -инфильтрация воды после выпадения осадков и поливов;

qпр -привлекаемые ресурсы.

Рис.7.14 Составляющие баланса подземных вод.

Основание для естественного восполнения запасов подземных вод появляется в случае, когда эксплуатационный ресурс меньше требуемого объема водопотребления (W).

Qэкс. W (7.25)

Искусственное восполнение запасов подземных вод - это направление части поверхностных вод в подземные водоносные горизонты. Принцип определения требуемого объема восполнения запасов заключается в обеспечении требуемого эксплуатационного ресурса.

qв = W - Qэкс. (7.26)

В настоящее время существует два метода восполнения запасов подземных вод: нагнетания и распределения.

Метод нагнетания состоит в том, что вода поверхностных водных объектов закачивается через скважины в подземные водоносные горизонты. Метод применим:

§ при глубоком залегании водоносного горизонта (рис.7.15а);

§ для восполнения запасов напорных вод (рис.7.15б);

§ для водоносных горизонтов перекрытых слоем слабо фильтрующего грунта (рис.7.15в);

§ наличие загрязненных участков почво-грунтов в покровных слоях (рис.7.15г).

а. глубокое залегание подземных вод; б. напорные воды; в. слабо фильтрующие почво-грунты; г. загрязненные участки почво-грунтов.

Рис.7.15 Случаи применения метода нагнетания и распределения.

Метод распределения заключается в следующем: создаются искусственные емкости в виде прудов, чеков, каналов, которые заполняются водой. Вода из них фильтруется и доходит до водоносного горизонта (рис.7.15). Метод применим в случаях:

§ не глубокого залегания безнапорного водоносного горизонта;

§ наличие хорошо фильтрующих покровных почво-грунтов;

§ отсутствия загрязненных участков почво-грунтов в покровных слоях.

8. Лимиты водопотребления и водопользования

Отрицательное значение водохозяйственного баланса (ВХБ<0) говорит о дефиците водных ресурсов для полного удовлетворения требований участников водохозяйственного комплекса. В этих условиях, а также с целью экономии воды применяется ограничение водопотребления организациям и предприятиям, в виде установления лимитов водопотребления. Лимит водопотребления - это установленный предельный объем подаваемой воды на определенный период времени. Лимит водопотребления определяется с учетом объемов воды:

§ необходимой для выпуска сокращенного объема продукции (Wп), который позволяет предприятию работать рентабельно;

§ требуемой для вспомогательного производства (Wв);

§ необходимой для организаций, не находящихся на балансе предприятия, но использующих воду отпускаемую для данного предприятия (например арендаторов) (Wб);

§ потерь воды предусмотренных технологией (Wт);

§ плановой экономии воды по отпускаемому лимиту (Wэ).

Wлимит = Wп + Wв + Wб + Wп - Wэ , (7.27)

Лимит водопотребления устанавливается сроком на определенный срок (например, 5 лет) или без указания срока, и пересматривается в случае: изменения технологии производства, переориентации производства и реконструкции. Лимит выдается вместе с разрешением на специальное водопользование, которое дает право использовать природные водные ресурсы.

9. Точность составления ВХБ и его составляющих

Точность составления водохозяйственных балансов не должна превышать 5…20% и зависит она, в первую очередь, точности определения составляющих баланса. Ошибка балансовых расчетов определяется по формуле:

(7.28)

Точность составления баланса определяется по данным прошедших лет. Для этого за прошедший отчетный год, в расчетном створе определяется фактический объем стока реки (Wфр) на основе гидрометрических измерений. Для этого же года, расчетным путем, составляется водохозяйственный баланс и определяется расчетный объем фактического стока (Wрас.р). При этом все составляющие баланса определяются теми способами, которые будут использоваться для составления плановых и перспективных балансов (табл. 7.3).

Табл.7.3

Погрешность определения составляющих ВХБ.

Способ определения составляющих	Погрешность, %
Тарированными сооружениями и расходомерами	2...2,5
Инструментальными измерениями в руслах рек	5...8,0
Характеристиками насосов и турбин	2...10
Формулами гидравлики	10...20
По затратам воды на единицу продукции	15...20
По укрупненным нормам водопотребления	до 100%

Например. Требуется определить точность составления водохозяйственного баланса (рис.7.16). Для створа 1-1 по данным ГВК определен сток реки за 1980год, который составляет Wфр =206млн.м3. Обеспеченность стока за данный год равна Р=70%. В этом году водопотребление осуществлялось для целей городского к.б.х. (численность населения N=200 т.ч, норма водопотребления qк.б.х.=350л/сут*чел., к.п.д. системы водоснабжения =0.98, коэффициент возвратных вод Квв=0.7) и орошения (расход воды на орошение определен по показаниям индукционного расходомера установленного в насосной станции Q=0,5м3/с, продолжительность поливов составила ор=1200часов). Естественный сток воды в реке определен методом «при отсутствии данных наблюдений» (модуль стока q=4л/с*км2, площадь водосбора F=2100км2 коэффициент вариации Cv=0.4, Cs=2Сv). Wестр=q*F**kp = 4*2100*31.54*0.76/1000=201млн.м3 (где kp=0.76 - модульный коэффициент для определения объема стока обеспеченностью 70%, 31.54 - количество миллионов секунд в году).

Wк.б.х.=N*qк.б.х.*365/=200*350*365/(106*0.98)=26.07млн.м3 ,

Wвв к.б.х.=Квв к.б.х.*Wк.б.х.=0.7*26.07=18.25млн.м3.

Wор=Q*ор=0.5*1200*3600/106=2.16млн.м3,

Wвв ор=0.1*2.16=0.22млн.м3.

Фактический расчетный объем стока в рассматриваемом створе определяется по уравнению

Wрас.р= Wестр + Wвв ор + Wвв к.б.х. - Wор - Wк.б.х. = 201+0.22+18.25-2.16-26.07=191.24млн.м3.

Рис.7.16 Расчетная схема для составления ВХБ.

Ошибка составления баланса равна: 206-191.24*100/206=7.1720%, т.е. точность составления ВХБ удовлетворяет нормативным требованиям. Использование методов определения составляющих баланса (сток реки определен при отсутствии данных наблюдений, объемы водопотребления и водоотведения коммунально-бытового хозяйства определены по укрупненным нормам, объемы воды для орошения определены по расходомеру) позволяет получить ВХБ с достаточной для практики точностью.

В зависимости от вида баланса предъявляются разные требования к точности его составления (табл. 7.5), так как речь идет о разных периодах времени.

Отчетный и оперативный балансы, по сути, представляют собой одно и то же, так как составляются на основе одних и тех же данных. Различие между ними связано с их назначением. Поэтому точность их составления достаточно высокая и не должна превышать 5%.

Перспективный баланс связан с прогнозом на отдаленную перспективу, что существенно снижает точность его составления, по сравнению с отчетным балансом, поэтому ошибка может быть достаточно большой и превышать необходимые для практики пределы точности (более 20%). Снижение ошибки перспективного планирования делается путем корректировки, на основе результатов достижения плановых (поэтапных) показателей.

Табл. 7.5

Точность составления водохозяйственных балансов.

Вид ВХБ	приходная часть	расходная часть
	основа для определения	ошибка	основа для определения	ошибка
Отчетный	регистрация	5%	регистрация	5%
Плановый на перспективу до 3 лет	прогноз водности	зависит от числа лет наблюдений, коэффициента вариации стока и точности прогноза климатических изменений	экстраполяция отчетных данных с корректировкой по фактическим показателям	10%
Перспективный на перспективу до 15 лет	прогноз водности		по укрупненным нормам водопотребления и водоотведения	> 20%

Например (рис. 7.17), составленный первоначально баланс на 20-ый год позволил установить плановые показатели и перспективное целевое значение (фактического стока в объеме 340 млн.м3). Через 5-ть лет проведено определение фактического стока (370 млн.м3), которое разошлось с плановым показателем на данный год (362 млн.м3) на 8 млн.м3, т.е. ошибка составила 2%. Была сделана корректировка показателей на 10-ый год, и когда он был достигнут проведено уточнение данных. Аналогично было сделано для 15-го года и скорректированы прогнозные показатели на 20-ый год. Таким образом по итогам 15-ти летнего периода можно сделать выводы: первоначальный прогноз был сделан с ошибкой 12%; в результате проведенных корректировок величина ошибки не превысила 5,5%.



Рис. 7.17 Корректировка результатов перспективного баланса, на примере объемов фактического стока, достигнутыми промежуточными результатами.

10. Оценка качества воды водных объектов при проведении воднобалансовых расчетов

Использование водных ресурсов (связанное с забором воды из источника водоснабжения и сбросом в него загрязненных стоков) сказывается на экологическом состоянии водных объектов и приводит к истощению, изменению гидрологического режима и качества вод. Поэтому при решении водохозяйственных задач необходимо учитывать загрязненность сточных вод, и их вклад в формирование качества воды поверхностных водных объектов. Сделать это можно на основе использования комплексного показателя предельной загрязненности. Он может быть выражен в виде безразмерного коэффициента предельной загрязненности (Кпз), или в виде размерной величины, выраженной в единицах объема воды.

Данный показатель получен на основе решения уравнений водного баланса с учетом гидрохимических составляющих (расчетная схема представлена на рис.7.17). К створу 1-1 поступают загрязненные воды реки. Объем загрязняющих веществ определяется произведением W1*C1. Добавим к нему объем вод W' c фоновой концентрацией загрязняющего вещества в реке Ср. Величина W' представляет собой некоторый виртуальный объем чистой воды, который позволяет довести концентрацию загрязняющих веществ (C2) в створе 2-2 до нормативов качества ПДК (предельно-допустимой концентрации). Запишем выражение баланса веществ для створа 2-2:

W2*C2 + W'*Сp = (W2 + W')*ПДК (7.29)

Решим уравнение относительно виртуального объема W':

W'= W2*(C2 -ПДК)/(ПДК - Ср) (7.30)

Соотношение, стоящее в правой части выражения (7.30) представляет собой показатель предельной загрязненности воды i-м веществом (Wпзi= W2*(Ci -ПДКi)/(ПДКi - Срi)), который определяется как произведение фактического объема речного стока в расчетном створе на коэффициент предельной загрязненности реки i-м веществом (Кпзi).

Wпзi = W2*Kпзi

Кпзi.= (7.31)

Рис.7. 17 Расчетная схема для определения показателя загрязненности водных ресурсов.

Без существенной потери точности коэффициент предельной загрязненности можно рассчитывать по формуле:

Кпзi.= (7.32)

В речной воде содержится несколько загрязняющих веществ, что учитывается с помощью среднего значения коэффициента предельной загрязненности.

или (7.33)

где N - количество загрязняющих веществ, используемых для оценки качества воды, рекомендуется принимать от 5 до 20 веществ, среди которых обязательно используются: растворенный кислород, БПК, рН.

Как видно из формулы (7.33) коэффициент предельной загрязненности представляет собой модификацию, применяемого в практике оценки качества вод, индекса загрязнения воды (ИЗВ), что позволяет использовать разработанную для ИЗВ методику и классификационную шкалу (табл.7.4).

Коэффициент предельной загрязненности воды позволяет сделать оценку качества воды в водном объекте на основе классификации (таб.7.4). Следует отметить, отрицательные значения коэффициентов предельной загрязненности показывают, что загрязненность воды отвечает требованиям нормативов ПДК.

Табл.7.4

Классификация качества воды по коэффициенту предельной загрязненности.

Оценочный показатель	Класс качества воды
	Очень чистая	Чистая	Умеренно загрязненная	Загрязненная	Грязная	Очень грязная
ИЗВ	0…0.2	0.2…1	1…2	2…4	4…6	>6
Кпз	- 0.8	-0.8…0	0…1	1…3	3…5	>5

Размерный показатель предельной загрязненности (Wпз) может быть рассчитан и для сточных вод (например, в случае отсутствия данных о загрязненности речного стока или необходимости прогноза загрязнения реки при проведении водоохранных мероприятий, направленных на конкретный источник загрязнения). В этом случае в формуле (7.33) используются значения концентраций загрязняющих веществ в возвратных водах Сi = Сввi. Показатель качества воды рассчитывается для конкретного источника загрязнения по формуле:

Wпз=Кввпз*Wвв. (7.34)

Оценка качества речной воды, в этом случае, делается с помощью коэффициента предельной загрязненности (Кпз), который определяется для речной воды по формуле:

Кпз= - А (7.35)

где Wфр - фактический сток реки; А - коэффициент, учитывающий фоновое качество речной воды. Если естественный фон реки соответствует классу «чистая», то А= 1. Если естественный фон соответствует классу качества воды «умеренно загрязненная» - А=0.

Wфр=Wр+Wпв+Wвв -W - *W (7.36)

Пример. Определить класс качества воды в реке для лет разной обеспеченности по стоку воды. Коэффициенты вариации и асимметрии стока реки соответственно равны Cv=0.3, Cs=2Cv. Объем фактического стока определен в год 40% обеспеченности, для этого года даны концентрации загрязняющих воду веществ и проведен расчет коэффициента предельной загрязненности речной воды Кпз (Табл. 7.5).

Табл.7.5

Концентрации загрязняющих веществ в речной воде и расчет коэффициента предельной загрязненности Кпз

Вещества	Сi,мг/л	ПДКi	Сi/ПДКi	Кпзi
О2	8.5	12	0.71	-0.29
БПК5	3.26	3	1.09	0.09
NH4	0.364	0.5	0.73	-0.27
NO2	0.016	0.08	0.20	-0.80
NО3	0.346	9.1	0.04	-0.96
Fe	0.63	0.3	2.10	1.10
Cu	0.004	0.001	4.00	3.00
Zn	0.086	0.01	8.60	7.60
Ni	0.006	0.01	0.60	-0.40
Mn	0.178	0.01	17.80	16.80
Фенол	0.002	0.001	2.00	1.00
Нефть	0.089	0.05	1.78	0.78
СПАВ	0.02	0.5	0.04	-0.96
Кпз (для года обеспеченностью 70%)	2.05

Качество воды в реке соответствует классу «загрязненная» (табл.7.4): Кпз =2.05. Для разных обеспеченностей Р% выписываем значения модульных коэффициентов речного стока Кр% (при известных Cv и Cs), с помощью которых рассчитываем значения КР%пз по формуле

КР%пз =((Кр=40%пз+1)*Кр=40%/Кр%)-1 (7.36)

КР%пз =((2.05+1)*1.05/Кр%)-1

Полученные значения (табл.7.6) используются для построения кривой обеспеченности коэффициента Кпз (рис.7.18).

Табл.7.6

Расчет ординар кривой обеспеченности коэффициента предельной загрязненности Кпз

Р,%	Кр%	КР%пз	Класс качества воды
0.001	2,82	0.46	Умеренно загрязненная
10	1,40	1.29	Загрязненная
20	1.24	1.58
30	1.13	1.83
40	1.05	2.05
50	0.97	2.30
60	0.89	2.60
70	0.82	2.91
80	0.75	3.27	Грязная
90	0.64	4.00
99	0.44	6.28	Очень грязная

Рис.7.18 Кривые обеспеченностей модульных коэффициентов стока реки и коэффициента предельной загрязненности Кпз (характеризующего качество речной воды).

Графики (рис. 7.18) показывают, что в многоводные годы качество воды в реке соответствует классу «умеренно-загрязненная» (вероятность 2%), в пределах обеспеченностей от 2 до 82% (с вероятностью 80%) качество воды находится на уровне «загрязненная». В остро-маловодные годы (с вероятностью 18%) качество воды в реке ухудшается и соответствует классу «грязная». Экологическое состояние речной экосистемы соответствует (см. табл.6.15) «эвтрофному» уровню (определяется для средне многолетних условий). Река находится в стадии необратимых процессов. В данном случае требуется проведение водоохранных мероприятий с эффективностью Э=(4.21-1)*100/4.2177% (4.21 - значение коэффициента Кпз для обеспеченности 95%, 1 - верхний предел значения Кпз соответствующего, приемлемому для водохозяйственного использования, «умеренно-загрязненному» классу качества). Водоохранные мероприятия позволят создать условия для формирования «мезотрофного» уровня.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается водохозяйственный баланс от водного баланса территории?

2. Какие виды водохозяйственных балансов существуют и для каких целей?

3. Какие составляющие баланса учитывают требования водопотребителей и водопользователей?

4. Особенности учета использования подземных вод в уравнении ВХБ?

5. Какие составляющие ВХБ учитывают прямое и косвенное воздействие водохозяйственной системы на окружающую среду?

6. Какие методы используют для составления ВХБ, условия их применимости и что необходимо учитывать при использовании?

7. Критерии удовлетворения потребности в воде?

8. Какие особенности составления ВХБ с использованием естественного и фактического стока?

9. Что такое восстановленный сток, как он определяется и для чего используется?

10. Баланс подземных вод...