Калинин В.М. Экологическая гидрология

Подождите немного. Документ загружается.

опустошило нижерасположенную горную долину, разрушило ряд

предприятий и сотни жилых домов в г. Иссык.

Наводнения от разрушения плотин. Явление сравнительно

редкое, но приводит к не менее серьезным последствиям, чем при

наводнениях от других причин. По имеющимся данным, около 3%

общего количества плотин в мире подвержено частичному или

полному разрушению, что вызывает большие затопления.

Наводнения в результате хозяйственной деятельности. Создание

гидроузлов иногда полностью устраняет ледовые затруднения (Ангара

с Иркутской и Братской гидроэлектростанциями), а иногда усиливает

их. Примером является усиление заторных наводнений в районе

выклинивания подпора от Новосибирского водохранилища на р. Обь.

В нижних бьефах некоторых гидроузлов (Красноярского на р. Енисей,

Беломорского на р. Нижний Выг) - из-за резкого увеличения расходов

ГЭС зимой и образующейся полыньи наблюдается увеличение шуги,

что приводит к значительным зажорным подъемам уровней в районах

порожистых участков.

Самовольная, ни с кем не согласованная застройка пойм ниже

гидроузлов также приводит к затоплению этих свежеосвоенных

территорий уже при сбросе сравнительно невысоких расходов воды и

требует изменения режима работы таких гидроузлов, как Иркутский на

Ангаре и Волгоградский на Волге.

В настоящее время существуют такие ме тоды борьбы с

наводнениями, как регулирование половодий и паводков

водохранилищами, сооружаемыми в руслах рек; отвод паводочных

вод; регулирование поверхностного стока на водосборах;

обвалование; спрямление русел рек; дноуглубление; берегозащитные

сооружения; подсыпка территории; комбинированный способ.

При борьбе с наводнениями с помощью обвалований наблюдается

стеснение долины дамбами, что приводит к уменьшению естественной

аккумуляции и вследствие этого к увеличению максимальных расходов

и уровней воды. Это следует учитывать при назначении отметок

гребней дамб. Вопрос о том, какими средствами должна быть решена

проблема борьбы с наводнениями, полностью определяется

экономикой. Опыт осуществления противопаводочных мероприятий

показывает, что наибольший экономический эффект и надежная

зашита пойменных территорий от наводнений могут быть достигнуты

при использовании комплекса мероприятий и прежде всего активных

методов зашиты (регулирование стока как в русле, так и на

водосборной площади водотока) в сочетании с пассивными методами

(обвалование, выправительные работы и т. п.).

2.7 Водопотребление и водопользование

Водообеспечение включает два процесса - либо потребление

воды, либо ее использование. Основными водопотребителями

являются промышленное и коммунальное водоснабжение,

сельскохозяйственное орошение, на долю которого приходится свыше

половины всей воды, используемой в народном хозяйстве.

Использование воды связано с изъятием ее из водоемов и водотоков.

При этом часть ее теряется безвозвратно, так как она входит в состав

промышленной или сельскохозяйственной продукции, а также

расходуется на испарение в процессе использования.

Среди наиболее важных водопользователей находятся такие

отрасли народного хозяйства, как транспорт, лесосплав, рыбное

хозяйство, водный туризм. Они не изымают воду, а используют ее для

выполнения различных операций.

Однако в современных условиях наблюдается постепенное

устранение границ между водопотреблением и водопользованием.

Гидроэнергетику нельзя рассматривать изолированно от других

водопользователей и водопотребителей. Строительство большинства

гидростанций связано с образованием водохранилищ, которые служат

не только для выработки электроэнергии, но и создания нормальных

судоходных условий, а также водоснабжения, орошения, ле сосплава,

рыбоводства и т. д.

Другим примером многостороннего решения проблемы

водообеспечения может служить прокладка крупных, в основном

ирригационных каналов, которые в ряде случаев можно использовать

и для судоходства, и для рыболовства. Иногда при наличии больших

уклонов по трассе таких каналов создаются небольшие гидростанции.

2.8 Схема комплексного использования и охраны

водных объектов

В начале XX в. удовлетворение запросов отдельных

водопользователей носило локальный характер и не выходило з а

границы небольших речных бассейнов. По мере роста

народонаселения и сопутствующего ему развития различных отраслей

народного хозяйства масштабы использования водных ресурсов

непрерывно увеличиваются. Вместо отдельных водопользователей,

обеспечение нужд которых не вызывало особых затруднений, все

чаще и чаще приходится иметь дело с многими участниками

водохозяйственных комплексов, требования которых многообразны и

противоречивы.

Для удовлетворения нужд водопотребителей создаются

водохранилища, регулирующие речной сток, водоподводящие каналы

(им. Москвы, Волга - Дон, Северский Донец - Донбасс, Днепр -Кривой

Рог, Днепр - Донбасс, Иртыш - Караганда и др.). Приходится

регулировать большие объемы вода и перераспределять их не только

во времени, но и территориально.

Одновременно с этим решаются задачи, связанные с очисткой

сточных вод и предотвращением дальнейшего загрязнения водоемов и

водотоков.

В условиях ведения хозяйства чрезвычайно важно правильно

оценить водные ресурсы, учесть и удовлетворить потребности в воде

каждой административной единицы (республики, края и области). При

этом должны быть обеспечены оптимальные условия для

пропорционального и наиболее эффективного развития различных

отраслей народного хозяйства. Это предопределило необходимость

централизованного управления использованием водных ресурсов,

первую очередь в районах, испытывающих дефицит в воде, а также в

местах сильного загрязнения водных источников. Решение

комплексных водохозяйственных проблем немыслимо без длительных

исследований, разработки и сравнения различных вариантов.

Рассмотрение их должно основываться на глубоком анализе технико -

экономических данных, а также на прогнозе возможных изменений

природных условий, не вызывающих резкого нарушения равновесия

природных факторов, существовавшего до создания того или иного

водохозяйственного комплекса.

Все изложенное свидетельствует о необходимости координации в

планировании использования и охраны водных ресурсов. Для этого

разрабатывается всесторонне обоснованный водохозяйственный

план, который получил наименование схемы комплексного

использования и охраны водных объектов (СКИ и ОВО). Разработка

схем комплексного использования и охраны водных объектов

предписывается «Водным Кодексом Российской Федерации». СКИ и

ОВО является главным документом, обеспечивающим правильную

водохозяйственную политику. Как правило, она составляется на 30 -

40 лет вперед с выделением промежуточных расчетных уровней через

5 - 10 лет. Она разрабатывается для крупных бассейнов, а также для

больших экономических районов. При необходимости

перераспределения водных ресурсов между различными областями и

республиками схема охватывает значительно большие территории,

называемые регионами.

Решения, принятые схемой, следует рассматривать как

принципиальные, на основе которых ведет ся составление проектов

использования водных ресурсов по отдельным речным бассейнам или

части каждого из них.

Схемы комплексного использования и охраны водных объектов

разрабатываются в целях:

 определения допустимой антропогенной нагрузки на водные

объекты;

 определения потребностей в водных ресурсах в перспективе;

 обеспечения охраны водных объектов;

 определения основных направлений деятельности по

предотвращению негативного воздействия вод.

Схемами комплексного использования и охраны водных объектов

устанавливаются:

1. целевые показатели качества воды в водных объектах на период

действия этих схем;

2. перечень водохозяйственных мероприятий и мероприя тий по

охране водных объектов;

3. водохозяйственные балансы, предназначенные для оценки

количества и степени освоения доступных для использования

водных ресурсов в границах речных бассейнов и пред -

ставляющие собой расчеты потребностей водопользователей в

водных ресурсах по сравнению с доступными для использо вания

водными ресурсами в границах речных бассейнов,

подбассейнов, водохозяйственных участков при различных

условиях водности;

4. лимиты забора (изъятия) водных ресурсов из водного объекта и

лимиты сброса сточных вод, соответствующих нормативам

качества, в границах речных бассейнов, подбассей нов,

водохозяйственных участков при различных условиях водности;

5. квоты забора (изъятия) водных ресурсов из водного объекта и

сброса сточных вод, соответствующих нормативам качества, в

границах речных бассейнов, подбассейнов, водо хозяйственных

участков при различных условиях водности в отношении каждого

субъекта Российской Федерации;

6. основные целевые показатели уменьшения негативных

последстви наводнений и других видов негативного воздействия

вод, перечень мероприятий, направленных на достижение этих

показателей;

7. 7. предполагаемый объем необходимых финансовых ресурсов

для реализации схем комплексного использования и охраны

водных объектов.

Схемы комплексного использования и охраны водных объектов

разрабатываются уполномоченным Правительством Российской

Федерации федеральным органом исполнительной власти,

рассматриваются бассейновыми советами и утверждаются для

каждого речного бассейна уполномоченным Правительством

Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти.

Схемы комплексного использования и охраны водных объектов

являются обязательными для органов государственной власти,

органов местного самоуправления.

Порядок разработки, утверждения и реализации схем

комплексного использования и охраны водных объектов, внесения

изменений в эти схемы устанавливается Правительством Российской

Федерации.

2.9 Водохозяйственные балансы и принципы их составления.

Водохозяйственный баланс представляет собой количественную

характеристику (соотношение) прихода, аккумуляции и расхода воды

на определенной территории в заданный промежуток времени с

учетом хозяйственной деятельности человека.

Водохозяйственные балансы позволяют сопоставить водные

ресурсы речных бассейнов или их частей с потребностями в воде -

современными и перспективными, Назначение водохозяйственных

балансов - установить достаточность или нехватку воды для

обеспечения имеющихся или планируемых потребителей.

Водохозяйственный баланс состоит из приходных и расходных

частей. Приходная часть включает в себя следующие элементы:

естественный поверхностный сток, эксплуатационные р есурсы

подземных вод, возвратные дренажные, шахтные и сточные воды,

воды, перебрасываемые с других бассейнов. При этом необходимо

учитывать влияние на сток хозяйственной деятельности.

В расходную часть баланса обычно входят следующие объемы

воды: забираемая из реки вода на орошение, коммунально-бытовое и

промышленное водоснабжение; воды, перебрасываемые в другие

бассейны; потери воды на дополнительное испарение с поверхности

водохранилищ и прудов; потери речного стока, вызванные забором

дренируемых подземных вод. Значения этих расходов воды

устанавливаются в соответствии с выявленными требованиями

различных водопользователей к водным ресурсам реки ниже

расчетного створа.

Расчет водохозяйственных балансов производится в удобной

табличной форме для условий стока разной обеспеченности, как

правило, 50, 75 и 95 %.

Колебания стока внутри года и сезонная неравномерность

водопотребления и водопользования обусловливают необходимость

составления балансов по интервалам времени, в пределах которых

этими изменениями можно пренебречь. Как правило, можно

ограничиваться месячными интервалами времени.

Для сохранения в расчетах реальных соотношений водности в

различных частях бассейна рекомендуется составлять балансы для

конкретных лет с объемом годового и сезонного (за лимити рующий

период) стока в замыкающем бассейн створе и в устьях крупных

притоков, близким к объему стока расчетной обеспеченности. При

таком подходе, позволяющем автоматически учесть распределение

стока между реками и участками рек бассейна, может оказаться

необходимым предварительно рассмотреть пять - восемь характерных

по водности лет с различным внутригодовым и внутрибассейновым

распределением стока и выбрать наиболее неблагоприятные (с

наибольшими дефицитами воды).

Во избежание занижения водных ресурсов сток рек за

характерные годы, принятые в качестве расчетных, следует приводить

к естественным условиям, увеличивая его на объем безвозвратного

водопотребления выше рассматриваемого створа, имевшего место в

этот год.

Водохозяйственные балансы составляются чаще всего для

условий водохозяйственного года (с начала половодья до конца

зимней межени) в миллионах кубических метров или реже в

кубических метрах в секунду с подсчетом соответствующих годовых

объемов.

ГЛАВА 3

РАСЧЕТЫ НИЗКОГО СТОКА

3.1 Меженный и минимальный сток: основные определения.

Наименьшие уровни и расходы воды рек в значительной мере

определяют состояние и устойчивость водных экосистем. Кроме того,

такие хозяйственные мероприятия, как водозабор для хозяйственно -

питьевого и промышленного водоснабжения, орошения,

осуществления судоходства, ведения рыбного хозяйства и др.

лимитируются наличием доступных водных ресурсов. Все это

обуславливает важную роль минимального стока, как в природных, так

и антропогенных процессах и определяет необходимо сть его расчетов

при обосновании водохозяйственных проектов и оценки экологической

роли проводимых мероприятий.

На большинстве рек России наблюдается два маловодных сезона:

летне–осенний и зимний (реки с весенним половодьем), осенний и

зимний (реки с весенне–летним половодьем). Речной сток в

маловодные сезоны при отсутствии значительных паводков принято

называть меженным, а период - меженным периодом. В меженном

периоде имеется отрезок времени, когда сток является наименьшим.

Период наименьшего стока обычно продолжительностью 30 суток

называют периодом минимального стока. Синонимом меженного стока

является термин «низкий сток». Данные о минимальном и меженном

стоке применяются при разработке проектов водоснабжения,

энергетики (ГЭС, ТЭЦ, АЭС), орошения, при решении вопросов

экологии.

В практике водохозяйственного проектирования основными

расчетными характеристиками минимального и меженного стока

являются:

- норма стока меженного периода: 30-ти дневного минимального

и суточного;

- сток меженного периода, разной обеспеченности (обычно в

пределах 75 – 97%);

- абсолютный минимум.

Типы межени. По времени стояния межень может быть

продолжительной и короткой, по степени устойчивости – устойчивой и

прерывистой. Межень считается продолжительной, если она длить ся

более 30 суток и короткой (10 – 30 сут.), период менее 10 суток не

считается меженным.

Рис 3.1 Прерывистая летне -осенняя межень и устойчивая

зимняя межень. Река Сев. Сосьва у с. Няксимволь

За устойчивый меженный период принимается период с

отсутствием значительных паводков. Небольшие паводки включаются

в этот период, если объем каждого из них не превышает 10 – 15 %

объема стока за меженный период. В случае появления значительных

паводков меженный период становиться прерывистым.

Наибольшее применение в практике экологического

проектирования находят минимальные расходы воды. На реках с

длительным меженным периодом (более двух-трех месяцев) 30

суточный минимальный сток совпадает с календарным месяцем.

Поэтому выбор наименьшего месячного расхода в этом случае прост.

Однако на реках с поводочным режимом наименьшие расходы за

календарный месяц могут оказаться на 50 – 80 % больше

минимальных расходов воды за 30-дневный период, не совпадающий

с календарным месяцем. В этом случае определение 30 -ти дневного

периода минимального стока становится более сложным.

Порядок определения минимального 30 -ти суточного не

календарного расхода воды следующий: на гидрографе стока

устанавливаются сутки с наименьшим стоком, и, двигаясь от него

влево и вправо, устанавливают период в 30 суток с наименьшим

расходом так, чтобы 30-суточный период был непрерывным.

3.2 Расчеты минимального стока различной обеспеченности

при наличии данных наблюдений

При наличии данных гидрометрических наблюдений расчет

характеристик низкого стока осуществляется статистическими

методами: моментов, трехпараметрического гамма -распределения,

графоаналитическими (Свод правил…, 2004).

Рассмотрим эти методы. Но прежде необходимо сделать

несколько предварительных замечаний.

В настоящее время в гидрологической литературе

распространилась терминология, которая предполагает, что

параметры кривых обеспеченности C

, C

, также как и математическое

ожидание, сами ординаты кривой обеспеченности не определяются

точно, а имеют какую-то случайную ошибку. Поэтому говорят (пишут),

что рассчитана оценка, допустим C

или C

и др., а не самого

значения C

, C

и др. Такая терминология предполагает, что значение

рассчитано не точно, а только выполнена его приближенная оценка.

Кроме того, в статистике давно установлен о, что при коротких

рядах наблюдений (при ограниченной выборке), в случае

внутрирядной связи и других причин возникают при расчетах

систематические ошибки. Для их устранения вводятся различные

поправки. Например, при расчете C

, если ряд менее 30 лет, вводится

поправка

1





Принято говорить, если рассчитано значение без поправки, то это

получены смещенные оценки какой-то величины, если ввели поправку,

то получили несмещенные оценки. Несмещенные оценки получаются,

если отсутствуют условия образования систематических ошибок.

После этих предварительных замечаний можно перейти к самим

методам определения оценок параметров кривых распределения.

Метод моментов. Было установлено, что среднеарифметическое

значение равно первому начальному моменту





(3.1)

Коэффициент вариации равен корню квадратному из второго

центрального момента, деленного на значение первого начальног о

момента

 







1,0



(3.2)

Коэффициент асимметрии равен 3-ему центральному моменту,

деленного на куб среднего квадратичного отклонения

 

XXi



























(3.3)

Таким образом, параметры кривой обеспеченности определяются

через моменты, поэтому и метод называется – методом моментов. Как

отмечалось ранее, С

можно рассчитывать по формуле (3.2), если ряд

наблюдений более 30 лет, в этом случае средне –квадратическая

ошибка будет менее 1,6 %. Если ряд меньше, возникает смещение

(т.е. систематическая ошибка), которая устраняется введением

поправки

1





тогда Cv расчитывается по формуле

 









(3.4)

При Cv>0,6 и C

>1 введение этой поправки не помогает. Поэтому

для реальных гидрологических рядов, где часто Cs >2Cv, Cv>0,6

рекомендуется использовать формулу: