Гидрологические и гидрогеологические условие и оценка имеющихся на объекте водных ресурсов

Гидрологические характеристики и классификация реки

Для классификации рек пользуются справочной таблицей.

Таблица 1 - Классификация рек

Группа рек	Площадь бассейна, тыс. км2	Длина, км
Ручьи
Малые	2…50	50…100
Средние	50…200	100 …500
Большие

При площади речного бассейна = 0,8 тыс.км² исследуемая река относится к группе рек – Ручьи.

К гидрологическим характеристикам реки относится:

- Норма стока воды в реке (млн. м³);

- Средний расход вод в расчетном створе (м³/с);

- Коэффициент вариации (C_v);

- Коэффициент асимметрии (C_s);

К гидрологическим характеристикам речного бассейна относится:

- Площадь бассейна (км²);

- Модуль поверхностного стока;

- Структура землепользования;

- Уклон территории;

Гидрологические характеристики речного бассейна представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Гидрологические характеристики бассейна реки

Река- створ	Fбас, км2	L, км	I, ‰	q, л/с*км2	Qср, м3/с	F%
Fлес	Fбол	Fпаш
Нева			0,32	10,6	8,5

q = = = 10, 6 (л/с* км²), где:

q - Модуль поверхностного стока;

Q_ср – Среднегодовой расход (м³/с);

F_бас – Площадь бассейна (км²).

Кривая обеспеченности годового стока позволяет определить объем стока в расчетные годы.

Обеспеченность– это вероятность превышения рассматриваемой величины.

Данные для построения кривой обеспеченности представлены в таблице 3.

Таблица 3 -Данные для построения кривой обеспеченности речного стока

Р, %	Кр, % ( Сv=0,3)	Wр, %
	2,82	756,04
	1,4	375,04
	1,24	332,44
	1,13	302,95
	1,05	281,50
	0,97	260,05
	0,89	238,60
	0,82	219,84
	0,75	201,07
	0,64	171,58
	0,44	117,96

W_р% = W_ср * К_р%

W_ср = Q_ср * 31, 54 млн.с = 8, 5 * 31, 54 = 268,1 (млн.м³), где:

Q_ср – Среднегодовой расход (м³/с);

31,54 – Число секунд в году (млн.с).

По данным таблице строим график (см. рис 1).

Внутригодовое распределение стока реки принято по типовому гидрографу.

Таблица 4 - Внутригодовое распределение речного стока

Параметры	Месяцы	Год
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Кi 75%	0,8		2,3	62,8	15,4	4,4	3,9		1,2	2,6	1,9	1,7	100%
Кi 95%	0,7	0,9		63,8	15,6	4,4	3,8	1,9	1,1	2,5	1,8	1,5	100%
Wi 75%, млн.м3	1,68	2,1	4,83	131,88	32,34	9,24	8,19	4,2	2,52	5,46	3,99	3,75	W 75% =210, млн.м3
Wi 95%, млн.м3	0,91	1,17	2,6	82,94	20,28	5,72	4,94	2,47	1,43	3,25	2,34	1,95	W 55% =130, млн.м3
Wi 99%, млн.м3	0,83	1,06	2,36	75,26	18,40	5,19	4,48	2,24	1,30	2,95	2,12	1,77	W 99% =117,96, млн.м3

W_i 75%, млн.м³ = (млн.м³); W_i 95%, млн.м³ = (млн.м³);

W_i 99%, млн.м³ = (млн.м³);

Назначение экологического стока выполнена по методу Фащевского Б.В., а также методом разрешения гидрографа на товарный и экологический сток.

Экологический сток –это сток позволяющий сохранить состояние устойчивого равновесия водной экосистемы, он должен отвечать следующим условиям:

1) Обеспечение достаточного для водной биоты объема воды как жизненного пространства.

2) Быть переменным во времени с распределением близко к природным.

3) Сохранение параметров водного потока в пределах оптимальных.

2.2. Оценка ресурсов подземных вод на объекте:

Ресурсы подземных вод гидравлически не связанной с рекой рассчитывается по формуле:

W_{п.в. гидг.несвяз} = (1- 𝛼_г.св) * q_п.в * F_{бас(всб)} * 10^-3 * 31, 54

W_{п.в. гидг.несвяз} = (1 – 0, 62) * 0, 57 * 800 * * 10^-3 * 31, 54 = 5, 56 (млн.м³), где:

W_{п.в. гидг.несвяз}–подземные воды, гидравлически не связанные с рекой;

𝛼_г.св–коэффициент гидравлической связи;

𝛼=0,62;

q_п.в–модуль подземных вод;

q_п.в = 0, 57 (л/с *км²);

F_бас – площадь бассейна (км²);

10^-3– переводной коэффициент литров в м³;

31,54 – число секунд в году (млн. с).

3. Учет требований участков водохозяйственного комплекса к водным ресурсом. Уточнения характеристик водопользования:

Расчеты характеристик водопользования выполнены в таблице № 5.

Таблица 5 - Характеристики водопользования (водопотребители)

Участки ВБХ	Формула водопотребления	Wвi	Kввi	Wввi	Kразбi	Wразбi	Wбвi	Пзi	Исi
				5(3*4)		7(6*5)	8(3-5)
Городские КБХ	Wвi =	29,2	0,8	23,36		186,88	5,84	27,53	4,95
Сельские КБХ	4,05	0,7	2,83		19,81	1,22	2,92	1,03
Рекреация	1,94	0,8	1,55		12,4	0,39	1,83	0,33
Животноводство	1,62	0,7	1,13		16,95	0,49	2,50	0,41
Промышленость	Wвi = (B * q) / 0,9 *106	42,22	0,5	21,11		422,2	21,11	62,20	17,90
Орошение	Wвi = M * F / 0,85 *106		0,1					1,47	15,30
ТЭС	Wвi = N *q / 0,95 * 106	10,52	-	10,52	-	10,52	10,52	1,55	8,92
∑		109,55	3,6	62,5		678,76	57,57		48,84

Кпд = 0,9; Орошение: Пз_i = * 100%

N_г и N_с – численность населения городов и сельский н/п; М = 200 (м³/га), F = 8, 5 (тыс.га).

q – норма потребления воды (л/сут.чел); Промышленность: Ис_i = * 100%

В – вид и объем продукции (т/год); Э_ГЭС = 3 (МВт. ч), N_ТЭС = 100 (МВт).

М – оросительная норма (м³/га); Рекреация:

F – регулярное орошение (тыс.га); N_отд = 12000 (чел), q_рек = 400 (л/сут.чел).

N – число отдыхающих рек (чел). Животноводство:

Коммунально-бытовое хозяйство (КБХ): N_КРС = 40 (тыс. голов), q = 100 (л/сут * гол).

N_г = 400 (тыс. чел), q_г =180 (л/сут.чел);

N_с =200 (тыс. чел), q_с =50 (л/сут.чел).

Вывод:по результатом анализа водопотребления и водоотведения наибольшую загрязненную нагрузку на реку создают городские КБХ = 27,53 % и промышленность = 62,20 %, а наибольшие истощение реки вызывает промышленность = 17,90 % и орошение = 15,30%.

Учет требований водопользователей осуществляется режимом и объемом попусков:

1) Энергетический – определяется как объем воды, который надо пропускать через турбины ГЭС, при данном напоре для выработки требуемого объема электроэнергии.

= 432 Э/Н, где:

W_ГЭС – годовой объем энергического попуска (млн.м³);

432 – физический коэффициент, в котором сведены ускорения свободного падения, КПД турбины генераторов, число часов работы ГЭС в году;

Э – требуемый объем выработки электроэнергии;

Н – напор воды на ГЭС (м).

432 * = 43,2 млн.м³.

Принимаем равным режим работы ГЭС в году, тогда в каждом месяце энергетический попуск:

W_ГЭС = = = 3,6 млн.м³

2) Навигационный– обеспечивает навигацию заданного вида водного транспорта.

Расчет навигационного попуска выполняется в табл. 6, а основной является табл. 2.5 из бланка задания. Из табл. 4 выбираем наименьшие значение W_i 75% (=1,68).

Таблица 6 - Водный транспорт

Месяцы	V	VI	VII	VIII	Год
Qвт м3/c	2*Qmin	2*Qmin	3*Qmin	2*Qmin	_
Wвт мнл.м3	3,36	3,36	5,04	3,36	∑ = 15,12

3) Рыбоходный – учитывает требования той рыбы, которая обитает в реке.

Расчет рыбного попуска выполняется в табл. 7, а основной является табл.2.6 из бланка задания.

Таблица 7 - Рыбное хозяйство

Табл.7

Месяцы	III	IV	V	VI	VII	VIII	Год
Qрх м3/c	3*Qmin	3*Qmin	2*Qmin	2*Qmin	1*Qmin	1*Qmin	_
Wрх мнл.м3	5,04	5,04	3,36	3,36	1,68	1,68	∑ = 20,16

4) Санитарный –обеспечивает санитарное состояние реки, не промерзание, не прогревание свыше допустимых норм, также является нижнем пределом ограничения всех попусков и задается как W_i 95% = 0,91 млн.м³ т.е. W_сан = 0,91 млн.м³.

5) Комплексный –назначается как maх из всех предъявляемых требований водопользователей. = 142,78.

Водохозяйственные балансы

4.1. Составление и увязка годового водохозяйственного баланса:

ВХБ без учета качества воды:

ВХБ = W_реки + W_п.в. + - - W_{комп.попуск} = 15,1 млн.м³.

ВХБ с учетом качества воды:

ВХБ` = W_реки + W_п.в. + - – W_{max.попуск} = - 510 млн.м³.

W_попуск = = , где:

W_реки = W75%;

W_п.в. – использование подземных вод на объекте;

– суммарный объем водопотребления вод всех участков ВХБ;

- суммарный объем водопотребления всех участков ВХБ;

W_{комп.попуск} – комплексный попуск;

W_{max.попуск} = предельной загруженности или суммарному разбавлению возвратных вод участков ВХБ.

Составление увязки годового водохозяйственного баланса выполняется в табл. 9.

Назначение комплексного попуска выполняется в табл.8.

При составлении годового водохозяйственного баланса без учета качества воды не выявлены дефициты водных ресурсов на объекте ВХБ = 15,1 млн.м³.

При составлении ВХБ с учетом качества воды выявлено загрязнение реки со сточными водами участников ВХБ` = - 510,35 млн.м³.

Вывод:Необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по рационализации водопользования с целью устранения выявленных водохозяйственных проблем на объекте.

4.2. Мероприятия по рационализации водопользования на объекте:

1) Ведение обратной системы водоснабжения для промышленности и орошаемым земледелием. Орошаемые земли можно сделать при наличии дренажа на орошаемых землях.

50 % сточных вод промышленности после очистки на самом промышленном предприятии используется повторно в техническом цикле.

Объем возвратных вод промышленности:

= 0,5 ;

= 0,5 ;

= 0,5

Условие орошения:

Весь дренажный сток с орошаемых земель собирается в трубы накопители, очищается на биоинженерных сооружениях и подается для цели нерегулярного орошения:

= 0;

= -

= 0.

2) Повышение эффективности очистки сточных вод городского КБХ и рекреации. Назначаем полную биологическую очистку с эффективностью 95%:

= (1-0,95);

= (1-0,95).

3) Повторное использование животноводческих стоков для орошения:

= 0;

= - ^;

= 0;

W = 210.

Эффективность метода снижения загрязнения реки с животноводческими стоками, уменьшение водозабора свежей реки, из воды на нужны орошения.

4) Снижение загрязнения реки рассредоточенными (диффузионными стоками).

Для сельской территории выполняется обустройство водоохраных зон в соответствии с водным кодексом РФ.

Водоохраные зоны разбиваются по звеньям речной сети, ширина зависит от длины реки (речного звена).

При длине реки до 10 км ширина – 50 м, от 10 – 50 км – 100 м, более 50 км – 200 м.

Эффективность водоохраной зоны 70-80%.

Для городских и промышленных территорий предусматривается устройство ливневой канализации с очисткой отводимых в реку вод эффективность 90%:

= (1-0,7) * ^;

= (1-0,9) * ^;

= (1-0,9) * ^;

= (1-0,7) *

Вывод:В результате рационализации водопользования годовой водохозяйственный баланс с учетом качества воды стал положительным, при этом изменились параметры водопользования отдельных участков ВХБ, в результате применения имеющихся технологий по использованию водных ресурсов.

4.3. Составление водохозяйственных балансов по месяцам года:

Исходными данными по составлению ВХБ является результат увязки годового ВХБ.

Составление ВХБ проводим в табличной форме.

Таблица 10 \ Составление ВБХ по месяца года

Месяцы	Wр	Wп.в								Wпоп.i		МВХБi
	1,68	0,455	-	3,1908	3,1908	5,326	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 4,86
	2,1	0,455	-	3,1908	3,1908	5,746	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 4,44
	4,83	0,455	-	3,1908	3,1908	8,476	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 1,71
	131,88	0,455	-	3,1908	3,1908	135,526	-	6,583	6,583	82,94	31,08	46,00
	32,34	0,455	-	3,1908	3,1908	35,986	4,218	6,583	10,80	20,28	17,364	4,91
	9,24	0,455	-	3,1908	3,1908	12,886	5,061	6,583	11,644	5,72	15,84	- 4,48
	8,18	0,455	-	3,1908	3,1908	11,836	4,218	6,583	10,80	5,04	13,56	- 4,00
	4,2	0,455	-	3,1908	3,1908	7,846	3,374	6,583	9,96	3,6	10,183	- 5,72
	2,52	0,455	-	3,1908	3,1908	6,166	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 4,02
	5,46	0,455	-	3,1908	3,1908	9,106	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 1,08
	3,99	0,455	-	3,1908	3,1908	7,636	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 2,55
	3,57	0,455	-	3,1908	3,1908	7,216	-	6,583	6,583	3,6	10,183	- 2,97

4.4. Уточнение параметров водохранилищ и энергосистем:

При составлении балансов ВХБ по месяцам года выявлены месяцы, как с дефицитом, так и с избытком водных ресурсов, при не отрицательном годовом ВХБ.

Для покрытия дефицитов необходимо создание водохранилища сезонного регулирования стока.

Полезный объем водохранилища = сумме дефицитов МВХБ по модулю, т.е.:

V_полез.= = 35, 83 млн. м³;

V_МО = 0,1 * V_полез. = 0,1 * 35, 83 = 3,583 млн. м³;

V_полн. = V_полез. + V_МО = 35, 83 + 3,583 = 39, 4 млн. м³.

Наполнение и сработка водохранилищ представлена в табл. 11.

Таблица 11 - Наполнение и сработка водохранилища

Табл. 11

Месяцы	МВХБi, млн. м3	Vполез.i, млн. м3	Vхолост.сброс.i, млн.м3
	46,00	35,83	10,17
	4,91	35,83	4,91
	- 4,48	31,35	-
	- 4,00	27,35	-
	- 5,72	21,62	-
	- 4,02	17,6	-
	- 1,08	16,52	-
	- 2,55	13,97	-
	- 2,97		-
	- 4,86	6,14	-
	- 4,44	1,7	-
	- 1,71		-

Расчет напоров на ГЭС проводим в табл. 12.

Таблица 12 - Расчет напоров на ГЭС

Табл.12

Месяцы	Vполез.i, млн. м3	Vполн.i, Млн. м3	ВБi, м	Qпопуск.i, м3/с	Qхолост.сброс.i, м3/с	Qi, м3/с	НБi, м	Нi, м	м	Р, %
	6,14	9,72	0,2	7,8	1,4	-	1,4	0,04	1,8		13,2
	1,7	5,28	0,1	4,9	1,4	-	1,4	0,04	1,8	3,1	12,85
		3,583	0,09	5,8	1,4	-	1,4	0,04	1,8		12,8
	35,83	39,41				3,9	35,9				11,4
	35,83	39,41			7,8	1,9	9,7	0,3	3,2	12,8	11,2
	31,35	34,93	0,9	14,8	2,2	-	2,2	0,06	1,95	12,85	11,2
	27,35	30,93	0,8	15,1	1,9	-	1,9	0,05	1,9	13,2
	21,62	25,20	0,6	13,2	1,4	-	1,4	0,04	1,8	11,4
	17,6	21,18	0,5		1,4	-	1,4	0,04	1,8	11,2
	16,52	20,10	0,5		1,4	-	1,4	0,04	1,8	11,2
	13,97	17,55	0,4	11,8	1,4	-	1,4	0,04	1,8
		14,58	0,4	11,8	1,4	-	1,4	0,04	1,8			99,99

Q_ср = = 4, 96 м³/с; Н_ср = = 8, 82 м.

Годовая выработка ГЭС:

Э_ГЭС = ρ * g * Н_ср * Q_ср * 4000= 1 * 9,81 * 8, 82 * 4, 96 * 4000 = 1716 МВт.ч.

Вывод:

1) По результатом составления годового ВХБ без учета качества воды ВХБ положительный = 15,1 млн. м³ – дефицита воды нет.

С учетом качества воды ВХБ отрицательный = - 510, 35 млн. м³, что показывает сверхнормативное загрязнение воды.

2) Принятый комплекс водохозяйственных мероприятий по рационализации водопользования: водооборот в промышленности на 50 %, в орошении на 100 %; повторное использование животноводческих стоков на орошении; очистка сточных вод с эффективностью 95 %; устройство водоохраных зон с эффективностью 70 %; позволил добиться положительного ВХБ с учетом качества воды (129,313 млн. м³), что говорит о допустимой загрязняющей нагрузки на реку.

3) Выполнено управление попусками в сторону увеличения на величину невязки баланса = 15,1 млн. м³.

4) По результатом составления ВХБ по месяцам года при не отрицательном годовом ВХБ выявлены как дефициты, так и избытки в отдельные месяца года, т.е. необходимо создание водохранилища сезонного регулирования стока.

5) Определены водохозяйственные параметры водохранилища:

V_полез. = 35, 83 млн. м³;

V_МО = 3,583 млн. м³;

V_полн. = 39, 4 млн. м³.

6) Выполнен расчет ГЭС и определена годовая выработка ГЭС = 1716 МВт.ч.

Уточнённые параметры водопользования с компоновкой участок ВХБ представлен на рис. 4.

Список литературы:

1. Маркин В.Н., Раткович Л.Д. «Обоснование водохозяйственных мероприятий в бассейне реки», М.: МГУП: 2014 электронное учебное пособие.

2. Маркин В.Н., Раткович Л.Д. «Разработка водохозяйственных систем в бассейне реки» Москва МГУП 2011, 101 стр.

3. Глазунова И.В. , Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Федоров С.А., Шабанов В.В. «Баланс ресурсов речного бассейна» Москва МГУП 2013, 201 стр.

4. Глазунова И.В. , Маркин В.Н., Раткович Л.Д. «Вопросы рационального использования водных ресурсов и проектного обоснования ВХС» Москва МГУП 2013, 256 стр.

5. СНиП 2.04.14 – 83. «Определение Расчетных гидрогеологических характеристик».