7.3 Водохозяйственный баланс и его составляющие

ВХБ 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.

Уравнение водохозяйственного баланса

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,

Wввi - объем возвратных вод i-го участника ВХК,

Wi - объем водопотребления i-м участником ВХК,

Wпоп.- объем 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 F₂подвешенной к створу 2-2 (рис.7.1). Зная модуль стока воды с данной территории (q₂) можно определить объемWр за расчетный период времени () величина притока воды по реке на рассматриваемый участок составит:

Wр =q₂*F₂*(7.3)

Объем стока (Wр) формируется на площади F_1-2и при известном модуле стока (q_1-2) определяться по формуле:

Wр =q_1-2*F_1-2*(7.4)

Объем переброски стока предназначен для устранения дефицита воды.

Wпер. < ( ВХБ < 0) (7.5)

В уравнении ВХБ (+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, т.е. быть с ними 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. (совершенная гидравлическая связь грунтовых вод и речных вод=1, отсутствие связи подземных и поверхностных вод=0).

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

=1=0.7=0=0.3=0

Рис.7.3 Схема для выбора значения 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 (безнапорные подземные воды: a = kф*h₁/) или пьезопроводности (напорные воды: a=kф*h₂/), м²/сут; kф- коэффициент фильтрации грунтов, м/сут;-коэффициент водоотдачи;h₁,h₂ – мощность водоносного горизонта, м (рис.7.4);-время с начала работы водозаборной скважины, сут.

Рис.7.4Схема определения мощности водоносного горизонта

А – безнапорный; Б - напорный

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

Wпоп.= мах{w^гэсi,w^втi,w^лi,w^эколi,w^рхi}, (7.7)

где w^гэсi- объем воды вi-ый месяц необходимый для выработки электроэнергии на ГЭС;

w^втi- объем воды вi-ый месяц для водного транспорта;

w^лi- объем воды вi-ый месяц для лесосплава;

w^эколi- минимально допустимый объем экологического стока вi-ый месяц (объем воды не используемый для водопотребления но необходимый для поддержания экологического равновесия водной экосистемы);

w^рхi- объем воды, необходимый для обеспечения нормальных условий обитания рыб в водном объекте (провода проходных 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 (w^ГЭСi) и условия судоходства в нижнем бьефе (w^втi) и пропуск судов по шлюзу (w^втi) (рис. 7.5 а).

Wпоп = мах{w^ГЭСi+w^втi,w^втi} (7.8)

В случае, если водопользователи расположены на главой реке и ее притоке, то необходимо обеспечить нормальную работу каждого ( рис.7.5 б):

Wпоп =мах {w^гэс1i,w^вт1i} + мах{w^гэс2i,w^вт2i} (7.9)

Рис.7.5 Схемы для определения объемов попусков:

а.- наличие судоходного шлюза в составе гидроузла;

б.- наличие двух гидроузлов в бассейне 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, идущих в 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 (-Wвод) учитывается в период первоначального наполнения водохранилища до проектной отметки (например, до отметки уровня мертвого объема, УМО). Если наполнение до данной отметки происходит в течение нескольких лет (_нап), то при составлении ВХБ для конкретного года этого периода (i), в уравнении ВХБ учитывается объем наполнения водохранилища в 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 ВБ_сраб..

Wвод =Vсраб.

УВБ – отметка воды в водохранилище

на момент начала сработки

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. Определяется как площадь водохранилища минус площадь водной поверхности 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 воды (Wгр) идет на насыщение толщи почво-грунтов (рис.7.9). Насыщение водой происходит на прилегающей к водохранилищу территории, в течение нескольких лет (10-20лет). Каждый год периода насыщения почво-грунтов происходят потери определенного объема водыWгрi. В результате на данной 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). ОбъемWгрiопределяется 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 зоны подъема уровня грунтовых вод;hi– величина подъема уровня подземных вод.

Рис.7.9 Схема 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 через тело, основание и в обход плотины определяются по данным натурных наблюдений (за существующей плотиной или ее аналогом) или на основе расчетов, например по формуле:

W_{ф плот} = (7.12)

где: H₁ ,H₂ – соответственно, расстояние между уровнем воды в верхнем, нижнем бьефе и водоупором (рис.7.10), м;l_ур- расстояние между линиями уреза воды в верхнем и нижнем бьефах, м; К_ф- коэффициент фильтрации грунта и основания плотины, м/c;L_п– длина плотины, м;t– период времени, за который рассчитывается фильтрация, с.

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):

W_л = h_л (F_н - F_к) , (7.13)

где: _в/_л– отношение плотности воды и льда (обычно принимается равным единице);h_л– средняя толщина льда за расчетный интервал;F_ниF_к- площадь зеркала водохранилища соответственно в начале и в конце расчетного интервала времени.

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