Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Регулирование речного стока: Учебное пособие

Голосов: 0

В учебном пособии излагаются основные сведения из области регулирования речного стока. Рассмотрены цель, задачи и методы расчета регулирования стока, основные параметры и классификации водохранилищ, подходы к определению потерь воды из водохранилищ и оценке их воздействия на окружающую природную среду, приведена информация о существующих и проектируемых крупных гидроузлах в мире и России. Подготовлено на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 280302 "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
               ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
          «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»




  О.Г. Савичев, С.Ю. Краснощëков, Н.Г. Наливайко




             РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА

                   Допущено по образованию в области
                 природообустройства и водопользования
                       в качестве учебного пособия
          для студентов высших учебных заведений, обучающихся
               по напрвлению подготовки (специальностям)
                              280302




                             Издательство
                Томского политехнического университета
                                 2009


    УДК 627.815(075.8)
    ББК 38.773я73
       С13

    Савичев О.Г.
С13         Регулирование речного стока: учебное пособие / О.Г. Савичев,
    С.Ю. Краснощëков, Н.Г. Наливайко; Томский политехнический универ-
    ситет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.
    – 114 с.

    ISBN 5-98298-455-8

          В учебном пособии излагаются основные сведения из области регулирования
    речного стока. Рассмотрены цель, задачи и методы расчета регулирования стока, ос-
    новные параметры и классификации водохранилищ, подходы к определению потерь
    воды из водохранилищ и оценке их воздействия на окружающую природную среду,
    приведена информация о существующих и проектируемых крупных гидроузлах в
    мире и России. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности
    280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов.

                                                                  УДК 627.815(075.8)
                                                                  ББК 38.773я73


                                     Рецензенты

                    Кандидат геолого-минералогических наук,
                     заведующий лаборатории гидрогеологии
                            ТФ ФГПУ СНИИГГиМС
                                  В.Г. Иванов

                    Кандидат геолого-минералогических наук,
                             генеральный директор
                     ЗАО НПО Сибирские минеральные воды
                                  С.А. Юшков

    ISBN 5-98298-455-8         ГОУ ВПО «Томский политехнический
                               университет», 2009
                               Савичев О.Г., Краснощëков С.Ю., Наливайко Н.Г., 2009
                               Оформление. Издательство Томского
                               политехнического университета, 2009




                                           2


                             Введение

      Развитие цивилизации с древнейших времен неразрывно связано
с использованием водных объектов, оказываюших исключительно
большое влияние на развитие человеческого общества. Это влияние
практически всегда неоднозначно. С одной стороны, наводнения, обме-
ления и пересыхания рек, озер, морей сопровождаются существенными
экономическими потерями, а порой, и человеческими жертвами. С дру-
гой стороны, водные объекты благоприятствуют развитию ирригации,
торговых отношений, тех или иных отраслей промышленности.
      Приспосабливаясь сначала к существующим водным условиям,
люди с течением времени стали активно воздействовать на режим при-
родных вод, изменяя его характеристики в нужном для себя направле-
нии. Наиболее значительные изменения такого рода связаны с эксплуа-
тацией водохранилищ. История их создания насчитывает, по крайней
мере, не менее 5 тыс. лет (сооружение плотин Кошиш, Садд-эль-
Кафара, водохранилища Мерис в Древнем Египте, плотины Нимрод на
Ближнем Востоке, системы дамб и каналов в Древнем Китае 2000−3000
лет до нашей эры). Однако только во второй половине XX-го столетия
их строительство и влияние на окружающую среду приобрело поистине
планетарный характер [1, 14, 21, 25], о чем свидетельствуют данные о
динамике роста количества водохранилищ по материкам (табл. 1).

                                                         Таблица 1
 Динамика роста количества (N) и полного объема (V) водохранилищ
                  емкостью более 100 млн м3 [1]

                    До 1900 г.         1901−1950 гг.   1950−1987 гг.
   Материк
                    N     V, км3        N     V, км3    N     V, км3
   Европа           9       3.3        104     121.7   399     461.2
    Азия            5       1.7         47      17.9   595    1516.7
   Африка           1       0.1         15      15.0    99     869.6
Северная Аме-
                   25       8.4        342     344.7   520    1324.2
    рика
Центральная и
                    1       0.3        22       8.8    188    679.6
Южная Америка
  Австралия        −        −           10      10.6    60     65.1
Итого по миру      41      13.8        540     518.7   1861   4916.4


                                   3


      С учетом роли водохранилищ и связанных с ними целого ком-
плекса водохозяйственных сооружений в развитии общества особое
значение приобретает теория регулирования и использования речного
стока, являющаяся научной базой для гидрологического и водохозяйст-
венного обоснования гидротехнических мероприятий. Значительную
роль в развитии этой теории сыграли работы известных русских ученых
А.И. Воейкова, Е.В. Оппокова, Н.И. Соколова и других. Наиболее су-
щественные достижения в этой области были получены после 30-х гг.
благодаря работам ученых М.А. Великанова, Б.В. Полякова, Д.Л. Соко-
ловского, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, Д.Я. Ратковича, А.В. Огиев-
ского, Я.Ф. Плешкова, А.Б. Авакяна, С.Л. Вендрова и других. В на-
стоящее время теория регулирования стока превратились в мощный ап-
парат обоснования водохозяйственных мероприятий самого различного
уровня, хотя многие вопросы еще требуют более подробного рассмот-
рения. В данном учебном пособии изложены теоретические основы и
практические приемы расчетов регулирования речного стока для раз-
личных отраслей народного хозяйства.

                        Глава 1
         Основные сведения о регулировании стока
                   и водохранилищах
 1.1. Общая характеристика водопользования и водопотребления
      Водное хозяйство на современном этапе может быть охарактери-
зовано как крупная производственная и природоохранная система, за-
дачей которой является обеспечение хозяйственного комплекса и насе-
ления водой в нужном объеме, режиме, качестве и месте, осуществ-
ляющая воспроизводство водных ресурсов, их охрану от истощения и
загрязнения, защиту окружающей среды от вредного воздействия вод .
      Базовыми понятиями в области водного хозяйства являются во-
дохозяйственные объекты и системы, водопользование и водопотреб-
ление [7, 8, 11, 40]:
1) водохозяйственный объект – сооружение, связанное с использова-
   нием, восстановлением и охраной водных объектов и их водных ре-
   сурсов;
2) водохозяйственная система – комплекс взаимосвязанных водных
   объектов и гидротехнических сооружений, предназначенных для
   обеспечения рационального использования и охраны вод;
3) гидротехническое сооружение – сооружение, подвергающееся воз-
                                4


   действию водной среды и предназначенное для использования и ох-
   раны водных ресурсов, предотвращения вредного воздействия вод;
4) водопользование – юридически обусловленная деятельность граждан
   и юридических лиц, связанная с любым использованием водных
   объектов, в том числе для нужд хозяйственно-питьевого и техниче-
   ского водоснабжения, водоотведения, потребностей сельского и
   рыбного хозяйств, водного транспорта и гидроэнергетики, а также в
   рекреационных целях (различают общее водопользование − водо-
   пользование без применения сооружений или технических уст-
   ройств, оказывающих влияние на воды, и специальное − водопользо-
   вание с применением сооружений или технических устройств, или
   водопользование, влияющее на состояние вод);
5) водопотребитель − гражданин или юридическое лицо, получающее
   в установленном порядке от водопользователя воду для обеспечения
   своих нужд (водопотребление – потребление воды из водного объек-
   та или систем водоснабжениям). По своим требованиям водопотре-
   бители различаются по следующим основным признакам: а) месту
   приема и выпуска воды; б) качеству воды; в) распределению водопо-
   требления по часам, суткам, дням недели, сезонам года; г) расчетной
   обеспеченности водопотребления.
      Рассмотрим краткую характеристику различных видов водополь-
зования и требования водопотребителей, наиболее существенные при
регулировании речного стока [25, 40].
      Хозяйственно-питьевое водоснабжение. Хозяйственно-питьевое
и техническое водоснабжение является весьма важной отраслью водно-
го хозяйства для густо заселенных и индустриальных районов, особен-
но при ограниченных водных ресурсах. При заборе воды для водоснаб-
жения из малых и средних рек нередко требуется регулирование стока,
если в маловодные периоды он недостаточен для удовлетворения по-
требностей. Удельное среднесуточное за год коммунальное водопо-
требление, включающее в себя расходы воды на хозяйственно-питьевые
нужды, поливку улиц и зеленых насаждений, обеспечение водой обще-
ственных зданий и нужды местной промышленности, в зависимости от
благоустройства населенных пунктов изменяется от 150 до 600 л/сут на
одного жителя [34].
      Промышленное водопотребление часто объединяется с комму-
нальным и обеспечивается из городской водопроводной сети. Колеба-
ние водопотребления в течение суток обычно удовлетворяется за счет
соответствующих резервуаров, а из источника водоснабжения вода при
этом забирается достаточно равномерно. Большое количество воды (60–
                                  5


70 %), доставляемой в города, возвращается обратно в реки через кана-
лизацию.
      Промышленное водоснабжение. Промышленное водоснабжение
требует, как правило, больших количеств воды. Обычно лишь неболь-
шая ее часть используется безвозвратно как сырье, уходит на потери в
технологическом цикле, исключается из баланса как особо загрязнен-
ная. Большая же часть воды уходит с предприятия, лишь изменив свои
качества, которые во многих случаях целесообразно восстановить до
исходных или приемлемых для водопользования, применяя очистку,
охлаждение и так далее. Эти мероприятия необходимы также для под-
держания водных объектов в естественном состоянии.
      Если расходы воды в реке в маловодные периоды достаточны для
подачи на предприятия только свежей воды, то такая схема промыш-
ленного водоснабжения называется прямоточной. В случаях же, когда
отработанные воды после очистки или охлаждения непрерывно исполь-
зуются в технологическом цикле, а из источника водоснабжения вос-
полняется лишь безвозвратный расход, схема водоснабжения называет-
ся оборотной, или циркуляционной. Существуют также смешанные
схемы (прямоточно-оборотная и прямоточная наряду с оборотной).
      При оборотной схеме водоснабжения для охлаждения оборудова-
ния предприятий жесткость воды под влиянием усиленного испарения
от подогрева непрерывно увеличивается. При этом во многих случаях
требуется опреснение воды в охлаждающих устройствах (в бассейнах
брызгал и градирен, в прудах-охладителях), которое обычно проводится
путем слива жесткой воды из бассейна и заменой ее пресной из другого
источника. Такой процесс опреснения воды в водоемах, называемый
иногда «продувкой», требует определенного количества заменяющей
воды, что должно учитываться в водном балансе.
      Тепло- и электроэнергетика. Большие количества воды подаются
для охлаждения теплообменников мощных тепловых электростанций
(ГРЭС). Расходы подаваемой для охлаждения воды зависят от мощно-
сти ГРЭС, типа энергомеханического оборудования и времени года.
      В среднем на ГРЭС мощностью 1 млн кВт в зимний период пода-
ется расход воды 25–35 м3/с (в зависимости от мощности агрегатов), а
летом – в полтора раза больше. Гидроэнергетика составляет особую от-
расль водного хозяйства.
      Сток на гидростанциях (ГЭС) используется для получения энер-
гии, потребность в которой изменяется как в пределах суток, так и в те-
чение года, соответственно, суточному и годовому графикам нагрузок.
В пределах суток нагрузки на энергосистему варьируют от минимума
                                  6


ночью до максимума в дневные и вечерние часы; в пределах года ком-
мунальные нагрузки имеют минимум в летнее время и максимум зимой.
      Сельское хозяйство. Ирригация в ряде районов земного шара яв-
лется доминирующей водохозяйственной отраслью с большим сезон-
ным потреблением воды из рек или водохранилищ. Потребление воды
на ирригацию изменяется примерно в пределах 2500–5000 м3/га за се-
зон, а для риса – 10000–20000 м3/га за сезон в зависимости от климати-
ческих зон, вида орошаемых культур и метода орошения (по бороздам
из временной оросительной сети, напуском или дождевальными уста-
новками). Горные реки с преимущественно ледниковым и горно-
снеговым питанием имеют летнее половодье, что благоприятствует ис-
пользованию их для орошения. Для большинства же равнинных рек с
малыми летними расходами требуется нередко высокая степень регули-
рования стока при использовании его для орошения земель. Подаваемая
на поля вода частично возвращается в реки через дренажную сеть и
грунтовым потоком.
      Водный транспорт. Водный транспорт в прежние годы преду-
 сматривался на больших реках, но в последнее время все в большей
 степени стали использоваться в качестве водных путей средние и даже
 малые реки. Суда с небольшой осадкой и реактивным водометным уст-
 ройством вместо гребного винта позволяют широко и эффективно ис-
 пользовать для водного транспорта и малые реки. При поддержании
 транспортных глубин надо иметь в виду, что мероприятия по повыше-
 нию их за счет дополнительных кратковременных попусков из выше-
 лежащего водохранилища являются малоэффективными. Дело в том,
 что влияние кратковременных попусков распространяется на сравни-
 тельно небольшие расстояния, а размеры повышения глубин за счет та-
 ких попусков невелики; для существенного приращения глубин потре-
 бовалось бы водохранилище очень большой емкости.
      Ограниченное влияние попусков на глубины вытекает из обычной
 параболической связи между наполнением и расходами:
                                   Q=k hn,                       (1)
где k – коэффициент пропорциональности, h – наполнение призматиче-
ского русла с постоянным уклоном, n – константа, равная примерно
двум.
      Из приведенного соотношения видно, что для увеличения глуби-
ны вдвое, расход нужно увеличить вчетверо. Поэтому по мере увеличе-
ния бытовых расходов вниз по реке влияние попуска становится все
менее заметным, хотя вблизи самого водохранилища крупные попуски
могут вызвать нежелательное повышение уровней и скоростей. При
                                  7


этом следует отметить, что в руслах с размываемыми подстилающими
породами указанное соотношение между Q и h нарушается деформа-
циями русла в связи с изменением расхода воды. Подъему уровня воды
обычно соответствует намыв гребней перекатов, несколько уменьшаю-
щий прирост глубины. В результате приращение глубины составляет в
среднем лишь около 2/3 приращения уровня.
      Наряду с попусками из водохранилища для улучшения судоход-
ных условий применяются также выправительные и дноуглубительные
работы. Коренное улучшение водных путей достигается шлюзованием.
Транспортные условия характеризуются кривыми зависимости глубин
на перекатах от расходов воды. Эти кривые строятся по данным бли-
жайших пунктов наблюдений; используются также промеры бакенщи-
ков и теоретические зависимости между расходами, уровнями и глуби-
нами.
      Рыбное хозяйство. На рыбном хозяйстве весьма существенно от-
ражаются резкие колебания уровней и расходов в нижнем бьефе, свя-
занные с попусками при суточном и недельном регулировании. Вос-
производство запасов многих ценных видов рыб, особенно полупро-
ходных (судак, лещ, вобла, сазан и другие), приспособлено к естествен-
ному гидрологическому режиму. Поэтому изменение этого режима при
регулировании стока отрицательно сказывается на рыбном хозяйстве и
рыбной промышленности низовий рек. На воспроизводстве проходных
рыб (осетр, белуга, севрюга, сельдь и другие) отрицательно сказывается
потеря значительной площади нерестилищ этих рыб в пределах водо-
хранилищ в результате уменьшения скоростей течения, заиления участ-
ков с песчаными и каменистыми грунтами, сильного волнения, а также
изменение водного режима нерестилищ.
      На условиях размножения рыб неблагоприятно отражается и за-
держка прогревания воды в нижних бьефах гидроузлов по сравнению с
естественными условиями [37]. При этом необходимо отметить, что со-
временные технологии ведения рыбного хозяйства позволяют в значи-
тельной мере нейтрализовать негативное воздействие регулирования
стока и увеличить рыбопродуктивность водохранилищ благодаря соз-
данию рыбопропускных и рыбозащитных сооружений, исскуственных
нерестилищ, своевременному предотвращению заморов и другим меро-
приятиям [31].
      Хотя все крупные водохранилища носят комплексный характер,
их роль в развитии водного хозяйства оценивается весьма неоднознач-
но. Положительный эффект от зарегулированности речного стока ниве-
лируется негативными последствиями от изменения уровенного режима
                                  8


верхнего и нижнего бьефов гидроузлов и несогласованности требова-
ний отдельных водопотребителей и водопользователей, что часто нано-
сит прямой ущерб неэнергетическим участникам водохозяйственных
комплексов.

            1.2. Необходимость регулирования речного стока
      Решение различных водохозяйственных мероприятий по исполь-
зованию речного стока сводится к удовлетворению водой одного или
нескольких водопользователей с учетом их переменной потребности в
воде на протяжении года. Эта потребность может быть представлена в
виде графика водопотребления или водопользования, который затем
сравнивается с гидрографом реки. Режим стока и основные его характе-
ристики (норма, минимумы, распределение по сезонам и так далее) оп-
ределяются по материалам фактических наблюдений с использованием
расчетных приемов, излагаемых в курсах гидрологии. Базовые положе-
ния теории вероятностей и математической статистики приведены в
приложении 1.
      Речной сток подвержен непрерывному изменению как из года в
год, так и в течение года: многоводные годы сменяются маловодными
или средними, а многоводные сезоны года чередуются с интервалами
низкого стока. Такая неравномерность стока в большинстве случаев не
удовлетворяет ходу водопользования в течение года, что и обнаружива-
ется при сопоставлении синхронных графиков водопользования и гид-
рографов стока маловодных лет (или сезонов). Для сравнения с водопо-
треблением, кроме гидрографов, привлекаются также кривые обеспе-
ченности среднесуточных расходов. Построение этих кривых излагает-
ся в курсе гидрологических расчетов [16, 17, 23, 26, 29].
      Несоответствие гидрографов стока (или кривых обеспеченности
расходов) графикам водопользования обнаруживается во многих отрас-
лях народного хозяйства. Водоснабжение промышленных и населенных
районов в течение года осуществляется достаточно равномерно, вслед-
ствие чего существенно отличается от гидрографов стока. Энергосисте-
ма требует от гидростанции наибольшей мощности обычно в зимнее
время, то есть в период низкого стока.
      Водный транспорт без применения дноуглубительных работ тре-
бует поддержания глубин на нешлюзованных участках реки за счет ис-
кусственного увеличения расходов в период межени. Если при этом в
отдельные годы или сезоны потребность в воде превышает расходы
речного стока, то возникает необходимость в приспособлении стока к

                                 9


графику водопользования, иными словами, требуется регулирование
стока.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
  1. Назовите страны и время осуществления первых крупных работ
     по регулированию речного стока.
  2. Дайте определение понятий «водохозяйственное сооружение» и
     «водохозяйственная система».
  3. Назовите отличие между понятиями «водопользование» и «водо-
     потребление».
  4. Сформулируйте ограничения использования рек для нужд водно-
     го транспорта, водоснабжения, водоотведения, гидроэнергетики,
     орошения сельхозугодий по величине водного стока.
  5. Укажите причины ограничений по использованию попусков воды
     из водохранилища для обеспечения оптимальных условий работы
     водного транспорта.

            1.3. Основные понятия о регулировании стока
                         и водохранилищах
       Решение целого ряда задач водного хозяйства по обеспечению
населения, промышленности и сельского хозяйства водой и поддержа-
ния оптимальных условий для функционирования экосистемы водо-
сборного бассейна возможно путем создания на реках и озерах уст-
ройств и сооружений, называемых водохозяйственной установкой.
       При регулировании стока − перераспределении во времени есте-
ственного стока реки в соответствии с запросами водопотребителей − в
состав установки обязательно входит водохранилище, создаваемое под-
пором вод реки или естественного водоема (озера) от водоудерживаю-
щей плотины. Обоснование проекта водохозяйственной установки
представляет круг вопросов, решаемых водохозяйственными расчетами
[4, 17, 29].
       Согласно рекомендациям Института водных проблем (ИВП) РАН,
водохранилищами следует считать искусственные и естественные водо-
емы с замедленным водообменом объемом более 1 млн м3, уровенный
режим которых постоянно регулируется гидротехническими сооруже-
ниями для накопления воды в целях ее хозяйственного использования.
У водохранилищ нет природных аналогов. Только по форме чаши с ни-
ми сходны завально-запрудные озера. По мнению А.Б. Авакяна с соав-


                                10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика