Гідрологічні основи комплексного використання водних ресурсів

Необхідність регулювання річкового стоку виникає в зв’язку з невідповідністю між об’ємом води, що є в річці, і величиною споживання води за той чи інший відрізок часу.

Відносно великі річки не можуть забезпечити водою багатьох водоспоживачів із-за різкого зниження стоку в меженний період. Саме в таких умовах виникає необхідність в створенні водосховищ для перерозподілу природного річкового стоку між окремими періодами року. Водосховища в період високого весняного стоку наповнюється, а в період дефіциту води спрацьовується. В багатьох випадках потреба у воді перебільшує стік річки маловодного року. В зв’язку з цим виникає необхідність не тільки в сезонному, але і в багаторічному регулюванні, тобто в створенні достатньо великих водосховищ.

Все більший розвиток в водогосподарській практиці отримує регулювання річкового стоку для запобігання повеней.

Раціональне регулювання стоку повинне базуватись на:

1. Прогнозі розвитку водоспоживання і водокористування з урахуванням ресурсів річкового стоку по довжині основної річки і її притоків.

2. Дослідженні перспективних співвідношень між потребою у воді і існуючими ресурсами природного річкового стоку, тобто дослідженні водогосподарських балансів.

3. Вивченні можливих варіантів і виборі оптимальної єдиної схеми регулювання режиму стоку основної річки і її притоків з обґрунтуванням розташування і параметрів всіх необхідних регулюючих водосховищ.

4. Обґрунтуванні черговості створення водосховищ, що входять в єдину систему регулювання режиму стоку річкового басейну.

2. Види регулювання стоку

Форми регулювання водних ресурсів досить багатогранні, вони можуть поділятись на два види: безпосередньє і пряме.

Безпосередньє регулювання характеризується тим, що зміна режиму водотоку наступає відразу після здійснення різноманітних гідротехнічних заходів.

Воно може виступати у формі забору води, створення водосховищ, перекиду стоку з інших басейнів, акумулювання місцевого стоку, зміни морфометричних елементів річок.

При непрямому регулюванні ці зміни проявляються через значно більший період часу і можуть бути не такими значними, як при першому виді регулювання. Тут виконують обробку і використання ґрунтового шару, зрошення, осушення і лісорозведення.

Охарактеризуємо коротко різні форми регулювання.

Забір води із річок чи водойм здійснюється для задоволення потреб водоспоживання, риборозведення, зрошення, обводнення, енергетики і інш. Для цього споруджуються відкриті водозабори у вигляді шлюзів-регуляторів при невеликих витратах води, або греблі з водоскидами. Такі пристрої забезпечують самостійну подачу води до місць її споживання. Для цих же цілей досить часто будуються насосні станції.

Створення водосховищ є найбільш розповсюдженим видом регулювання. Зведення гребель і дамб дає змогу акумулювати великі об’єми види, які використовуються багатьма учасниками водогосподарського комплексу. В багатьох випадках практикується будівництво наливних водосховищ значно менших об’ємів.

Перекид стоку з інших басейнів здійснюється для покриття дефіциту водних ресурсів в райони де зростає потреба у воді. Ця форма регулювання стоку отримує все більше розповсюдження, особливо при реалізації перспективних водогосподарських планів. Транспортування води із одного басейну в інший вирішується за допомогою каналів і тунелів в поєднанні з різноманітними гідротехнічними спорудами.

Акумулювання місцевого стоку частіше всього проводиться в зонах нестійкого і недостатнього зволоження для використання поверхневого стоку з порівняно невеликих водозборів в період весняного снігорозтавання і літньо-осінніх дощів. Для цього будуються невисокі греблі і дамби, або влаштовуються низькі земляні вали, які утворюють так звані лимани. Як правило, об’єм зібраної води витрачається на протязі одного сезону для зрошення невеликих ділянок, а також для риборозведення. Інколи до цієї форми заходів відносять і снігозатримання.

Зміну морфометричних елементів річок часто називають регулюванням річок. Вона проводиться частіше всього в інтересах судноплавства для забезпечення необхідних розмірів поперечного перерізу і радіусів закруглення річкових русел. Інколи це необхідне при будівництві осушувальних систем і виконанні інших гідротехнічних робіт.

Регулювання річок виконується різними шляхами. У випадку недостатніх глибин виконують заглиблення і розчистку дна річки. При значній кривизні русла його випрямляють. Для створення стійкої і правильної форми поперечного перерізу потоку будують різні споруди у вигляді струмененапрямних і водостискаючих дамб. Ці роботи досить часто приходиться доповнювати кріпленням берегів в місцях з великими швидкостями руху води. На ділянках з недостатньою пропускною здатністю русла проводять так зване розвантаження його, для чого вздовж річки прокладають спеціальні канали.

Проведення перерахованих заходів з регулювання річок завжди приводить до зміни їх режиму, що відповідає інтересам водокористувачів: збільшуються або зменшуються рівні, витрата і швидкість течії, спостерігається відкладення наносів на різних ділянках.

Непряме регулювання водних ресурсів пов’язане зі зміною кліматичних, геологічних, гідрологічних, гідрогеологічних і ґрунтових умов місцевості. Великого значення набувають види і стан рослинності. Регулювання водних ресурсів в межах річкового басейну, або його частини, не повинне викликати погіршання природних умов і, в першу чергу, гідрологічного режиму водотоку.

З найкращої сторони, з точки зору регулювання річкового току, зарекомендував себе вид регулювання водосховищем.

3. Регулювання стоку водосховищем

Можливість регулювання стоку водосховищем залежить від співвідношення корисного об’єму WКОР, об’єму середньобагаторічного стоку WСР і від нерівномірності розподілу природного стоку в часі. Відношення WКОР/ WСР=b називається коефіцієнтом ємності водосховища.

Регулювання стоку опирається на хронологічні ряди природного стоку. Число років, які беруться в проектах у відношенні до всього ряду, на протязі якого водовіддача задовольняється, називають забезпеченістю водоспоживання. При виборі параметрів водогосподарського об’єкта назначають розрахункову забезпеченість РРОЗР за якої водовіддача (потужність, енергія) гарантується визначеним процентом.

При любому регулюванні споживачі води в деякі періоди працюють з витратою, що більша від притоку, а в інші – витрачають води менше ніж приток. В першому випадку відбувається спрацювання водосховища, а в другому – його наповнення. Відрізок часу від початку якого-небудь одного періоду спрацювання водосховища (до НПР) до початку наступного, після чергового його повного заповнення, називають циклом регулювання. Тривалість циклу визначає різновид регулювання, у відповідності з чим, розрізняють короткострокове (добове і тижневе) і тривале (річне і багаторічне) регулювання.

Водосховища добового і тижневого регулювання річкового стоку, як правило, створюють при ГЕС. Річне і багаторічне здійснюють при комплексному багатоцільовому використанні річкового стоку.

Добове регулювання забезпечує можливість нерівномірного споживання води гідроелектростанцією відповідно зміні навантаження на протязі доби при практично постійному притоці води у водосховище.

Рівень води у водосховищі здійснює повний цикл коливання за добу, повертаючись до вихідного положення. Для здійснення добового регулювання необхідний об’єм водосховища рівний 20...40 % від об’єму добового стоку маловодного року розрахункової забезпеченості, тобто b = 0,2...0,4.

Тижневе регулювання полягає в забезпеченості нерівномірного споживання води гідростанцією на протязі тижня у відповідності з тижневим коливанням навантаження енергетичної системи. В неробочі дні тижня, коли споживання енергії зменшується, навантаження на ГЕС доцільно понижувати. В цьому випадку, за неробочий день, відбувається накопичення води у водосховищі і отриманий запас може витрачатись на протязі робочих днів тижня із додатковим збільшенням навантаження до природного стоку річки. Тривалість повного циклу коливання рівня складає один тиждень. Об’єм водосховища складає 30...50 % об’єму добового стоку маловодного року розрахункової забезпеченості, тобто b = 0,3...0,5.

Річне регулювання являє собою перерозподіл стоку на протязі року за рахунок накопичення надлишків води в багатоводні періоди року (повінь) і використання в маловодні періоди. Тривалість циклу коливання рівня води у водосховищі річного регулювання складає один рік. Об’єм водосховища такого регулювання складає 10...30 % середньо багаторічного об’єму стоку річки, тобто b = 0,1...0,3.

Багаторічне регулювання служить для збільшення витрати води у маловодні роки за рахунок стоку багатоводних. При багаторічному регулюванні водосховище наповнюється надлишковим стоком одного чи декількох багатоводних років. Рівень води у водосховищі в кінці маловодного року буде завжди нижчим, чим на його початку. Повний цикл коливання рівня має тривалість в декілька років. Рахується, що об’єм водосховища для здійснення багаторічного регулювання повинен складати не менше 30...50 % середнього за багаторічний період об’єму річного стоку річки, тобто b = 0,3...0,5.

Кожний вид регулювання може буди повним або неповним, в залежності від об’єму, який знаходиться у водосховищі для здійснення багаторічного регулювання.

Якщо у водосховищі можна затримати весь стік повені і забезпечити постійну витрату води на протязі року, то таке регулювання буде повним річним. Якщо ж об’єм водосховищ недостатній для затримання всього стоку повені, то в маловодний період року вдається підвищити витрату тільки самих маловодних місяців, а в решту часу використовується природна витрата річки. В цьому випадку здійснюється неповне річне (сезонне) регулювання.

Водосховище може одночасно виконувати декілька видів регулювання, якщо це дозволяє його об’єм і місце розташування. Так, водосховище річного регулювання може за своїм об’ємом виконувати добове і тижневе регулювання. Водосховище багаторічного регулювання дозволяє виконувати і річне вирівнювання стоку.

Основне рівняння регулювання стоку можна написати, виходячи із рівняння нерозривності потоку, в такому вигляді

Q = QПРИТ – F(dzВБ/dt),

де Q – витрата води споживачем; QПРИТ – приток води; F - площа дзеркала водосховища; zВБ - рівень води у верхньому б’єфі; t - час;

F(dzВБ/dt) – витрата води, що забирається із водосховища.

4. Спеціальні види регулювання стоку

Один із видів регулювання – компенсуючи, яке здійснює водосховище, розташоване окремо від ГЕС вище за течією річки, в основному її руслі, або на одній із її притоків. Якщо між водосховищем і ГЕС річки приймає проміжні притоки, то їх витрата є незарегульованою. Тому із верхового водосховища повинні здійснюватись попуски в річку тільки в об’ємі, необхідному для компенсації дефіциту витрати проміжних притоків. Якщо ж ці притоки дають достатню витрату для ГЕС, то із верхового водосховища воду в річку не скидають.

Якщо регулювання здійснюють водосховищем, віддаленим від ГЕС, і воно знаходиться вверху річки, то важко точно врахувати час добігу руслом води, що подається з цього водосховища і необхідну витрату цієї води. В цьому випадку біля ГЕС створюється невелике буферне водосховище, яке служить для вирівнювання різного роду неточностей подачі води. Таке регулювання називають буферним.

Велика ємність водосховища може використовуватись для зменшення максимальних скидних витрат в період повеней. В цьому випадку перед приходом повені водосховище повинне мати деякий вільний об’єм і воно здійснює спеціальне регулювання, яке називається трансформацією повеней. Таке регулювання дозволяє зменшити розлив річки і затоплення пойми у нижньому б’єфі, а також зменшити вартість водоскидних споруд.

Каскадне регулювання здійснюють, як правило, при комплексному використанні водних ресурсів. Мета каскадного регулювання – забезпечення оптимального режиму спрацювання і наповнення водосховищ каскаду за заданим критерієм економічної ефективності.

З однієї сторони, найбільшу цінність в такому каскаді мають водосховища верхніх щаблів, оскільки зарегульована ними витрата використовується на всіх нижче лежачих установках каскаду. З іншої сторони, водосховища верхніх щаблів можуть регулювати стік тільки вище розташованої порівняно невеликої частини водозбору. Весь стік нижче лежачої частини може зарегульовуватись тільки нижче розташованими водосховищами. Розрахунок регулювання для каскаду ГЕС розпочинають з розрахунку і проектування верхнього водосховища.

Література

1. Комплексное использование и охрана водных ресурсов / Под.ред. О.Л.Юшманова/ -М.: Агропромиздат, 1985.

2. Зарубаев Н.В. Комплексное использование водных ресурсов. – Л.Стройиздат, 1976.

3. Грищенко Ю.М. Комплексне використання та охорона водних ресурсів. Рівне, 1997.

4. Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов/ Под. ред. Непорожнего П.С./ -М.: Энергоиздат, 1982.