4. Складання водогосподарського балансу

Водогосподарський баланс (ВГБ) – це результат співставлення наявних в басейні чи на даній території водних ресурсів з їх використанням на різних рівнях розвитку народного господарства. Як правило ВГБ входить в схеми комплексного використання водних ресурсів.

ВГБ дає можливість оцінити необхідність у воді промисловості, тепло- і гідроенергетики, зрошення і обводнення сільськогосподарських земель, рибного і комунального господарства і т.д. На підставі співставлення і аналізу ВГБ намічають заходи, які необхідні для забезпечення окремих регіонів водою.

ВГБ складають окремо для поверхневих і підземних вод. Водогосподарський баланс складають по водогосподарських районах або ділянках послідовно вздовж водотоків або по річкових басейнах в цілому.

Водогосподарський баланс річкових вод для кожної ділянки і за потрібний період представляють у вигляді

(4.1)

де R_B – стік, що надходить з інших територій; R – стік, який формується на даній ділянці; - безповоротне споживання річкової води на ділянці; T – потрібний транзитний стік (пропуск) в замикаючому створі; V – об’єм наповнення (–) чи спрацювання (+) водосховищ, що розташовані на ділянці.

Вправа 4.1. Розрахунок прибуткової частини водогосподарського балансу

Дано:1.Середня багаторічна витрата води на р. Вовча біля смт Васильківка =9,28 м³/с;

2. Коефіцієнти варіації і асиметрії річного стоку =0,69 та =1,28;

3. Типова схема розподілу річного стоку річок України за сезонами місяця і в характерні по водності роки (додаток 6, 7).

Необхідно: Визначити прибуткову частину водогосподарського балансу (ВГБ) для року розрахункової забезпеченості по водності 50, 75, 95%.

Рішення

Розрахунок прибуткової частини водогосподарського балансу виконують в такій послідовності.

1. Знаючи середню багаторічну витрату води , знаходять витрати води для різних за водністю років: середнього року (Р=50%), маловодного року (Р=75%) і дуже маловодного року (Р=95%), використовуючи формули:

, (4.2)

де – модульний коефіцієнт р-тої забезпеченості, який визначають за допомогою таблиць ординат кривих трьохпараметричного гамма-розподілу по і .

В даному прикладі за значеннями =0,69, =2 із вказаних таблиць знаходимо =0,85; =0,50; =0,19. Отже, м³/с; м³/с; м³/с.

2. Використовуючи типову схему розподілу стоку річок України, знаходять відносне розподілення стоку у відсотках по місяцях для різних за водністю років. Витрату води в будь-якому місяці для років різної забезпеченості визначають за формулою

, (4.3)

де - відносне розподілення стоку в заданий місяць для різних за водністю років, %; - середньорічна витрата заданої забезпеченості (50, 75, 95%), м³/с.

Об’єм стоку за місяць визначають за формулою

, (4.4)

де Т – тривалість місяця в секундах (Т=2,5910⁶ с).

Розрахунок виконують в табличній формі (табл. 4.1).

Таблиця 4.1

Розподіл річкового стоку р. Вовча, смт Васильківка по місяцях в характерні за водністю роки (Р=50% - середній, Р=75% - маловодний, Р=95% - дуже маловодний)

Відносне розподілення, витрата, об’єм	Місяць
	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
Р=50%
, %	6,7	5,5	8,8	34,5	15,9	5,5	5,3	3,1	2,2	2,8	4,2	5,5
, м³/с	6,33	5,2	8,32	32,6	15,0	5,2	5,01	2,93	2,08	2,65	3,9	5,2
, млн. м³	16,7	13,7	21,9	85,8	39,5	13,7	13,2	7,71	5,47	6,9	1,4	13,0
Р=75%
, %	6,4	7,1	10,5	27,9	20,5	6,2	4,3	2,7	2,4	2,9	3,9	6,1
, м³/с	3,56	3,95	5,85	15,5	11,4	3,45	2,39	1,5	1,34	1,61	2,17	3,4
, млн. м³	9,37	10,4	15,4	40,8	30,0	9,08	6,3	3,95	3,51	4,24	5,71	8,93
Р=95%
, %	6,1	6,3	11,1	31,2	17,9	5,1	3,8	2,6	3,0	2,8	3,9	6,2
, м³/с	1,29	1,33	2,34	6,59	3,78	10,8	0,8	0,55	0,63	0,59	0,82	1,3
, млн. м³	3,38	3,5	6,16	17,3	9,94	2,83	2,11	1,44	1,66	1,55	2,16	3,44

Вправа 4.2. Розрахунок водогосподарського балансу

Дано:1. Розподіл річного стоку р. Вовча смт Васильківка по місяцях в характерні за водністю роки (50, 75, 95%), млн. м³ (табл.4.1).

2. Місячне споживання води за галузями народного господарства, млн. м³ (див. табл. 3.2,3.4, 3.7, 3.11, 3.18).

3. Місячні об’єми водовідведення за галузями, млн. м³ (див. табл. 3.5, 3.7, 3.12, 3.20).

Необхідно:1. Визначити місячні об’єми безповоротного споживання води.

2. Скласти водогосподарський баланс для характерних за водністю років (50, 75, 95 %).

Рішення

1. Частина води, яка забирається із річки безповоротно витрачається на створення промислової і сільськогосподарської продукції, або на випаровування. Місячний об’єм безповоротного водоспоживання визначають за формулою

, (4.5)

де – місячний об’єм водоспоживання; – місячний об’єм водовідведення.

Величину місячного об’єму водоспоживання для басейну річки обчислюють додаванням відповідних об’ємів по галузях, тобто по водоспоживачах. Місячні об’єми водоспоживання зводять в табл. 4.2.

Таблиця 4.2

Місячні об’єми водоспоживання по галузях народного господарства

(р. Вовча, смт Васильківка), млн. м³

Місяць	Комунально-побутове господарство	Сільськогосподарське водопостачання	Промисловість та енергетика	Зрошення	Рибне господарство	Об’єм водоспоживання для басейну
01	1,41	1,02	0,40	-	0,013	2,84
02	1,41	1,02	0,40	-	0,013	2,84
03	1,41	1,02	0,40	-	0,013	2,84
04	1,75	3,25	0,50	-	0,053	5,55
05	1,75	3,25	0,50	1,90	0,11	7,51
06	1,75	3,25	0,50	3,29	2,79	11,58
07	1,75	3,25	0,50	9,69	0,13	15,32
08	1,75	3,25	0,50	7,09	0,13	12,72
09	1,75	3,25	0,50	0,78	0,72	7,00
10	1,41	1,02	0,40	-	0,045	2,88
11	1,41	1,02	0,40	-	0,013	2,84
12	1,41	1,02	0,40	-	0,013	2,84
Всього	18,96	25,74	5,40	22,75	4,04	76,89

Значення місячних об’ємів водовідведення для басейну річки визначають додаванням відповідних значень по водоспоживачах. Розрахунок ведуть в табличній формі (табл. 4.3) з використанням даних по водовідведенню.

Таблиця 4.3

Місячні об’єми водовідведення по основних водоспоживачах

(р. Вовча, смт Васильківка), млн. м³

Місяць	Комунально-побутове господарство і сільськогосподарське водопостачання	Промисловість та енергетика	Зрошення	Рибне господарство	Об’єм водовідведення для басейну
01	1,92	0,34	-	-	2,26
02	1,92	0,34	-	-	2,26
03	1,92	0,34	-	-	2,26
04	3,77	0,37	-	0,57	4,71
05	3,77	0,37	0,21	-	4,35
06	3,77	0,37	0,36	0,08	4,58
07	3,77	0,37	1,05	-	5,19
08	3,77	0,37	0,77	-	4,91
09	3,77	0,37	0,08	-	4,22
10	1,92	0,34	-	2,87	5,13
11	1,92	0,34	-	-	2,26
12	1,92	0,34	-	-	2,26
Всього	33,88	4,26	2,47	3,52	44,13

Місячні об’єми безповоротного водоспоживання для басейну річки представляють собою різницю місячних об’ємів водоспоживання і об’ємів водовідведення. Розрахунок ведуть в табл. 4.4.

Таблиця 4.4

Місячні об’єми безповоротного водоспоживання для басейну

р. Вовча біля смт Васильківка, млн. м³

Місяць												Рік
01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
0,58	0,58	0,58	0,84	3,16	7,00	9,42	7,81	2,78	-2,25	0,58	0,58	32,73

Примітка: В жовтні величину безповоротного водоспоживання приймаємо від’ємною за рахунок опорожнення рибогосподарських ставків.

2. Водогосподарський баланс складається з двох частин – прибуткової та витратної. Місячні об’єми стоку в замикаючому створі басейну річки для різних за водністю років (50, 75, 95 %-ї забезпеченості) складають прибуткову частину ВГБ. Місячні об’єми безповоротного водоспоживання складають витратну частину ВГБ.

Складові водогосподарського балансу порівнюють в такому рівнянні

, (4.6)

де – неув’язка водогосподарського балансу, млн. м³; – місячні об’єми стоку (50, 75, 95% забезпеченості), млн. м³; - місячні об’єми безповоротного водоспоживання, млн. м³.

Співставлення прибуткової та витратної частини ВГБ проводять в табл. 4.5.

Таблиця 4.5

Водогосподарський баланс р. Вовча біля смт Васильківка, млн. м³

Місяць	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12	Рік
Середній за водністю рік Р=50%
	16,7	13,7	21,9	85,8	39,5	13,7	13,2	7,71	5,47	6,96	10,4	13,7	248,5
	0,58	0,58	0,58	0,84	3,16	7,00	9,42	7,81	2,78	-2,25	0,58	0,58	32,73
	16,12	13,12	21,32	84,96	32,34	6,70	3,78	-0,10	2,69	9,21	9,82	13,12	215,77
Маловодний рік Р=75%
	9,37	10,4	15,4	40,8	30,0	9,08	6,30	3,95	3,51	4,24	5,71	8,93	146,3
	0,58	0,58	0,58	0,84	3,16	7,00	9,42	7,81	2,78	-2,25	0,58	0,58	32,73
	8,79	9,82	14,82	39,96	26,84	2,08	-3,12	-3,86	0,73	6,49	5,13	8,35	113,57
Дуже маловодний рік Р=95%
	3,38	3,50	6,16	17,3	9,94	2,83	2,11	1,44	1,66	1,55	2,16	3,44	55,5
	0,58	0,58	0,58	0,84	3,16	7,00	9,42	7,81	2,78	-2,25	0,58	0,58	32,73
	2,80	2,92	5,58	16,46	6,78	-4,17	-7,31	-6,37	-1,12	3,80	1,58	2,86	22,77

При співставленні ВГБ можливі різні співвідношення між його витратною та прибутковою частинами, а саме:

• водні ресурси достатні та їх розподіл за часом забезпечує покриття графіків водоспоживання, тобто за всі періоди (місяць та рік) буде більше нуля;

• якщо <0 за рік або хоча б за один період часу (місяць), відмічають дефіцит водних ресурсів, а абсолютні значення балансу характеризують величину цього дефіциту.

В даному прикладі ВГБ за рік в цілому бездефіцитні для різних за водністю років, тобто =+217,77 млн. м³; =+113,57 млн. м³; =+22,77 млн. м³.

Однак в окремі місяці спостерігаються від’ємні значення балансу, що свідчить про дефіцити водних ресурсів. В середні за водність рік (Р=50 %) відмічають дефіцит в серпні (0,1 млн. м³), в маловодний рік (Р=75%) – два дефіцитних місяця (липень та серпень – 6,98 млн. м³), а в дуже маловодний рік (Р=95%) – чотири місяці (червень, липень, серпень, вересень – 18,97 млн. м³).

Вправа 4.3. Ув’язка водогосподарського балансу

Дано: 1. Місячні об’єми водоспоживання та водовідведення за галузями народного господарства та в басейні р. Вовча біля смт. Васильківка.

2. Місячні об’єми безповоротного водоспоживання для цього басейну.

Необхідно: Ув’язати водогосподарський баланс басейну р. Вовча біля смт. Васильківка за місячні періоди та за рік за рахунок:

• регулювання стоку;

• повторного використання стічних вод, після очистки, на землеробських полях зрошення;

• збільшення коефіцієнта корисної дії (ККД) зрошувальної системи;

• обмеження водопостачання окремих учасників водогосподарського комплексу.

Розрахунок

1. При загальному річному додатному водогосподарському балансі та від’ємних значеннях балансу за окремі місяці можна здійснювати ув’язку за рахунок проведення сезонного регулювання стоку. При аналізі такого ВГБ необхідно визначити корисний об’єм регулювання .

В наведеному прикладі в кожному із розглянутих років можна виділити випадок, коли річний баланс додатній але в межень є дефіцит водних ресурсів. Тому необхідно створити водосховища сезонного регулювання. Загальний корисний об’єм яких складе:

• для середнього року =0,1 млн. м³;

• для маловодного року =6,98 млн. м³;

• для дуже маловодного року =18,97 млн. м³.

Якщо річний баланс додатній в роки 50, 75% забезпеченості, а в посушливий рік (95%) спостерігається дефіцит води. Тут необхідне проектування водосховищ багаторічного регулювання. Багаторічна складова корисного об’єму регулювання при цьому буде дорівнювати нев’язкі за рік.

Якщо річний баланс додатній тільки для середнього року 50 %-ї, а для років 75, 95 %-ї забезпеченості – від’ємний. В цьому випадку необхідне багаторічне регулювання, або перекидання стоку із сусідніх басейнів.

2. Скоротити споживання води можна також за рахунок повторного використання стічних вод.

Економія води за рахунок введення повторної системи водопостачання в комунально-побутовому господарстві полягає у відводі стічних вод після очистки на землеробські поля зрошення (цілорічно чи тільки у вегетаційний період). За рахунок цього досягають скорочення об’єму води, необхідного для зрошення (так як частина площ зрошується за рахунок водовідведення комунально-побутового господарства).

Розрахунок проводять за такою схемою: об’єми води безповоротного водоспоживання за місячні періоди в поливний період зменшують на величину водовідведення комунально-побутового господарства.

В даному прикладі, поливний період триває з травня по вересень включно, тому відповідні місячні об’єми води безповоротного водоспоживання зменшують на об’єми водовідведення комунально-побутового господарства. Так, водовідведення в комунально-побутовому господарстві міських районів за літній період складає 1,43 млн. м³, а сільських – 2,00 млн. м³ (див. табл. 3.5). В зв’язку з цим за поливний період можна зменшити безповоротне споживання води на 3,43 млн. м³ кожен місяць, але в травні, червні і вересні споживання води на зрошення менше зазначеної величини (див. табл. 3.11), тому безповоротне водоспоживання в ці місяці можна зменшити тільки на величину водоспоживання в зрошенні. Розрахунок виконують в табл. 4.6.

Таблиця 4.6

Ув’язка річного ВГБ р. Вовча біля смт Васильківка за рахунок повторної системи

водопостачання в комунально-побутовому господарстві, млн. м³

		Місяць																							Рік
		01		02		03		04		05		06		07		08		09		10		11		12
Середній за водністю рік Р=50%
	16,7		13,7		21,9		85,8		39,5		13,7		13,2		7,71		5,47		6,96		10,4		13,7		248,5
	0,58		0,58		0,58		0,84		1,26		3,71		5,99		4,38		2,00		-2,25		0,58		0,58		18,83
	16,12		13,12		21,32		84,96		38,24		9,99		7,21		3,33		3,47		9,21		9,82		13,12		229,67
Маловодний рік Р=75%
		9,37		10,4		15,4		40,8		30,0		9,08		6,30		3,95		3,51		4,24		5,71		8,93	146,3
		0,58		0,58		0,58		0,84		1,26		3,71		5,99		4,38		2,00		-2,25		0,58		0,58	18,83
		8,79		9,82		14,82		39,96		28,74		5,37		0,31		-0,43		1,51		6,49		5,13		3,35	127,47
Дуже маловодний рік Р=95%
		3,38		3,50		6,16		17,3		9,94		2,83		2,11		1,44		1,66		1,55		2,16		3,44	55,3
		0,58		0,58		0,58		0,84		1,26		3,71		5,99		4,38		2,00		-2,25		0,58		0,58	18,83
		2,80		2,92		5,58		16,46		8,68		-0,88		-3,88		-2,94		-0,34		3,80		1,58		2,86	36,47

Результати ув’язки показують, що із впровадженням повторної системи водопостачання в комунально-побутове господарство, безповоротне водоспоживання зменшилось із 32,73 млн. м³ до 18,83 млн. м³, отже баланс за рік водних ресурсів для середнього за водністю року збільшився з 215,77 млн. м³ до 229,67 млн. м³, маловодного – з 113,57 до 127,47 та дуже маловодного року – з 22,77 до 36,47 млн. м³ (див. табл. 4.5). В той же час дефіцит водних ресурсів в середній за водністю за рік ліквідовано, в маловодний рік дефіцит зменшився з 6,98 млн. м³ до 0,43 млн. м³, у дуже маловодний – з 18,97 млн. м³ до 8,04 млн. м³.

Крім того зменшити споживання води за рахунок економії води в тваринництві за рахунок застосування повторної системи водопостачання, яка полягає у відводі стічних вод (водовідведення) на прифермські поля зрошення. За рахунок цього досягають скорочення об’єму води, необхідного для зрошення. Розрахунок проводять за такою схемою: місячні об’єми води безповоротного водоспоживання в поливний період зменшують на величину водовідведення тваринництва. Водовідведення в тваринництві складає 0,24 млн. м³ (див. табл. 3,5), на цю величину можна зменшити безповоротне водоспоживання тільки за липень і серпень, так як за інші місяці резерв водоспоживання на зрошення вже вичерпано. Розрахунок виконують в табл. 4.7.

Таблиця 4.7

Ув’язка річного ВГБ р. Вовча біля п. Васильківка за рахунок впровадження

повторної системи водопостачання в тваринництві

	Місяць												Рік
	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
Маловодний рік Р=75%
	9,37	10,4	15,4	40,8	30,0	9,08	6,30	3,95	3,51	4,24	5,71	8,93	146,3
	0,58	0,58	0,58	0,84	1,26	3,71	5,75	4,14	2,00	-2,25	0,58	0,58	18,35
	8,79	9,82	14,82	39,96	28,74	5,37	0,55	-0,19	1,51	6,49	5,13	8,35	127,95
Дуже маловодний рік Р=75%
	3,38	3,50	6,16	17,3	9,94	2,83	2,11	1,44	1,66	1,55	2,16	3,44	55,3
	0,58	0,58	0,58	0,84	1,26	3,71	5,75	4,14	2,00	-2,25	0,58	0,58	18,35
	2,80	2,92	5,58	16,46	8,68	-0,88	-3,64	-2,70	-0,34	3,80	1,58	2,86	21,2

Після впровадження повторної системи водопостачання в тваринництві дефіцит водних ресурсів зменшився в маловодний рік з 0,43 млн. м³ до 0,19 млн. м³, а дуже маловодний – з 8,04 млн. м³ до 7,56 млн. м³. Однак повністю ліквідувати дефіцит водних ресурсів не вдалось.

3. Економія води за рахунок збільшення коефіцієнта корисної дії зрошувальних систем зі значенням до значення дозволяє зменшити споживання води в поливний період на величину

, (4.7)

де - місячний об’єм споживання води у зрошенні, млн. м³; - ККД зрошувальної системи до його збільшення (в даному прикладі ККД=0,85); - ККД зрошувальної системи після його збільшення ( в даному прикладі =0,95). Розрахунок проводять за такою схемою: місячні об’єми , та в зрошувальний період (в даному випадку травень-серпень включно) зменшуються на величину . Розрахунок приведений в табл. 4.8.

Таблиця 4.8

Ув’язка річного ВГБ р. Вовча біля п. Васильківка

за рахунок збільшення ККД зрошувальних систем

	Місяць												Рік
	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
					0,24	0,41	1,20	0,88	0,10				2,83
	16,12	13,12	21,32	84,96	32,58	7,11	4,98	0,78	2,79	9,21	9,82	13,12	218,6
	8,79	9,82	14,82	39,96	27,08	2,49	-1,92	-2,98	0,83	6,49	5,13	8,35	116,4
	2,80	2,92	5,58	16,46	7,02	-3,76	-6,11	-5,49	-1,02	3,80	1,58	2,86	25,6

Аналіз отриманих даних по підвищенню ККД зрошувальних систем показав, що дефіцит водних ресурсів зменшився на величину , тобто на 2,83 млн. м³. В середній за водністю рік дефіцит водних ресурсів повністю ліквідовано, в маловодний рік дефіцит складає 4,9 млн. м³, а дуже маловодний – 16,38 млн. м³.

4. Всі перелічені вище заходи з економії споживання води потребують необхідних затрат: грошових, матеріальних, трудових, енергетичних та інших. Тому вибір найбільш раціональних методів ув’язки ВГБ необхідно проводити із врахуванням цих затрат. Якщо їх реалізувати не вдається, або вони не можуть повністю ліквідувати дефіцит водних ресурсів тоді необхідно провести обмеження водоспоживання, яке веде до зменшення забору води.

При виборі об’ємів недоподачі окремому водоспоживачу використовують метод ранжирування. Чим нижче ранг водоспоживача, тим більший об’єм води йому можна недодати. Тому при ранжируванні виходять із таких міркувань. Із числа водоспоживачів виділяють приоритетні споживачі води, тобто обмеження у водоспоживанні яких не допускаються. Як правило, це комунально-побутове водопостачання, теплоенергетика. Потім відбирають провідних водоспоживачів (вибір їх залежить від економічного району, наприклад, Донбас – промисловість). Ті, що залишилися після такого відбору водоспоживачів можна обмежити в необхідних для ув’язки балансу об’ємах води.

В даному прикладі розглянемо обмеження зрошення у воді.

При обмеженні води на зрошення, зниження об’єму продукції може бути або за рахунок зменшення площ зрошуваних земель (при заданому режимі зрошення), або за рахунок зменшення зрошувальної норми при початкових площах зрошуваних земель. Застосування другого способу краще тому, що зниження зрошувальної норми на 30-50% викликає зменшення урожайності тільки на 10-20%, в той час коли при поливній зрошувальній нормі зниження кількості води, яка подається на поля приводить до такого ж відносного зниження площі зрошуваних земель і, відповідно, загального об’єму продукції.