32

Тема №2

«Оцінка надійності джерела водопостачання»

План:

1. Забезпечення режимів стоку поверхневих джерел

2.Прогнозування змінюваності гідрогеологічних показників підземних джерел водопостачання

3.Вибір і оцінка надійності джерела водопостачання

1. Забезпечення режимів стоку поверхневих джерел

За кількістю поверхневих вод Україна належить до малозабезпечених країн.

У маловодні роки на її території формується лише 29,7 км³ води, що в середньому становить 49,2 тис.м³ річкового стоку на 1км² площі водозбору.

Водозабезпечення України залежить від сезонно­го й територіального розподілу стоку за рахунок 1,1 тисячі водосховищ (загальним об'ємом 55,1км³), більше 27 тисяч ставків, 7 великих каналів (загальною довжиною 2000 км), 10 великих групових водоводів, якими вода подається в мало­водні райони.

Під відмовою джерела водопостачання слід розуміти настання такого його стану, у якому він не спроможний забезпечити отримання з нього води:

• взагалі ;

• в необхідній кількості ;

• необхідної якості.

Це може відбуватися в результаті:

• неприпустимого зниження його витрат (дебіту,стоку) джерела;

• підвищення або зниження рівня води в джерелі, яке непередбачене режимом його використання;

• різке погіршення якості води джерела.

Якість і кількість води поверхневих джерел значно залежать від таких факторів :

• кількості та інтенсивності атмосферних опадів;

• швидкості та інтенсивності танення снігів або скрисання криги;

• забруднення поверхні землі берегів чи дна.

Крім цього, кожен тип поверхневих джерел має свою характеристику, яка підлягає вивченню, моніторингу і врахування при проектуванні і спорудженні водозабірних споруд водопостачання,що повинна включати:

територіальні; кліматичні; метео­рологічні; топографічні;

геологічні; гідрографічні; гідрогеоло­гічні; біологічні

та інші фактори, а також дані про:

• якість води в водному джерелі;

• її санітарний стан.

Для пра­вильного розв'язання задачі з вибору розташування, типу й конструкції водозабору необхідно детально вивчити ці факто­ри, звернувши особливу увагу на притаманні тільки цьому джерелу особливості.

Ріка, яка впадає в море або океан, називається головною рікою, а ріки, що безпосередньо впадають у неї— притоками.

Під час руху води водотокою формується доли­на і русло в поперечному і поздовжньому напрямах (рис.1).

У верхів'ї ріки вода має най­більшу розмивну силу.

У середній частині ріка має спокійнішу течію, але до­сить сильну для перенесен­ня розмитих у верхів'ї грунтів.

У пониззі спостерігаються малі швидкості, тому на цій ділянці, звичай­но, буває більш-менш інтен­сивне відкладання наносів.

Рис. 1. Схема річкової долини

Виникнення меандр навіть на прямолінійній ділянці ріки пояс­нюється, з одного боку, наявністю нестійких, що легко розмиваються під впливом течії, берегів, а із іншого, — неусталеним характером річ­кового потоку, внаслідок чого виникає поперечна циркуляція в ріці.

Крім того, на закругленнях ріки виникають відцентрові сили, які спря­мовані в бік угнутого берега й відповідно підвищують рівень води біля нього.

На потік діє також обертання Землі (прискорення Коріоліса), у результаті чого й починається розмивання одного з берегів ріки.

У місцях найбільшої кривизни ріки в плані ерозійна активність потоку підвищується, внаслідок чого з'являються відносно довгі поздовжні заглибини — плеса.

На виході із згину, де ерозійна актив­ність зменшується, вимитий грунт скупчується у вигляді поздовжніх кіс — боковиків, утворюючи мілководну відносно коротку прямолі­нійну ділянку — перекат, який створює звичайно труднощі для водозабирання (рис.2).

Рис.2. Типові форми русла на завороті: а— поздовжній розріз по фарватеру; б — план:

1 — верхня плесова улоговина; 2 — нижня плесова улого­вина; 3 — верхній боковик; 4 — нижній боковик; 5 — гребінь перекату (сідловина); 6 — корито (гли­бока частина сідловини); 7 — підвалля (обернутий донизу скат меженний рівень ріки; 9 — високий рівень ріки; 10 —затонина гребеня); 8 — низький рівень води .

Ріки, залежно від уклону дна русла і, умовно поділяють на такі їхні ді­лянки:

• високогірні при і > 0,1;

• гірські при 0,01 < і <0,1;

• передгірні при 0,001 < і < 0,01;

• рівнинні при 0,0001 < і < 0,001;

• пригирлові при і < 0,0001.

Басейном ріки, або водозбірною площею, називається обмежена во­додільною лінією площа, стік з якої надходить у головну ріку та її притоки.

Кожна ріка має поверхневий і підземний водозбори, межі яких часто не збігаються.

У природному (незарегульованому) стані ріки в ос­новному оцінюють за гідрологічними даними, такими як:

• жив­лення,

• стік;

• витрати;

• швидкість;

• рівень води;

• льодовий ре­жим;

• твердий стік,

• стійкість русла;

• біологічні факто­ри.

Вирішальний вплив на особливості режиму живлення річок мають кліматич­ні та гідрогеологічні фактори.

Для більшості річок основними джерелами живлення є поверхневі води:

• дощові,

• снігові,

• льодовикові

• змішані.

ПРИМІТКА: Підземними водами ріки живляться мен­ше.

Підземне живлення річок буває як із глибинних водонос­них пластів, так і з неглибоко розташованих та алювіальних відкладень річкових долин.

Залежно від джерела живлення, водний режим буває з весняною повінню (характерний для річок зі сніговим живлен­ням), з повінню в теплий період року — для річок, що живлять­ся за рахунок дощів, скресання снігів і льодовиків високогірних районів.

Для річкової води характерна відносно велика каламутність (особливо в період повеней), високий уміст органічних речовин, бактерій, часто значна кольоровість.

Стік ріки — кількість води, що протікає через переріз ріки за певний проміжок часу (рік, сезон, місяць, декаду чи день)(термінологічний словник до теми №8) і її витрата — інтенсивність стоку в той чи інший момент часу (термінологічний словник до теми №8).

Річковий стік і витрати змі­нюються залежно від часу, а також ділянки річки і виявляються основними гідрологічними її характеристиками, що також є впливовими при оцінці надійності як джерела водопостачання.

Річки характеризуються сезонними коливаннями витрат і рівнів, швидкостей течії води.

Коливання рівнів води в річці пояснюються, головним чином, зміною витрат води.

Так, у літню пору рівні річок знижу­ються, бо витрата води в них різко зменшується. Особливо низький рі­вень буває в період, коли ріка живиться виключно ґрунтовими водами.

Рівні води в ріках, звичайно, підвищуються навесні від інтенсивного танення снігу, а влітку від дощових паводків, а також від танення льо­довиків і високогірних снігів.

Звичайно, стік і ви­трата збільшуються зі збільшенням водозбірної площі, і тому ви­значаються для якого-небудь місця чи перетину створу річки.

Вирішенню питання про можливість використання розглядаємого джерела для заданого об'єкту спочатку передує проведення вишукувань і досліджень, до числа яких входить отримання статистичних даних, що дозволяють визначити надійні рівні забезпеченості, як характеристику стоку річки.

Основними характеристиками річки, що впливають на її надійність як джерела водопостачання слід уважати гідрологічний режим стоку.

Гідрологічний режим річки в природному стані, тобто прогнозування мінливості її витрат і рівнів води в часі, обумовлюється поєднанням:

• характеру чергування і тривалістю періодів різних метеорологічних умов;

• сезоном року;

• змінами температури;

• кількістю атмосферних опадів;

• режимом танення снігів;

• характером водозбірного басейну (площа, рельєф, рослинний покрив, грунти).

Різні значення витрат і рівнів річки можуть розглядатися як випадкові події.

Вірогідність настання різних станів річки, що характеризуються чисельними значеннями витрат і рівнів води, може бути отримана лише на підставі даних тривалих спостережень за фактичним режимом річки.

Такі спостереження виконуються за спеціально розробленими методиками Гідрометричною службою України.

До об'єктів гідрометричних спостережень і вимірювань належать:

• рівень води,

• ухил її поверхні,

• глибина, ширина й площі водних пере­різів,

• швидкість течії,

• витрати води річки й наносів.

Гідрометричні спостереження й вимірювання здійснює Гідрометео­рологічна служба України на гідрометеорологічних станціях і водомір­них постах.

За своїм призначенням водомірні пости поділяються на:

• постійні, що діють тривалий (не менше трьох років) час;

• тимчасові, які облад­нують на нетривалий час (на період розвідувань).

Водним перерізом називається площа поперечного перерізу водо­току, нормально розташована до напряму течії, і обмежена лінією змоченого пери­метра та поверхнею води (Рис.3).

Створ водомірного спостережного пункту, у якому вимірюють швидкості течії за допомогою гідрологічної вертушки, попередньо поділяють через 10…20 м на ряд швидкісних вертикалей (рис.3). Після цього наносять засічки від рівня води у вигляді вертикальних відрізків, кінці яких утворюють криву елементарних витрат.

На кожній із них вимірюють швидкість у трьох або п'яти точках по висоті, після чого визначають середню швидкість v_cp для кожної вертикалі.

Елементарні витрати на вертикалях визначають добутком

_, (4)

де h — глибина води на вертикалі.

Рис.3. Визначення швидкості і витрати води графомеханічним способом: 1 – крива елементарних витрат; 2 – крива середніх швидкостей; 3 — рівень води в річці; 4 —дно річки.

Якщо виділити вертикаль у водному перерізі ріки, то швидкості на цій вертикалі розподіляться так, як показано на рис. 4.

Рис.4. Криві розподілу швид­костей по вертикалі (годографи): а — при вільній поверхні води; б — при льодяному покриві; швид­кості: Vп — на поверхні; V_max — максимальна; — середня; V_д — біля дна.

Як видно з рис.4, при відкритому руслі найбільша швид­кість течії спостерігається трохи нижче поверхні води. Коли є лід, найбільша швидкість зміщується значно нижче, що пояснюється виникненням опору тертя течії потоку об лід.

ПРИМІТКА: Швидкості води в міру наближення до дна зменшуються

При дослідженні досить визначити швидкість у п'яти точках (якщо немає льоду): біля поверхні; на глибинах 0,2Н; 0,6Н; 0,8Н та біля дна (Рис.3).

Середню швидкість на вертикалі можна визначити за формулою

_{. (1)}

. (2)

ПРИМІТКА: Доведено, що v_cp приблизно дорівнює .

Для наближених підрахунків можна прийняти (біля поверхні).

Біля берегів швидкість течії, звичайно, мінімальна, а на середині ріки, у смузі найбільших глибин, — максимальна (Рис.4).

Якщо позначити через Q витрату води, м³/сек, — площу водного перерізу, м^г, v_cp — середню швидкість у водному перерізі, м/сек, можна записати

. (3)

Якщо відкласти по осі абсцис витрати , в м^я/сек, а по осі ординат — відмітки рівнів — Н, що ним відповідають, то матимемо криву витрат води Q=f(H).

Швидкості води і представлені графіком (епюрою) швидкостей або по вертикалі — гідрографом (Рис.5).

Для обчислення повторюваності можливих значень гідрологічних елементів застосовують методи математичної статистики, які дають змогу оцінити ймовірність появи тих чи інших рівнів, витрат та ін.

Забезпеченість визначають побудовою кривих розподілу (повторю­ваності) і кривих тривалості (забезпеченості).(Рис.5)

Спочатку будують криву повторюваності, яка показує, скільки, наприклад, максимальних витрат n₁,n₂,n₃,…..n_m і т.ін. для даної величини повторювалось за пев­ний проміжок часу (20—З0 ро­ків).

Потім на підставі кривої повторюваності будують криву забезпеченості, щоб додаванням величин n₁,n₂,n₃,…..n_m (рис.5) визначити, у скількох випадках витрати перевищують якусь зада­ну величину. Усю кількість ви­трат, тобто ∑n, приймають за 100%, так що крива забезпече­ності дає витрати різної забез­печеності в відсотках.

За допомогою кривої забезпеченості можна визначити витрату будь-якої заданої забезпеченості (Р) у межах даного періоду спостережень, причому чим триваліший період спостережень, тим надійніші резуль­тати забезпеченості.

Р ис.5. Схема побудови кривої забезпече­ності за допомогою кривої повторюва­ності: 1 —крива повторюваності; 2 — крива забезпеченості

Для визначення витрат води при будь-якому рівні ріки будують криві витрат, які являють собою графічну залежність між витратою й рівнем води в річці (Рис.6).

Рис. 6 Графік залежності виду H=f(Qp)

Основною середньобагаторічною характеристикою стоку річок, що застосовується в практиці, є норма стоку.

Вона являє собою середній стік ріки в певному перерізі за багаторічний період (40—50 років) часу.

В усіх випадках норма стоку за період визначається як середньоарифметичне із суми стоку, поділеної на кількість спостережень.

ПРИМІТКА: Для по­значення норми стоку застосовують індекс 0.

Наприклад, Q₀ означає норму стоку, виражену через середньобагаторічну витрату.

Об'єм стоку ,W, який протікає через даний створ ріки за певний період часу (рік, місяць, добу) і виражається в м³ або км³.

Витрата Q — кількість води, яка протікає через даний створ за одну секунду (м³/сек).

Середню витрату ріки за будь-який період мож­на визначити діленням сумарного об'єму стоку за цей період на кіль­кість секунд у ньому.

Модуль стоку М — кількість води, яка стікає за одну секунду з одиниці площі басейну ріки.

У практиці гідрологічних розрахунків модуль стоку виражають у дм³ з 1 км² площі басейну.

У практиці гідрологічних розрахунків застосовують визначення річного стоку різної забезпеченості. Характерними роками,звичайно, вважають:

• багатоводний 3…1% - ої забезпеченості повторюваністю один раз за 33…100 років;

• середній — 50% - на повторюваність один раз за два роки;

• маловодний — 95% -ва повторюваність один раз за 1,05 року (95 раз за 100 років).

Середньорічний стік різної забезпеченості визначають за біноміальною кривою забезпеченості, яку обчислюють за трьома параметра­ми середньою витратою за багаторічний період коефіцієнтом варіа­ції C_v і коефіцієнтом асиметрії ^C_s^.

Коефіцієнт варіації ряду середніх річних витрат води за n років ви­значають за формулою

_, (5)

де К — модульний коефіцієнт.

Значення приймають залежно від ступеню зволоженості географічної зони.

Середній річний модуль поверхневого стоку М_сер. для річкового басейну визначається по матеріалам багаторічних спостережень на гідрометричній мережі, а також водно-балансових розрахунків (методом інтерполяцій між опорними пунктами для яких визначені табличні М_сер.).

В разі відсутності даних спостережень по картам для центра басейна

_, (6)

де _- середні значення стоку між ізолініями, що перетинають водозбір, л/с/км²;

— площі водозбору між ізолініями і вододілом, км².

ПРИМІТКА: Для малих площ водозбору у значення М_сер вноситься поправка (на особливості місцевих умов) .

Середня багаторічна витрата, м³/с, визначається за даними багаторічних спостережень методом інтерполяції між сусідніми опорними гідрографічними пунктами, або за формулою:

, (7)

де _F — площа водозбору, км².

Об'єм середнього багаторічного стоку W_ср., км³, буде дорівнювати

_, (8)

Витрати (стік) річок для різних по водності років), м³/с, Q_p, для років із Р,%, — забезпеченості визначають за формулою:

_, (9)

де К_р% — модульні коефіцієнти для переходу від величини стоку середнього по водності року Q_50%=Q_ср. до величини стоку певної – _Р%-збезпеченості, їхні значення встановлюють у відповідності до таблиці 1.

Таблиця 1