Пример выполнения расчетов в курсовой работе

Обоснование водохозяйственных мероприятий
в бассейне реки Упа

 

ВВЕДЕНИЕ

Объектом исследования является бассейн реки Упа расположенный в Тульской области. Источником водоснабжения являются: река Упа,  с ее притоками и два подземных водоносных горизонта. Вода используется для целей:  коммунально-бытовое хозяйство (к.б.х.),  рекреация и животноводство, которые потребляют воду из подземных водоносных горизонтов; промышленность, орошение,  использующие речную воду.  Водопользователи представлены: водным транспортом и охраной водных ресурсов.  Водный транспорт местного значения использует нижнее и среднее течение реки.
Схема бассейна реки представлена на рис.I.1.

  • АНАЛИЗ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

 

I.1 Климатические условия
Климат объекта исследований умеренно-континентальный, характеризующийся среднемноголетним годовым количеством осадков О= 635мм, суммарным испарения с поверхности суши Ес=550мм, испарения с водной поверхности Ев=650мм, среднегодовой температурой воздуха t=+3.8 °С. В таблице I.1 представлено  внутригодовое распределение осадков, температуры воздуха и испарения.
Таблица I.1
Средне многолетние, месячные значения осадков (О,мм),  испарения с суши (Ес,мм)
и водной поверхности (Ев,мм), температуры воздуха (t, °С).


Фактор

Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

О,мм

64

53

45

36

46

56

66

64

47

47

48

63

635

Ес,мм

3

4

9

57

94

110

110

88

42

21

11

1

550

Ев,мм

-

-

-

20

104

143

137

19

78

38

7

-

650

t, °С

-10.0

-9.6

-4.9

3.8

11.9

15.5

17.6

16.0

10.5

4.2

-2.0

-7.4

3.8

Продолжительность теплого периода Ттепл.=210сут, холодного Тхол.=155сут. Сумма активных температур a (t акт?+5°С)=2085°С. Величина  гидротермического коэффициента составляет  ГТК=1.15.
Таким образом, по условию влагообеспеченности, объект расположен в зоне достаточного увлажнения. В данной зоне требуется проведение оросительных мелиоративных мероприятий, позволяющих поддерживать оптимальные для произрастания растений условия в конкретные периоды засушливых лет.
2
М1:1000000

2
Рис. I.1 Схема бассейна реки Упа.

По условию тепло обеспеченности объект расположен в умеренно-теплой зоне, которая достаточно благоприятна для выращивания зерновых, кормовых, овощных культур и трав.

I.2    Гидрологические условия

I.2.1 Основные гидрологические характеристики

Основным водным объектом является река Упа,  характеризующаяся снеговым типом питания. Площадь водосбора составляет Fб = 8210 км2  и протяженностью Lр = 256 км.  Таким образом, река Упа относится к  категории  средней реки. Гидрологические характеристики водосборной площади реки представлены в таблице I.2.

Норма стока составляет:

                         W = g*F *t = 4.9 * 8210 * 31.54/1000 = 1268 млн.м3                 

На рис.I.2 показан график кривой обеспеченности годового стока воды в реке. В таблице I.3 представлено внутригодовое распределение объемов стока для лет обеспеченностью 75 и 95%.

                                                                                                                                      Табл. I.2

                      Гидрологические характеристики бассейна реки 

 

Створ

L км

F, км2

g, л/с*км2

Qр, м3/с

Iр,

0/00

Iв,

0/00

Cv

Cs

Площадь угодий,%

fоз

fбол

fпаш

1-1

256

8210

4.9

40.2

0.35

4.3

0.26

1.0

<1

0.0

8

70

2
Рис.I.2 Кривая обеспеченности годового стока реки в створе 1-1.

                                                                                                                                 Табл. I.3

               Внутригодовое распределение объемов стока воды в створе 1-1, млн.м3

 

Р,%

Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

95

19

18

149

404

62

32

27

24

22

22

25

25

829

75

27

25

175

505

75

41

35

32

24

30

33

34

1036

          I.2.2 Определение минимально допустимого экологического стока реки

Годовое значение минимально допустимого экологического стока определяется для лет 75 и 95%  обеспеченности упрощенным методом Фащевского. Годовые объемы экологического стока определяются по схеме:
Q95эк =Q99 ,          Q75 эк = Q95 ,      Q50 эк = Q75 .
где Q99 , Q95 , Q75  - соответственно среднегодовые расходы воды в реке для лет 99, 95 и 75%обеспеченности.
Месячные значения   экологических расходов воды определяются с помощью гидрографа стока воды в реке для лет заданной обеспеченности (рис. I.3). В таблице I.4 представлены значения расходов и объемов экологического стока.

Табл. I.4

               Внутригодовое распределение объемов минимально допустимых объемов
экологически допустимого стока воды в створе 1-1, млн.м3


Р,%

Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

95

19

18

77

77

62

32

27

24

22

22

25

25

430

75

27

25

77

77

75

41

35

32

24

30

33

34

510

 

I.2.3 Оценка изменения годового стока реки в результате  антропогенной
         деятельности  на водосборной площади

Величина изменения годового стока определяется для условий:

  • расчетная обеспеченность лет по стоку  95 и 75% ,
  • лесная зона,
  • средняя глубина залегания грунтовых вод на сельскохозяйственных угодьях  (для которых определяется изменение речного стока) составляет Н=5м,
  • почвы супесчаные, уклон водосборной площади в пределах сельскохозяйственных угодий составляет I=4.3 0/00,
  • относительная площадь сельскохозяйственных угодий (распаханность) составляет fn =0.70.

DW=(0.002*Oc*HO.52*((2.5/(H+1)0.45)-0.06))*Kwp*K’w*K”w*fn-
- ((S+x)*(0.0144*I0.54+0.02)/(0.1*I+l)0.56 ) * К ур *K'y*K"y*Kxy *fn, мм         
DW95%=(0.002*635*500O.52*((2.5/(500+1)0.45)-0.06))*0.6*0.93*1.2*0.70-
- ((160+48)*(0.0144*4.30.54+0.02)/(0.1*4.3+l)0 56) * 1.4 *0.8*2*0.9 *0.70 = -10.96 мм
DW75%=(0.002*635*500O.52*((2.5/(500+1)0.45)-0.06))*0.7*0.93*1.2*0.70-
- ((160+48)*(0.0144*4.30.54+0.02)/(0.1*4.3+l)0.56) * 1.2 *0.8*2*0.9 *0.70 = - 8.94 мм
K’w= 0.65*Н0.22 = 0.65*50.22 = 0.93       Х=0.3*S = 0.3*160 = 48 мм
Величина изменения объемов годового стока для засушливого и острозасушливого года превышает -10 мм. Знак минус говорит об уменьшении величины стока. В процентном отношении, соответственно:   »9 и 7%:
Dw95% =  DW95%*Fс/х/(10*Wp95%) =   10.96* 5747 /(10*829)= 7.60 %                                 
Dw75% =  DW75%*Fс/х/(10*Wp75%) =    8.94* 5747 /(10*1036) = 4.96%                                  
Fс/х = 0.70*8210 = 5747 км2
Изменение величины стока следует учитывать при составлении водохозяйственных балансов для года 95% обеспеченности, путем умножения величины годового стока коэффициент:
100-Dw95% /100 =0.92   
В табл. I.5 приведено внутригодовое изменение объемов речного стока с учетом влияния антропогенной деятельности на водосборной площади.
Табл.I.5
Внутригодовое изменение объемов речного стока с учетом влияния антропогенной деятельности на водосборной площади, млн. м3


Р,%

Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

95

17.3

16.4

135.6

367.6

56.4

29.1

24.6

21.8

20

20

22.8

22.8

754.4

 

I.2.4  Проверка условий затопления земель

В нижнем течении реки во время весеннего половодья происходит затопление земель. В пределы зоны затопления попадает сельский поселок, находящийся в створе 2-2 (см. схему I.4), находящийся на расстоянии 50км от устья.  В данном створе у реки широкая пойма. Уклон поверхности поймы  равен: Iп =0.0043. Средняя глубина русла реки  hрусл = 5м. Средняя ширина русла b=30м.
2
Рис.I.4   Расчетная схема русла реки и пойменного участка в пределах
зоны затопления.

Для построения зависимости расходов воды от глубины используется  формула Шези, которая записывается для двух участков: речного русла (прямоугольного сечения) и пойменного участка (трапециидальной формы): Q = Qр + Qп.
Речное русло:                          Qр = wр*Rр0.2*2/n =283м3/с
wр= bр*hр=150м2                 Rр= wр/(2*hр+bр)=3.75м              n=0.025
Пойменный участок::             Qп = wп*Rп0.2*2/n
2               wп = (bр +hп/Iп)*hп           Rп = wп/(bр+2*O(hп2 + hп2 / Iп2) )
Ширина затапливаемого пойменного участка для одного берега реки составит:
bп = bр  + 2*hп/Iп
На рис. I.5   представлена зависимость ширины затапливаемого участка поймы bп от глубины воды на пойме hп. 
2
Рис. I.5  Зависимость ширины затапливаемого участка поймы bп
от глубины воды на пойме hп.
2
Рис.I.6  Зависимость расходов воды в реке от глубины.
Используя данный график, определяется допустимая глубина воды в реке. hдоп.=hп+hр=0.6+5=5.6 м  с учетом допустимого затопления поймы в пределах участка Lсп =300м от реки (hп=0.6 м  см. рис I.5). При этом допустимый расход воды равен Qдоп =320 м3/с (см. рис.I.6)..
Расчетный расход воды в реке во время весеннего половодья рассчитывается по формуле.   
2*Кр%=2*2.32=1928 м3/с

где hcp  =90мм   - среднемноголетний слой стока половодья; 
F2  =(256-50)*8210/256 = 6606 км2    - площадь водосбора подвешенная к створу 2-2, км2;
Ko = 0.006   - коэффициент дружности половодья;
N=0.17 - коэффициент учитывающий изменение модуля весеннего стока в зависимости от площади    водосбора   (а = Iр/Iт <  0.5    - параметр, учитывающий тип рельефа.  Iт=25/2 = 0.308).   d1      - коэффициент, учитывающий влияние озер на сток половодья:
d1  = 1/(1+ С*fоз)=1/(1+0.3*0.01)»1
С = 0.2 (если hcp  ? 100мм) и  С=0.4 (если hcp<20 мм);
d 2   - коэффициент, учитывающий влияние лесов и болот на сток половодья:
d 2  = 1 - 0.8 * lg (0.05 * fл + 0.1 * fб + 1) = 1 - 0.8 * lg (0.05 * 8 + 0.1 * 0.0 + 1)=0.98

  • =1.06 - коэффициент, учитывающий несоответствие статистических параметров слоя стока и максимальных расходов, для обеспеченности 0.5%,

       Кр% - коэффициент перехода к слою стока  половодья обеспеченностью Р%, К р=0.5% = 2.32 (при  коэффициенте вариации слоя стока половодья С полv=0.4 и С полs =2*С полv).
Максимальный уровень воды в реке составит hmax =7.6 м (рис. I.6). Продолжительность половодья рассчитывается по формуле:
tп = 38.7 * hp%/(1000*qp%) = 38.7 * 209/(1000*0.292)=30сут
где  hp% - слой  стока половодья расчетной обеспеченности, мм;         qp% - модуль стока половодья расчетной обеспеченности, м3/с*км2. 
hp% = hср *Кр%=90*2.32=209 мм
qp% = 2=0.292 м3/с*км2
Продолжительность подъема половодья tп=10сут и спада половодья tс = 20сут

2

Рис. I.7  Вид гидрографа половодья для створа 2-2.

 

Таким образом можно сделать вывод, что в год с обеспеченностью стока половодья 0.5% максимальный уровень воды составляет 7.1 м. При допустимой глубине затопления 5.6 м для предотвращения затопления потребуется дамба обвалования высотой hд = hмах –hдоп =hзапас = 7.6-5.6+0.5 = 2.5 м . Продолжительность не допустимого затопления составит (см. рис. I.7) tн.з.=18 суток при qдоп.=320 м3/с.

  I.3 Гидрогеологические условия

Гидрогеологические условия рассматриваются для определения коэффициентов гидравлической связи подземных водоносных горизонтов с рекой. На рассматриваемом объекте расположены два водоносных горизонта, используемых для целей: городского и сельского коммунально-бытового хозяйства, животноводства и рекреации. Первый водоносный горизонт имеет гидравлическую связь с рекой, поэтому расчет коэффициента гидравлической связи (a1) позволит определить ущерб речному стоку за счет использования подземных вод.  Второй водоносный горизонт не имеет гидравлической связи (a2=1). Расчет коэффициента a1 проводится по следующим исходным данным: х=300м – расстояние от водозабора до реки; kф=1м/сут - коэффициент фильтрации ; hв = 20м- мощность водоносного горизонта; ?=ПВ-НВ = 0.45-0.30 =0.15- коэффициент водоотдачи; Т=30 лет –время эксплуатации водозабора (в формуле данная величина используется в размерности - сутки).

        a = kф * hв / m  =1*20/0.15 = 133 м2/сут

z = x/(2*O( a * T )) = 300/2* O(133*10950) = 0.12

a1 = 1 – erfc(z) = 1- 0.866 = 0.134
ц
Рис. I.5 Гидрогеологический разрез по створу 2-2.

 

1.4 Обоснование необходимости гидромелиоративных мероприятий
На объекте исследования зональными почвами являются серые лесные тяжелосуглинистые. Водно-физические характеристики данного типа почвы приведены в таблице I.6.
Табл. I.6
Водно-физические характеристики серой лесной
тяжелосуглинистой почвы, для слоя 0…50см почвы.


Характеристики

Величина

%

мм

ПВ-полная влагоемкость

45

225

НВ-наименьшая влагоемкость

35

175

ВЗ-влажность завядания

12

60

 

I.4.1. Требования растений к водному режиму почв

При анализе климатических ресурсов было получено, что в данной зоне возможно выращивание широкого набора культур, среди которых: зерновые, кормовые, овощи и травы. Для данных культур строятся графики зависимости  относительной урожайности S от влажности почвы с помощью уравнения:
S = (w/wopt)  y *wopt  * ((1-w)/(1-wopt))Y*(1-wopt) 

 

Параметры, необходимые для использования данной формулы представлены в таблице I.7.

                                                                                       
Таблица I.7
Значения параметров w'opt  и Yw для различных
видов растений

Вид растений

wopt

Yw

Зерновые

0.54

5.6

Корнеплоды

0.67

5.3

Овощи (капуста)

0.67

5.3

Мн. травы

0.57

6.2

 

Результаты расчетов представлены на рисунке 1.16.

 

ц 


       зерновые

 

 

 

 

 

 

 

ц 


Овощи, кормовые

 

 

 

 

ц 


травы

 

 

 

 

Рис.I.7 Требования растений к влажности почвы

По данным рисунка I.7 определяются оптимальные диапазоны регулирования почвенных относительных влагозапасов соответствующие продуктивности растений S =0.8, значения которых переводятся в абсолютные величины влагозапасов в слое почвы 0…50 см по формуле:
w = w'*( wпв - wвз ) + w вз = 5* (w'*( 29-7)+7),     мм            

Результаты расчета величин w1 и w2, мм   приведены в таблице I.8. Кроме того, по кривой требований растений к почвенным влагозапасам определяется относительная продуктивность растений в данных конкретных условиях, по среднемноголетним влагозапасам за вегетационный период. В данном случае wср = 121 мм (или в относительных единицах 0.37). Результаты сведены в таблицу I.10.

 

                                                                                                                Табл.I.8

                      Значения оптимального диапазона относительных и абсолютных
значений почвенных влагозапасов.


С/х культура

w1

w2

w1'

w1,мм

w2'

w2,мм

Зерновые

0.40

126

0.66

169

Кормовые и
овощные

0.54

149

0.80

192

Травы

0.44

133

0.70

176

 
            1.4.2.  Требования растений к температурному режиму
График кривой продуктивности растений в зависимости от температуры воздуха строится с помощью формулы:
St= (t'/t'opt) Yt*topt *((1-t')/(1-t'opt)) Yt*(1-t'opt),    
t'= (t - tmin)/(tmax-tmin)                                          
где   t'opt , Yt -   соответственно,    оптимальная относительная  температура и  параметр      саморегуляции растений к температурному режиму;    tmin,   tmax -  соответственно минимальная и максимальная температура почвы, при которых растение не может развиваться. В таблице I.9 приведены значения параметров модели.

                                                                                                      Таблица I.9

Значения параметров tmin, topt, tmax (°С), Yt для
различных сельскохозяйственных культур

Вид растений

tmin

Оптимальные температуры

tmax

Yt

topt

t'opt

зерновые
Кормовые
Овощи
Травы мн.

9
5
2
4

19
20
20
21

0.53
0.60
0.64
0.57

28
30
30
34

0.40
0.52
0.80
0.62

                  t'opt –рассчитывается по формуле:       t'opt = (topt  - tmin)/( tmax-tmin)     
ы              ы
Зерновые                                                             Кормовые
ы                 ы
Овощные                                                                   Травы

Рис.I.8 Требования растений к температурам воздуха.

 

По кривой требований растений к температурам воздуха определяется относительная продуктивность растений в данных конкретных условиях, по среднемноголетней температуре воздуха за вегетационный (теплый) период года. В данном случае tср = 11.4 (среднее за период с положительными температурами). Результаты сведены в таблицу I.10.
Табл.I.10
Значения относительных продуктивностей растений при tср и wср.

Вид растений

Stср

Swср

Зерновые

0.90

0.71

Кормовые

0.81

0.35

Овощные

0.84

0.35

Травы

0.82

0.6

По данным таблицы U.10 видно, что лимитирующим фактором, ограничивающим урожайность растений, являются почвенные влагозапасы.

I.4.3 Характеристика водно-термических условий внешней среды
В качестве характеристики условий среды по почвенным влагозапасам используется нормальный закон распределения.  Для построения кривой функции распределения  необходимо знать средние влагозапасы  за период вегетации wср=154 мм  и среднеквадратическое отклонение sw=26 мм .
ы
I.4.3.1 Оценка степени необходимости мелиоративных мероприятий
Степень необходимости мелиоративных мероприятий определяется по величине рероятности необходимости орошения и ошушения земель. Определить данные вероятности можно по графику представленному на рис.I.10 (нормированная функция нормального закона   распределения), по нормированным значениям величин w1 и w2 и  ВЗ:
w'1 = 5 - (wcp- w1)/sw
w'2 = 5  + (w2- wcp)/sw
ВЗ' =5 -  (wcp- ВЗ)/sw = 1.39

Табл.I.11

Результаты оценки вероятности необходимости мелиоративного воздействия.


Вид растений

Влагозапасы,мм

Нормированные влагозапасы

Рероятности мелиоративного воздействия,%

w1

w2

w'1

w'2

Р­

Рopt

Р?

Зерновые

125

169

3.88

5.58

22

43

35

Кормовые и овощные

149

192

4.81

6.46

45

39

16

Травы

133

176

4.19

5.85

27

43

30

Расчеты показывают, что в данной местности почвенные влагозапасы являются лимитирующим фактором и вероятность необходимости орошения более 20% для зерновых культур и многолетних трав. Для овощных и кормовых культур вероятность необходимости орошения более 30%. Следовательно степень необходимости орошения средняя и высокая, соответственно.

I.5 Баланс земельных ресурсов

Уравнение баланса земельных ресурсов имеет вид:

         Fб = Fлес + Fлуг + Fбол + Fс/х +Fур + Fоз, км2     

 

                                                                                                               Табл. I.12
Баланс земельных ресурсов


Размерность

Fлес

Fлуг

Fбол

Fс/х

Fур

Fоз

Fэк.

км2

657

1231

0

5747

493

82

8210

2873

%

8

15

0

70

6

1

100

35

         Площадь лугов определена из уравнения баланса.

Fэк.?(Fлес + Fлуг)=1888 км2 или 23% – антропогенное влияние привело к  недопустимому переформированию земельного фонда. В этом случае необходимо планировать мероприятия по увеличению площадей лесов, лугов и снижению доли пашни на сельскохозяйственных угодьях.

  • Использование водных ресурсов на современном этапе

 

На современном этапе  в состав участников ВХК рассматриваемого объекта входят: городское и сельское коммунально-бытовое хозяйство, промышленность, животноводство, орошение, рекреация. охрана природы, водный транспорт (ВТ).

II.1    Объемы водопотребления и водопользования

II.1.1 Коммунально-бытовое хозяйство
Объем водопотребления коммунально-бытовым хозяйством (к.б.х.) определяется по зависимости:
городское кбх   Wг = Nг*gг*365/hг =1142500*200*365/0.9 = 93 млн.м3
сельское   кбх   Wс = Nс*gс*365/hс  =164200*50*365/0.8 = 3.7 млн.м3                             

Численность городского населения составляет Nг = 1142500 чел., и сельского Nс = 164200 чел.. Соответственно нормы водопотребления: gг =200 л/сут. *чел.  и gс = 50 л/сут. *чел. КПД систем водоснабжения : hг = 0.9  и hс=0.8.

II.1.2  Промышленность
На рассматриваемом объекте получила развитие легкая промышленность выпускающая. Объем водопотребления в промышленности определяется по зависимости:

                                    Wп = В*gп/hп =  1500000*83/(0.98*106)=127.04   млн.м3                                          

Объем годовой выработки продукции В составляет 1500000тыс.м ткани (в соответствии с исходными данными).  Норма водопотребления составляет (табл. 2.3) 83 м3/1000м. К.п.д. системы водоснабжения в промышленности  равно 0.98.
Соответственно, водопотребление свежей воды из источника водоснабжения определяется с учетом коэффициента оборотного водоснабжения (табл.2.3) Коб – 0.72: 
Wп.св = Wп *(1-Коб) =127.04 * (1-0.72) = 35.57 млн.м3

 II.1.3 Животноводство

На рассматриваемом объекте животноводство представлено крупнорогатым скотом  мясомолочного направления. Поголовье коров составляет  33840 гол., норма водопотребления gж= 100 л/сут*гол. (табл.II.4).  hж = 0.8 :
      Wж = Nж*gж*365/hж = 33840*100*365/(0.8*109) = 1.54, млн.м3                                        
Животноводство относится к равномерно потребляющим воду в течении года участникам ВХК.

     II.1.4 Рекреация

     В состав ВХК входит рекреация в виде санатория. Численность отдыхающих  Nр = 11425 чел.  Норма водопотребления gр=400 л/сут*чел., коэффициент полезного действия системы водоснабжения hр= 0.9 .
Wр = Nр*gр*tр/hр = 11425 *400 * 240/(0.9*109) = 1.22 млн.м3    

         Продолжительность работы рекреационных учреждений определяется с помощью внутригодового распределения температур воздуха (рис.II.1).     Летний отдых: продолжительность 5 месяцев, с 5 по 9; зимний отдых продолжительностью 3 месяца, с 12 по2 . tр = 240 сут.
ч
Рис.II.1  Периоды отдыха населения в рекреационном учреждении.

II.1.5 Орошение
Объем водопотребления для орошения определяется в зависимости от площади орошения Fор = 2874 га. Оросительные нормы Мор приведены в табл.II.1. К..п.д. оросительной системы hор=0.85. Объем водопотребления для орошения рассчитывается по формуле:
  Wор = Fор * М ср.взв.ор/hор   = 2874*1665/(0.85*106) = 5.63 , млн.м3                                                                                  
Табл.II.1
Определение средневзвешенной оросительной нормы М ср.взв.ор


Вид растений

Мiор,
м3/га

Доля занимаемой площади, ac/хi

ac/хi *Мiор,
м3/га

Зерновые

1050

0.1

105

Овощи

1600

0.3

480

Кормовые

1650

0.3

495

Травы

1950

0.3

585

Итого

-

1.0

1665

В табл.II.2 представлено внутригодовое распределение объемов водопотребления на орошение.

                                                                                                            Таблица II.2
Внутригодовое распределение оросительной нормы, %


Размерность

Месяцы

4

5

6

7

8

9

%

5

16

27

23

19

10

млн.м3

0.28

0.90

1.52

1.30

1.07

0.56

 

II.1.6 Водный транспорт

Для прохода судов местного значения требуется глубина воды в реке  hтр =1.5 м (см. табл.2.8 Методических указаний). Требуемый объем воды  в течение навигационного периода  определяется по  формуле:
Wвт = Qвт * tвт, млн.м3 ,                      
где Qвт – судоходный расход воды, который определяется по графику зависимости расходов воды в реке от глубины (рис. II.2).
Для построения зависимости глубины воды в реке от расходов используется формула Шези.  Форма площади поперечного сечения русла реки принимается в виде прямоугольника с шириной b=30 м.
Q = w * C *ф  , м3/с
w =b*h     R = b*h/(2*h + b)   С= R0.2/n  
где Q –  расход воды, м3;   w – площадь живого сечения реки, м2; C  - коэффициент Шези
где n – коэффициент шероховатости русла реки; n = 0.025 –коэффициент шероховатости;   R – гидравлический радиус, м; Iр= 0.00035 – уклон реки.
На рисунке II.2   представлена кривая зависимости Q = f(h). При  hтр =1.5 м судоходный расход равен Qвт = 49 м3/с.
ч
Рис.II.2    Зависимость расходов воды в реке от глубины в створе 1-1.

чПродолжительность навигационного периода определяется по гидрографу расходов воды  для условий не зарегулированной реки. Для этого на гидрографе стока воды в реке для года обеспеченностью 75% (табл.I.5) откладывается  величина судоходного расхода. Время навигации определяется в соответствии с рис. II.3.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.II.3   Схема для определения продолжительности навигационного периода.
Навигационный период для не зарегулированной реки продолжается  с  марта по май, в течении 3 месяцев tвт=90 сут. Требуемый объем воды за данный период составит:
Wвт = 49 * 90*0.0864 = 381 млн.м3
II.2 Объемы водоотведения
Объемы водоотведения определяются по формуле (2.7):
                          Wввi = Кввi * Wi      млн.м3         
Таблица II.3
Объемы водопотребления и водоотведения


Водопотребители

Кввi

W,
млн.м3

Wввi, млн.м3

Городское кбх

0.7

93.00

65.10

Сельское кбх

0.6

3.70

2.22

Промышленность

0.28

35.57

9.96

Животноводство

0.5

1.54

0.77

Рекреация

0.7

1.22

0.85

Орошение

0.1

5.63

0.56

Итого

-

173.96

79.46

II.3 Показатели загрязненности сточных вод
Показатель качества сточных вод рассчитывается по формуле:
                                  Wпз i = Кпзi * Wввi   , млн.м3                     
где Кпзi –коэффициент предельной загрязненностиi –го водопотребителя.
                                    Кзпi = ф                                      
II.3.1 Коммунально-бытовое хозяйство

II.3.1.1 Городское кбх
Табл. II.4
Расчет коэффициента предельной загрязненности сточных вод городского кбх


Загрязняющие вещества

Сввj,
мг/л

ПДК,мг/л

Кпзi

Алюминий

0.5

0.5

0.0

Железо

1.0

0.05

19.0

Цинк

0.08

0.01

7.0

Медь

0.02

0.005

3.0

БПК

300

3

99.0

Сульфаты

100

100

0.0

Хлориды

50

300

-0.8

Азот

18

1

17.0

К’пз г

17

С учетом эффективности существующих в настоящее время очистных сооружений Э=0.7:                  Кпзг = 17*(1-0.7)= 5,1
Wпз г = 5.1*65.1=332 млн.м3

II.3.1.2 Сельское коммунально-бытовое хозяйство
Коэффициент предельной загрязненности для сельского кбх принимается равным:
К'пз с =0.6*17=10.2
С учетом эффективности водоохранных мероприятий проводимых в сельской местности: устройство отстойников Эот=0.7 , использования отходов на удобрения Эуд=0.6, складирование отходов Эотх=0.5:   Кпз с=10.2*(1-0.7)*(1-0.6)*(1-0.5)=0,6
Показатель загрязненности сточных вод рассчитывается по формуле:
Wпз с = 0,6*2.22=1.3 млн.м3
II.3.2    Промышленность
Табл. II.5
Расчет коэффициента предельной загрязненности для промышленности


Загрязняющие вещества

Сввj,
мг/л

ПДК,
мг/л

Кпзi

БПК

15

3

15

Нефтепродукты

1.4

0.05

1.4

Сульфаты

79

100

79

Хлориды

244

300

244

Фосфор

0.8

0.03

0.8

Азот

1.1

1.00

1.1

Фенолы

1.04

0.001

1.04

К'пзп

155.5

   С учетом эффективности существующих в настоящее время локальных очистных сооружений Э=0.8:                  Кпзп= 155.5*(1-0.5)»78
:                                 Wпзп = 78*9.96=776 млн.м3
II.3.3 Животноводство
К'пз ж = 2*17=34
С учетом эффективности водоохранных мероприятий проводимых в сельской местности: устройство отстойников Эот=0.7 , использования отходов на удобрения Эуд=0.6, складирование отходов Эотх=0.5, обвалование территории ферм Эобв=0.7:
Кпз ж=34*(1-0.7)*(1-0.6)*(1-0.5)*(1-0.7)=2.04
Wпзж = 2.04*0.77=1.57 млн.м3
II.3.4 Рекреация
Коэффициент разбавления для рекреации принимается равным:
Кпз рек = 5.1
Wпз рек = 5.1 * 0.85 = 4.34 млн.м3

II.3.5 Растениеводство
Показатели качества сточных вод для растениеводства определяются по ведущей культуре. В богарном земледелии ведущей культурой считаются – зерновые, в орошаемом земледелии – овощные.  Концентрация фосфора в сточных водах растениеводства определяется по следующим формулам (расчеты проводятся для 1га площади):

                         Сст бог = 7.2/10.14=0.71мг/л
Сст ор= 12/10.14=1.18мг/л
Gст бог =  0.2*1*1.2*30=7.2 кг/га
Gст ор=  0.2*1*0.15*400=12 кг/га
W 1ст = q*Кр%*315 =4.6*0.7*315= 10.14 м3/га

где Кр% =0.7 модульный коэффициент, для перехода от среднемноголетних условий к обеспеченности 95%  ( при Сv =0.26 и Сs =2*Сv).                                                                                                        
Коэффициенты предельной загрязненности определяются отдельно для каждого вида угодий:
богарные                  К'пз бог = (0.71-0.03)/0.03-1=21.7
орошаемые              К'пз ор   = (1.18-0.03)/0.03-1=37.3
С учетом эффективности агротехнических и лесотехнических мероприятий проводимых на сельскохозяйственных угодьях: распашки поперек склона Эрас.=0.6, устройство лесополос Элп=0.4:                      Кпз бог =5.2       Кпз ор   =8.95
Соответственно показатели загрязненности сточных вод определяются по формулам:
Wпз бог = 5.2*10.14*571825*10-6=30.15 млн. м3
Wпз ор  = 8.95*10.14 *2875*10-6= 0.26 млн. м3
(fбог =Fс/х-Fор = 574700 -2875=571825 га)
Результаты расчетов объемов водопотребления и водоотведения, водопользования и показателей качества сточных вод представлены в таблице II.6
Табл. II.6                                                                                                                
Объемы водопотребления, водоотведения и водопользования, млн. м3.

Участник ВХК

Водопотреб­ление
W

Водопользо­вание Wпопуск.

Возвратные воды

Показатели загрязненности стоков

Квв

Wвв

Кпз

Wпз

Городское кбх

93.00

-

0.70

65.10

5.1

332.00

Сельское кбх

3.70

-

0.60

2.22

0.6

1.30

Промышленность

35.57

-

0.28

9.96

78

776

Животноводство

1.54

-

0.50

0.77

2.04

1.57

Рекреация

1.22

-

0.70

0.85

5.1

4.34

Орошение

5.63

-

0.10

0.56

8.95

0.26

Богара

-

-

-

-

5.2

30.15

Водный трансп.

-

381

-

-

-

-

Охрана вод

-

430

-

-

-

-

II.4 Отчетный водохозяйственный баланс

Уравнение ВХБ составляется для года 95% обеспеченности. Для  i-го месяца уравнение ВХБ записывается в виде:
МВХБi = wрi  +  wподi  +  awввi  -  awi  -  awпзi   -   wпопi  - a*wподi       

где   wрi  - объем речного стока в i –ый месяц;  a - коэффициент гидравлической связи подземных и поверхностных вод; wподi  - объем водозабора из подземных вод в i –ый месяц;   awввi – суммы объемов возвратных вод в i –ый месяц;  awi  -  сумма объемов водопотребления в i –ый месяц; awi  - сумма показателей загрязненности сточных вод в i –ый месяц;    wпопi – объем попусков в i –ый месяц; a*wподi ущерб речному стоку за счет водозабора из подземных горизонтов гидравлически связанных с рекой в i-ый месяц      .
Месячные объемы водопотребления и возвратных вод для равномерно потребляющих в течении года потребителей определяются по формулам:
wi = (Wг+  Wс +Wп+ Wж) /12 =  11.15 млн.м3
wввi = (Wвв.г Wвв.с Wвв.п Wвв.ж )/12 =  6.5  млн.м3
Месячные объемы водопотребления и возвратных вод для не равномерных водопотребителей определяются в соответствии с режимом подачи воды (табл. II. 7):
                         wi = ki * W                   wввi = ki * Wвв                            
где k – коэффициент внутригодового распределения объемов водопотребления.

        Величина ущерба речному стоку в i –ый месяц составит: 
a*wподi  = ф=0.134*(3.7+1.54)/12=0.06 млн. м3
Водозабор из подземных вод:
для 1,2,5-9,12 месяцев
wпод = (3.7+1.54)/12 +93/12+0.15=8.34 млн.м3
для 3,4,10,11  месяцев  
wпод =  (3.7+1.54)/12 +93/12=8.19 млн. м3
Объемы попусков, в уравнении ВХБ, учитывают интересы водопользователей, к которым, относятся: водный транспорт и охрана водных ресурсов.   Месячные объемы попусков определяются в табличном виде (табл. II.8) по выражению:
wпопi = мах { wвтi, wэкол.i }       
Табл.II.7
Внутригодовое распределение объемов водопотребления и водоотведения
участниками ВХК не равномерно потребляющими воду в течение года, млн.м3.

Потреби-

тель.

Месяц

Год

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

 

Водопотребление

 

Ороше.

Kорi

-

-

-

0.05

0.16

0.27

0.23

0.19

0.10

-

-

-

1

 

Wорi

-

-

-

0.28

0.90

1.52

1.30

1.07

0.56

-

-

-

5.63

 

Рекр.

Kрi

0.125

0.125

-

-

 0.125

 0.125

 0.125

0.125

 0.125

-

-

0.125

1

 

Wрi

0.15

0.15

 

 

0.15

0.15

0.16

0.16

0.15

 

 

0.15

1.22

 

Итого

0.15

0.15

-

0.28

1.05

1.67

1.46

1.23

0.71

-

-

0.15

6.85

 

Возвратные воды

 

Орош.

wвворi

-

-

-

0.02

0.09

0.15

0.13

0.11

0.06

-

-

-

0.56

 

Рекр.

wвврi

0.11

0.10

-

-

0.11

0.10

0.11

0.11

0.10

-

-

0.11

0.85

 

Итого

0.11

0.10

-

0.02

0.20

0.25

0.24

0.22

0.16

-

-

0.11

1.41

 

 

                                                                                                      Табл. II.8

                              Определение объемов попусков, млн.м3


Месяц

Водопользователи

Попуски

ВТ

Экол.

1

-

19

19

2

-

18

18

3

127

77

127

4

127

77

127

5

127

62

127

6

-

32

32

7

-

27

27

8

-

24

24

9

-

22

22

10

-

22

22

11

-

25

25

12

-

25

25

Итого

381

430

595

Внутригодовое распределение объемов предельной загрязненности для участников равномерно потребляющих воду в течении года рассчитываются по формуле:
wпз.i = (W пз, г+ W пз.с + W пз.п + W пз.ж )/12 = 92.57 млн.м3
Для рекреационных учреждений используется формула, учитывающая период приема отдыхающих (t, месяцы):
wпз.i = W пз, /t=4.34/8=0.54 млн.м3
Распределение по месяцам объемов разбавления для неравномерно поступающих в водный объект загрязненных стоков с сельскохозяйственных угодий и рекреации представлено в таблице II.9.
Табл. II.9
Внутригодовое распределение величин Wпз для сельскохозяйственных угодий


Фактор

Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

t, °С

-10.0

-9.6

-4.9

3.8

11.9

15.5

17.6

16.0

10.5

4.2

-2.0

-7.4

3.8

О,мм

64

53

45

36

46

56

66

64

47

47

48

63

635

Осток,мм

-

-

-

309

46

56

66

64

47

47

-

-

635

li

-

-

-

0.49

0.07

0.09

0.11

0.10

0.07

0.07

-

-

1

Wпз.бог +
wпз.ор

 

-

 

-

 

-

14.90

2.13

2.74

3.35

3.04

2.13

2.13

 

-

 

-

 

30.42

Wпз.рек

0.54

0.54

-

-

0.54

0.54

0.54

0.54

0.54

-

-

0.54

4.32

Итого

0.54

0.54

-

14.90

2.67

3.28

3.89

3.58

2.67

2.13

-

0.54

34.74

Годовой водохозяйственный баланс без учета качества сточных вод ВХБ=196.97 > 0, а с учетом загрязненности сточных вод ВХБк=-948.61  < 0, следовательно,  дефицита воды нет, но вода загрязнена. Во внутригодовом разрезе  отмечаются дефициты воды в 5 и 6  месяцы. Загрязненность воды отмечается практически во все месяцы, кроме апреля, что связано с большой разбавляющей способностью реки в период половодья. Загрязненность воды изменяется в пределах от  0.3ПДК  до  4.7ПДК, что соответствует качеству речной вой воды изменяющемуся от «умеренно загрязненной» до «грязной».

Осредненная по загрязняющим веществам кратность превышения ПДК в речной воде.


Месяцы

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

4.5

4.7

0.7

0.3

1.6

3.1

3.6

3.9

4.3

4.0

3.5

3.5

4.5

Классификация качества воды по коэффициенту предельной загрязненности.


Кпз

<-0.8

-0.8…0

0…1

1…3

3…5

>5

Класс качества

Очень чистая чистая

чистая

Умеренно загрязненная

загрязненная

грязная

Очень грязная

ВЫВОДЫ

    • В современный период на рассматриваемом объекте для года 95% обеспеченности  речного стока наблюдаются  дефициты водных ресурсов в 5 и 6 месяцы, что связано в первую очередь с требованиями водного транспорта. Однако водный транспорт гарантируется требуемыми объемами воды для года 70-80% обеспеченности. Поэтому для острозасушливого года не требуется удовлетворение его водой по полной норме. Следовательно в месяц  объем попуска равный 127 млн.м3 можно заменить на экологический попуск равный 62 млн.м3. В данном случае дефицит воды уменьшится на 65 млн.м3 . При этом загрязненность водных ресурсов не удовлетворяет нормативам качества вод в течении всего расчетного года 95% обеспеченности. Превышение нормативов качества воды осредненное по загрязняющим веществам изменяется в пределах 1.6 -4.7 ПДК.
    • Результаты расчетов по обоснованию необходимости орошения сельскохозяйственных угодий показывают среднюю и высокую потребность в орошении на уровне 22-45% , что говорит о необходимости рассмотрения вопросов связанных с развитием орошаемого земледелия.
    • Использование водосборной площади человеком привело к изменению условий формирования речного стока на величину DW для условий засушливого (75%) и острозасушливого (95%) годов, что в процентах составляет     4.96 и 7.60% от годового стока соответствующей обеспеченности.      Данное антропогенное влияние  необходимо учитывать при расчетах  ВХБ для года 95% обеспеченности.
    • Анализ земельных ресурсов показал, что площади естественных угодий  меньше экологически допустимого предела: Fлес + Fлуг + Fбол<Fэк.  В этом случае необходимо предусмотреть возможность их увеличения, например, за счет: уменьшения площадей сельскохозяйственных угодий, увеличения доли многолетних трав и пастбищ в составах севооборота (данные угодья по своим условиям напоминают естественные луга).

    Табл. II.10
    Отчетный водохозяйственный баланс для обеспеченности 95%, млн.м3


    Месяц

     

     

    wpi

    wподi

     

    a*wподi

     

    Возвратные
    воды

    Итого  awввi

     

     

    Итого приход

     

    Водопотребление

     

     

    Итого
    awi

    wпопi

     

     

    a*wподз.i

    Итого расход без учета загрязненности сточных вод

     

     

     

     

    МВХБ

     

    Показатель загрязненности  сточных вод

     

     

    awпзi

    Итого расход с учетом  загрязненности сточных вод

     

     

    МВХБк

    рп

    нп

    рп

    нп

    рп

    нп

    1

    17.3

    8.34

    6.51

    0.11

    6.62

    32.26

    11.15

    0.15

    11.3

    19

    0.06

    30.36

    1.9

    92.57

    0.54

    93.11

    123.47

    -91.21

    2

    16.4

    8.34

    6.5

    0.1

    6.6

    31.34

    11.15

    0.15

    11.3

    18

    0.06

    29.36

    1.98

    92.57

    0.54

    93.11

    122.47

    -91.13

    3

    135.6

    8.19

    6.51

    -

    6.51

    150.3

    11.15

    -

    11.15

    127

    0.06

    138.21

    12.09

    92.57

     

    92.57

    230.78

    -80.48

    4

    367.6

    8.19

    6.5

    0.02

    6.52

    382.31

    11.15

    0.28

    11.43

    127

    0.06

    138.49

    243.82

    92.57

    14.9

    107.47

    245.96

    136.35

    5

    56.4

    8.34

    6.51

    0.2

    6.71

    71.45

    11.15

    1.05

    12.2

    127

    0.06

    139.26

    -67.81

    92.57

    2.67

    95.24

    234.5

    -163.05

    6

    29.1

    8.34

    6.5

    0.25

    6.75

    44.19

    11.15

    1.67

    12.82

    32

    0.06

    44.88

    -0.69

    92.57

    3.28

    95.85

    140.73

    -96.54

    7

    24.6

    8.34

    6.51

    0.24

    6.75

    39.69

    11.15

    1.46

    12.61

    27

    0.06

    39.67

    0.02

    92.57

    3.89

    96.46

    136.13

    -96.44

    8

    21.8

    8.34

    6.51

    0.22

    6.73

    36.87

    11.15

    1.23

    12.38

    24

    0.06

    36.44

    0.43

    92.57

    3.58

    96.15

    132.59

    -95.72

    9

    20

    8.34

    6.5

    0.16

    6.66

    35

    11.15

    0.71

    12.86

    22

    0.06

    34.92

    0.08

    92.57

    2.67

    95.24

    130.16

    -95.16

    10

    20

    8.19

    6.5

    -

    6.5

    34.69

    11.15

    -

    11.15

    22

    0.06

    33.21

    1.48

    92.57

    2.13

    94.7

    127.91

    -93.22

    11

    22.8

    8.19

    6.5

    -

    6.5

    37.49

    11.15

    -

    11.15

    25

    0.06

    36.21

    1.28

    92.57

     

    92.57

    128.78

    -91.29

    12

    22.8

    8.34

    6.5

    0.11

    6.61

    37.75

    11.15

    0.15

    11.3

    25

    0.06

    36.36

    1.39

    92.57

    0.54

    93.11

    129.47

    -91.72

    Год

    754.4

    99.48

    78.05

    1.41

    79.46

    933.34

    133.8

    6.85

    140.65

    595

    0.72

    736.37

    196.97

    1110.84

    34.74

    1145.58

    1881.95

    -948.61