Поправочні коефіцієнти до стоку малих водостоків України

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:

ü дощові,

ü снігові,

ü льодовикові

ü 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, швидкостейтечії 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:

w характеру чергування і тривалістю періодів різних метеорологічних умов;

w сезоном року;

w змінами температури;

w кількістю атмосферних опадів;

w режимом танення снігів;

w 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 0,2 Н; 0,6 Н; 0,8 Н 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.

 

Рис.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:

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

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

w 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

Поправочні коефіцієнти до стоку малих водостоків України

р,%	Коефіцієнт для значень
0,1 | 0,3	0,5 | 0,7	0,9		1,1	1,2
Cs=1,5∙Cv
	1,17	1,52	1,9	2,3	2,76	3,02 1 3,91	3,6
	0,998	0,963	0,954	0,891	0,76	0,665	0,59	0,4
	0,93	0,785	0,621	0,421	0,46	0,152	0,094	0,0
	0,831	0,52	0,253	0,082	0,016	0,006	0,002	0,0
	Cs=2,0∙Cv
	1,17	1,54	1,94	2,36	2,78	3,0	3,21	3,4
	0,997	0,97	0,918	0,846	0,746	0,693	0,64	0,5
	0,931	0,784	0,634	0,489	0,352	0,238	0,241	0,1
	0,842	0,565	0,342	0,181	0,082	0,051	0,03

Для потреб водопостачання використовуються іноді багатоцільові водосховища, створювані для цілей гідроенергетики й одночасно для потреб водного транспорту.

При використанні водосховищ катастрофічною подією можуть бути зруйновані, або серйозно пошкоджені дамби, і різке падіння рівня води у водосховищі, що не дозволяє забирати з нього воду.

При виборі природного джерела води для цілей водопостачання необхідно враховувати не тільки його сьогоднішній стан, але й можливість його зміни на перспективу (як по кількості, так і по якості води).

У тих випадках, коли водосховища влаштовуються виключно з метою поліпшення умов прийому води для систем водопостачання, усі вимоги до режиму використання водосховищ і допустимого коливання рівнів води в ньому задаються проектувальниками системи водопостачання.

2. Прогнозування змінюваності гідрогеологічних показників підземних джерел водопостачання

(на самостійне опрацювання)

Ресурси підземних вод, як і поверхневих, розподілені по території України дуже нерівномірно. Найбільша їхня кіль­кість, близько 75 %, зосереджена в північно-західнїй частині.

Найменше забезпечені — південні області та район Донбасу.

Прогнозні ресурси підземних вод становлять 22,5 км³, з яких у водогосподарському балансі враховується лише 7 км³.

Підземні води майже не містять завислих частинок. Вони, як правило, не забарвлені, але часто мають підвищену жорс­ткість, відрізняються значним вмістом солей заліза та інших елементів, інколи дуже мінералізовані, можуть мати розчи­нені гази.

Більшість підземних вод надійно захищені від по­трапляння в них забруднених поверхневих стоків. Їхня кількість і якість меншою мірою, ніж у поверхневих вод, залежить від атмосферних опадів. За запасами підземні води поділя­ються на природні та експлуатаційні.

Природні запаси перебувають у водоносних пластах у природному стані, тобто в порах і тріщинах водоносних порід.

Вони поділяються на статичні запаси й динамічні запаси.

Природні запаси підземних вод змінюються за порами року й кліматичними факторами, а інколи й за діяльністю людини. Ці зміни особливо значні для ґрунтових вод, меншою мірою для міжпластових безнапірних вод, і майже непомітні для на­пірних (артезіанських) вод.

Статичні запаси постійно знаходяться в порах водоносних порід. Кількість їх для водоносних пластів визначаються за формулою

, (10)

де — коефіцієнт водовіддачі породи, м³/с, W — об'єм водонасиченості породи, м³.

Динамічні запаси постійно змінюються у водоносному шарі, доповнюючи статичні запаси. Для ділянки водоносного пласта динамічні запаси підземних вод можуть бути визначені за законом Дарсі

, (11)

де В — ширина потоку підземних вод, м; h — потужність водо­насосного пласта, м; — коефіцієнт фільтрації, м/добу; j — гідравлічний уклон потоку підземних вод.

Динамічні запаси ґрунтових вод великих територій можна визначити залежно від величини інфільтрації атмосферних опадів за формулою

, (12)

де — коефіцієнт інфільтрації (підземного стоку), що вказує, яка частка атмосферних опадів іде на живлення ґрунтових вод і формування підземного стоку; h₀ — середня багаторічна вели­чина (норма) атмосферних опадів; F — площа, в межах якої відбувається інфільтрація.

Експлуатаційні запаси можна отримати з водоносного пласта раціональними в техніко-економічному відношенні, водозабірними спорудами за за­даним режимом експлуатації та при якості води, що задовольняє вимоги споживачів протягом усього розрахункового періоду во­допостачання.

Загальний об'єм експлуатаційних запасів може бути ви­ражений рівнянням

, (13)

де — додаткові запаси, що залучаються в процесі водовід­бору.

Додаткові запаси підземних вод можуть надходити в експлуатаційний водоносний пласт рівномірно по всій площі, зо­середжено в окремих точках або на окремих обмежених ділян­ках і навіть збоку — на межі області фільтрації.

Залежно від ступеня обстеженості, вивченності якості підзем­них вод та умов їх використання, експлуатаційні запаси під­земних вод діляться на чотири категорії — .

Балансові запаси — це запаси, використання яких нині економічно вигідне. Ці запаси відповідають вимогам за кіль­кістю та якістю води певного призначення, і за заданих умов режиму їхньої експлуатації.

Позабалансові запаси — це запаси, використання яких тепер економічно невигідне внаслідок їх малої кількості, невідповідної якості, складності забору та експлуатації, але які можуть бути використані в майбутньому.

3. Вибір і оцінка надійності джерела водопостачання

Джерело водопостачання повинно відповідати основним, загальним для всіх водоспоживачів, вимогам:

забез­печувати отримання необхідної кількості води з урахуванням норм водоспоживання й перспективного розвитку об'єкта,

за­безпечувати безперервність постачання водою споживачів,

по­дачу води з найменшою витратою коштів;

забезпечувати якість води, яка найбільше відповідає потребам споживачів, або дає змогу досягти потрібної якості після її найпростішої та найдешевшої обробки;

мати таку потужність, яка забезпечує відбір води із джерела на потреби об'єкта не порушить сформовану екосис­тему.

Джерелами господарсько-питного водопостачання слід максимально вико­ристовувати наявні підземні води, які задовольняють санітарно-гігієнічним вимогам.

Підземні води однієї якості слід вико­ристовувати в черговості, яка відповідає ступеню їхньої захищеності від зовнішніх забруд­нень — у першу чергу, артезіанські води.

За відсутності або не­можливості використання артезіанських вод через їх недостат­ню кількість або низьку якість, через небажані техніко-економічні показники необхідно перейти до розгляду можливості використання інших типів підземних вод у такій послідов­ності: міжпластові безнапірні, і ґрунтові вод и.

ВИСНОВОК Якщо підземних вод немає або їх неможливо використати, як джерела водопо­стачання слід розглядати поверхневі води (озера, канали, річ­ки, водосховища, моря).

За недостатніх експлуатаційних за­пасів підземних вод треба розглядати можливість їхнього збільшен­ня за рахунок штучного поповнення. Коли ж недостатня кіль­кість окремо здобутих підземних і поверхневих вод, слід шукати можливість їхнього спільного використання.

ПРИМІТКА: Використання підземних вод питної якості для виробничих процесів можливе лише в районах, де немає інших джерел во­допостачання, або коли для цих цілей необхідна вода виключно питної якості.

Основними джерелами виробничого водопостачання є поверхневі води й частково — мінералізовані та геотермальні води.

Поверхневе джерело водопостачання приймається у відповідності із забезпеченістю їх середньомісячних або середньодобо­вих витрат, максимальних і мінімальних рівнів води залежно від категорії надійності подавання води (табл. 2).

Таблиця 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: