Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрологическая оценка потенциальных возможностей использования водных ресурсов

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Гидрологическая оценка потенциальных возможностей использования водных ресурсов"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО ; КРАСНОГО ¡ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ТОСУДАРСГВЕгШЫП .УНИВЕРСИТЕТ ик.М.В ЛОмОНОССЗА

Географический 'факультет

На правах р., ::оппся

КУМСИАШВКПИ Георгий Павлович

УДК, 504.430.6:628.1'

ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ■ ПОТЕНЦШЫЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ: • ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

11.00.07 - гидрология суши,'воднно ресурсы,'- гидро^иьшл

АВТОРЕФЕРАТ

дзссортаюш на сопскашгз ученой сгепонн доглюра географических наук

Посква - 1391

Работа выполнена на географическом Факультете Московского Государственного Университета зал. М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор географических-наук, старший научный сотрудник Н.И.Коронке доктор географических наук, старики'; научшй сотрудник К.С.Лосев доктор геолого-минералогаческих наук, профессор Л„С.Язвин

Ведущая .организация - Всесоюзный комплексный научно-нсследовг тельский к конструкторско-технологэтеский институт ВОДГЕО

Бадата диссертации состо]5тся " ^ " 1991 г

в 15 ч. 00 глин._ на заседании гидрометеорологического специализированного совета (Д-053.05.30) в Московском Государственном Университете ил- М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСШ-3, Ленинские горн, МГУ, гсограсзгческий Факультет, аудитория 1801,16

С диссертацией молаго ознакомиться в библиотеке геоградлчесго факультета МГУ на 21 отаке.

. Автореферат разослал • £ . 1991 г.

Уче!шй се^етарь •

специализированного гидрометеорологического совета в МГУ ' ' .

кандидат географических наук

(1

С.О. ЩКЛША

^Л ЛАЛилЛ) I

^л.-у., -2- .

•! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

7.....: . I '

Потенциальные' возиогшостп рационального использования водних сурсов рассматривается в данной работе, кис .совокупность опре-яяешх за расчетные инторвалц времени предельных' значент"; :объ~ эв води доступных для эксплуатации в пушсгах водопо. зовэлия ¡1 выполнении требований по о^кю естественных водотоков, водо-зз п прилегающих к ни.: ландшафтов. Для оценки потенциальных во-эглостей использования водных ресурсов введено понятно эксплуа-днонннх водных ресурсов по аналогии с таким ~.е понятием -в гид-? сеологии. В дальнейшем изложении эксплуатационными ресурсам: зерхностнкх и подземных вод называется совокупность объемов во, доступных для эксплуатация! в пупктах водолользовшпм рацко-чынгл в технико-экономическом' отнозйнин способом. Эта: совокупить объемов води определяется за расчетные интервалы времени основе водохозяйственных балансов и гидрогеологических расче— з. предельные значения' составляющих этой совокупности, одреде-ощие максимально допустплый уровень водообеспечення освапвае-1 территории, исходя из требований охраны окр.,таящей среды, зактеризуит потенциальные возмояюстй хозяйственного исподьзсь-. ни водных объектоз на этой территории.

Тахта,образом в данной работе естественные, водные ресурсы усматривается км; валовой потенциал природного стока, оксплуа-цпонные ресурсы поверхностных н подзегпшх вод кал технический -генциал использования природного стока, ,а потенциальные возмоз-:ти его_эксплуатации, исходя пз требований охраны хгриродц 1сшс логический -потенциал использования водпнх; ресурсов.. • Актуальность теин связана с дальиейшпи развитие:! предстазле-

- з -

■ .ний о во^оглшх пределах использования водных ресурсов, опреде; ыых природоохраннкгли ограничениям: п необходимостыэ усовершенс вания методов их оценки, потребность в которых возрастает с но; . рывным развитием'водоемких производств, ухудшением качества во, истощением водных ресурсов при росте их потребления.

<г * *

Из всех видов природных ресурсов вода изымается в самых бо ших количествах: ежегодно на каэдого человека на Земле расходу в среднем 1000 т вода. Общее количество воды, которое потребля мировое хозяйство, уяе достигает 4,0 ткс.к?Д/год. Ресурсы быст возобновляемых и легкодоступных поверхностных и подземных вод тавляют .40 тыс.км^/год. В настоящее время в различных сферах I пользования образуется примерно 600 Ki.fi/roji отработанных вод. при полной очистке таких отработанных вод необходимо потратил ло 6 тыс. км^/год чистых вод из естественных водоисточников н; последующее разбавледие. К 2000 году мтровое потребление воды кет доступ. 6 тыс.км^/год, а общий объем стоков монет возраст несколько раз. В Европейских.странах оти показатели значитель превосходят средние величины. В связи с этт ьроблема рациона •го водопользования, понимается как комплекс мероприятии, папрс ных на снижение забора, свежей воды промшшгешкми, когл.тунаг.ыи селъско-хозяйствепннми и другими объектами и па технологичесг ' разданное уменьшение общего расхода вода в процессах произвол Однако проблема рационального водопользования помимо техз кой стороны имеет важны*1 природоведческий аспект, определяем: •обходимостыэ оценки потенциальных возможностей использования ных ресурсов в условиях лимитздэующей роли природоохранных ог , ний. Дйх решения этой задачи .необходимо разработать кетодиче

принципы оценки ограничений на использование водных ресурсов с учетом их распределения мезду пунктами водопользования осваивав-' мой территории. Такой подход позволяет осуществлять оптимальное планирование п раззитие водохозяйственных систем, исходя' из реальных возможностей водообеспечения рассматриваемых территорй;. Оценка воднцх ресурсов, в местах водопользования с- учетом -чебований охраны природы особенно актуальна на территориях с шттенсивкым водохозяйственным развитием, при котором рочные и артезианские I •бассейны взаимодействуй со сло-лшми водохозяйственными системами. Например, при водообеспечении крупных градопромышхенных ком- ' плексов таких как Ыоскза, Ленинград и другие; при развит;:;! таких водоемких производств как сельское хозяйство,.теплоэнергетика, промышленное производство и т.д. Актуальное'1: . этой тематики определяется как необходимостью защиты.малых рею от истощбния и загрязнения, та:; и планированием- водоохранных мероприятий в. крупных бассейнах морей: Аральского, Каспийского, Азовского, .р'ек Волги, Урала и др. . ■ • • • '

Состояние таучегпюстн проблемы. С возникновением водохозя^т-венной деятельности.ведется планомерное изучен;: и оценка водных ресурсов.. Оргаштзации Госког.ячщромёта СССР издают гидрологические ежегодники и материалы наблидешй за .водными ре<.„ осами. Впервые водки!-! кадастр бкл подготовлен в период. 1933-1940-гг. Государст-венныл гидрологически.! :п1ститутом з виде систематизированных сведений о водных ресурсах страны, обобщающий все имеющиеся к тому времени материалы гидрологических наблюдений. ..

Само понятие водные ресурсы ..появилось в то время, когда водные объекты стали активно вовлекать в хозяйственную деятельность

человека. По коре интенсификации этой деятельности понятие "водные ресурсы" уточнялось и детализировалось в зависимости от усложнения традиционных задач водного хозяйства и возникновения новых. .Этим вопросам посвящены исследования А.Б.Авакяна, СЛ.Венгрова, В.С.Вуглинского, Н.И.Коронкевича, И.А.Шикломанова и др. Так, на-• пример, 1.С.Вендров понятие водные ресурсы определяет как "природные воды, которые с учетом долговременных задач в области ох' раны природы используются в заданных хозяйс. ^нных целях на сегодняшний день, а такяе могут быть использованы в обозримой, перспективе". В.С.Вуглинский предлагает два понятия для оценки водных ресурсов водохранилища: I) под текущими водными ресурсами водохранилища им понимается средний объем воды в- его чгше за расчетный интервал времени; 2) нормативные водйые ресурсы водохранилища соответствуют объему воды в его чале при отметке НПУ. Б.В.Гайлюшис под располагаемыми водными ресурсами понимает разницу мегду годовым стоком 35% обеспеченности и шйшмачЬными необходимыми расходами, оставляемыми в русле реял в качестве неприкосновенного запаса, для поддерлсашхя околопгческого равновесия водной среды. Пр •хозяйственном использовании. подземного стока ваянув роль играют ' сплуатационные ресурсы подземных вод, под которыш понижается то количество подземных вод; которое мо.-ет быть получено рацкопаль-нымп в технико-экономическом отношении водозаборнпмн сооружениями при заданном режиме эксплуатации п при качестве воды, удовле' аоряющем.требованиям в течение всега- расчетного срока потреблен] •Методическим вопросам оценки эксплуатационных ресурсов подзеглгк вод н их взаимосвязи.с.поверхност1ш:.та "посвящены работы Ф.М.Боче ра, Н.Н.Бицдемана, И.К.Гавич, И.С.2ёкцера, Б.И.Куделпна, Е.Л.Ш:

кипа, С.М.Семоновой_Ерофеевой, В.М.Шестакова, Л.С.Язвина и др. 3 этих работах рассматриваются не только сами водные ресурсы, но ;1 возможности их использования. Однако предлагав: о подходы спра- . зедливы только в условиях изолировашых друг от друга водных объектов и водохозяйственных установок. На территориях с интенсивной созяйственной деятельностью водохозяйственные установки, как пра-зило, связаны ме.тду собой Гидравлически и регж.юм работы водозаборных сооружений. А ото означает, что возмолашсть забора воды в' <аддом отдельном мосте зависит от распределения водных ресурсов, ю.тду отдельными пунктами водопользования в общей водохозяйственной системе. В этом случае при одних и тех .?.е значениях водных рейсов потенциальные возможности их использована могут существен-ю отличаться в зависимости от их распределена в речном'и.артези-п;ском бассейнах мезду основными nyiiKTai.ni водопользования/от струк-:урц водопотреблсннл, т.е. доливодопользователей и водопо.тйебпте- . [ей, возвратного и безвозвратного водопотребления• и т.д. [оэтому для решения поставленной задачи в данной работе потенциал! [ые возможности использования ресурсов поверхностны- и подземных юд оцениваются совместно в местах, водопользования на основе во-;охозяйственкых балансов, гидрогеологических расчете при опти-;алышх правшах управлешл. реамами. водохранилищ, речных и сква-зшных водозаборов.

Цель исследований состоит в разработке гидрологических пршщи-ов оцени: потенциальных возможностей использования ресурсов по-орхностных и подземных вод с учетом существующей или планируемой труктуры водопотребления п требований охраны природы. В связи с оставленной целью нушю бшго рещпть • слрдудщпо задачи:

'I.- .ровести комплексные исследования взаимодействия природных и техногенных процессов в разных физико-географических условиях для выявления основных факторов их определяющих;

2. на основе проведенного анализа разработать принципы совмест ного.управления водными ресурсами речного и подземного стока;

3. в связи с оценкой потенциальных возможностей использования водных.ресурсов разработать методику обоснования водоохранных мероприятий при поступлении возвратных вод в общую речную сеть;

4. в связи с решением этой задачи уточк ?ь представления о закономерностях турбулентного массопереноса в речных потоках;

5. исследовать противоречия мезду интересами различных водопол зователей и требованиями охраны природы, возникающие при комплексном использовании видных ресурсов и применить методы их увязки

в решении поставленной задачи;

6. разработать методические принципы оценки экологического потенциала водных ресурсов на территориях с интенсивной хозяйственной деятельностью в виде блок-схемы расчетов с программным обеспечением.

Исходные материалы и методы исследований. Исходными материалами для работы послугшщ архивные данные институтов Севкавгипровол ' хоз, Ккпщрозодхоз, Генпланов ГлавАИУ Мособлисполкома,- а также, материалы кафедры ■ гидрогеологии и Проблемной лаборатории охраны геологической среды ЦЕЛОГО) Гдалогического факультета МГУ, кафедр гидрологии суши и комплексной эрозионно-русловой экспедиции Геог-.рафического факультета МГУ; щюектные и эксплуатационные материалы Гидропроекта и ВНИИ Энергетики по технико-экономическим показателям Вилюйской и Киевской ГЭС; техшжо-экономические показате-

— о — ■

ли водоохранных мероприятий, разработанные во Всесоюзном научно-' исследовательском институте водной охрани (ВНИИЗО) г. Харькова. ■' В качестве исходной информации о. водоотвсдсппп и качестве сбраск-. ваемых вод использованы ежегодные данные бассе;'"ювых гидрохимических лабораторий Московско-окского бассейнового управления (МОБТУ). В качестве.исходных данных о стоке использованы ряды гидрологических наблюдений по 34 створам бассейнов рек Северного Кавказа, Московской и Тульской областей.

. Методика исследований основана на сочетаншг Формальных матема—' тпческих методов решения поставленной задачи и неформальных подходов, базтаукгщкся на сравнительном анализе взаимодействия природных и техногеннЬк процессов, протекающих в разных физико-географических условиях. Последнее обстоятельств^ позволило выявить общую стратегию оптимального управления водными-ресурсами речного и подземного стока и значительно упростить решение поставленной . задачи для территорий с гагсенсивной водохозяйственной деятельностью. Методы системного анализа (теории регулирования стога, Имитационного моделирования, статистических испытаний) позволяют г -лучить количественную оценку потенциальных возмог-юстей использования водных ресурсов при принятой стратегии управлеши слолшой ■ водохозяйствешюй системой, .фушсциошфующей в усл~виях случайна: колебайий гидрометеорологических процессов. При моделировании речного стока использовалась теория случайшх ррцейсов. При модели-ровашст гидрогеологических процессов' использовалась программа расчетов на ЕС-1022, составленная во- ВСЕГИНГЕО. Для обоснования во-, доохранных мероприятий в речном бассейне использовался метод множителей Лаграняа ж математическая теория устойчивости движения

применительно к речным потокам. Для обоснования режима работы ГЭС использовались прято методы оптимизации (градиентный и покоординатного спуска). Эти методы расчетов положены в основу имитационного моделирования исследуемых процессов, общие принципы построения: которой представлены в виде блок-схемы вычислительных операций.

Работы велись по плану научных исследований Географического фг кулЪтета, а та>зэ по темам мжнейших исследовательских работ МГУ, по заданиям ГКНТ CCCP 0850C0302HI, 0850Ю60Ш, 0850I0302HI, 00133035. Реализация полученных результатов осуществлялась в рамках хоздоговорных.рабе-.

' Предмет запгитн. - х азработанные автором гидрологические принц пы оценки потенциальных возможностей совместного использования речных и подземных водных ресурсов в зависимости от характера во дохозяйственной деятельности и требований охраны природной среда Разработанные теоретические и методические положения позволили решись 'научную проблему оценки предела эксплуатационных водных ресурсов в районах интенсивного освоения речного и подземного стока при учете ландргфтшх и геологических услозий.

■ Научная' новизна -работы состоит в том,-, что Еыполненные исследования процессов взаимодействия природных, и техногенных- фактор!

позволили впервые разработать принципы оценки экологического по* «

тенцкала водных ресурсов на территориях с интенсивной водохозяйственной деятельностью. . В работе:

•I. -Естественные водные ресурсы рассматриваются как валовой потенциал природного стока, эксплуатационные ресурсы позерхност кых и подземных вод как-технический потенциал водных ресурсов,

предельные значения объемов воды, доступных для эксплуатации в пунктах водопользования, определяемые требованиями охраны природы - как экологический потенциал водных ресурсов.

2. На основе комплексного исследования природных и техногенных _факторов разработаны принципы совместной оценки эксплуатационных . •

ресурсов поверхностных и подземных вод. При атом правила оперативного управления речными и скваяиннымп водозаборами определяются условиями максимального водообеспечения осватаемой территории в ' рамках заданных экологических ограничений.

3. На основе анализа закономерностей переноса и трансформации растворенного вещества в гидрографической сети и особенностей технико-экономических характеристик водоохранных мероприятий разработан простой и эффективный графо-аналитический метод обоснования ограничений на сбросы сточных вод в управляемых источниках, загрязнения, расположенных в общем для них речном бассейне. В основу' определения этих ограничений положены пр:ащигш минимизации суммар-' них затрат па водоохранные мероприятия з речном бассейне* при выполнении нормативов водного законодательства в контрольных створах. . ' '

Я.В связи с решением этой задачи в работе развиты и углублены представления о механизме турбулентного дассопереноса в речных потоках на основе анализа натурных наблюдений в. руслах рек и при- • менения теории устойчивости дзпгешк к изучению различных состояний потоков в естественных водотоках.

5. Разработаны.рекомендации по выбору параметров и регулированию режима работы ГЭС с целью увязки' интересов различных 'участников водохозяйственного комплекса между собой и требованиями охра-

ны природы при оценке эксплуатационных водных ресурсов.

6. На-основе проведенных исследований разработана методика оценки потенциальных возможностей использования водных ресурсов, представленная в работе в виде блок-схемы вычислительных операций - Практическое применение разработанной методики основано как на ре ализации формальных вычислительных процедур, так и на принятии априорных решений, определяемых физико-географическими условиями . ■ конкретного региона.

Практическая значимость результатов и их •реализация. Разработанные принципы управления водными ресурсами и методика расчетоз их предельно допустимых значений позволяют оцешпзать потенциаль-•ные возможности ре^чых и'артезианских бассейнов при существующей -хозяйственной деятельности и при разработке проекто" и схем комплексного использования и охраны водных ресурсов. Это ойстоятельст во имеет важное значение при географической экспертизе водохозяй ственных проектов, Схем комплексного использования и охраны водных ресурсоз на территориях с интенсивным развитием водохозяйственной деятельности..Разработанные принципы управления водными ресурсами найдут^прпгенение .при создании постоянно действующих ■ ■ имитационных моделей функционирования комплекса природных и техногенных факторов на торритор!ЛХ с интенсивной водохозяйственной деятельностью. Наиболее.информативны?.*.способом представления потенциальное возможностей хозяйственного освоения речных и артезианских бассейнов является картографическое отображение предельно Допустимых значений объемов' зоды, ■доступных для использовании з • местах зодопотребленкя, ограничений на сбросы сточных вод для со ' тен источников загрязнения, Стоимостные показатели и другие хара

тор::стз:к11 эксплуатационных водных ресурсов.

Разработанная .методика применялась Севкавгипроводхозом при составлении Схемы комплексного использования и охраны водных ресур^ сов Восточного Предкавказья, о чем имеется акт • :едрения. Методика совместного использования речных и подземных вод приме.....-1шлась при оценке реальных возможностей освоения и охра«ч бассейнов малых рек Московской области, при рассмотрении возможности совместного использования речных и подземных водных ресурсов для оропенк. на территории Кызылсу-Яхусуйской меягорной впадины Южного Таджикистана. Эти работы были отмеченн серебряной (Г.П.Кумси-ешвили) и бронзовой (И.С.Ушакова) медалями ВДНХ.

Графо-аналит:-ческлй метод обоснования ограничений на сбросы сточных вод был использован при разработке рекомендаций по расчету митрально допустимого расхода воды с учетом ее.качества, при »■^основании водоохранных мероприятий бассейнов рек Клязьмы иЛах-.осковской области, Упц Тульской области. Методика уйязки режимов работы ГЗС с интересами неэнергетических водопользователей пр;с.:онсна при обосновании ограничений на режплы работы Киевской и Вилюйской ГЗС." Эти работы напли'применение в ЦБ' Киевэнерго и Ленском БУПе. '

Основные результаты диссертационной работы.вопит в курсы лекций "Гидромеханика и гидравлика", 'Зодохозяйственные расчеты", которые автор читает студентам-гидрологам ка Г ;граф::чееком факульте те МГУ.

Апообапия работы. Результаты исследований докладывались на . ХП конгрессе МАГИ (Токио,1969), научно—технической конференции ВНИИЭ (Москва, 1969), Всесоюзном симпозиуме по современны?,! пробле-

мам самоочищения и регулирования качества вод к (Таллинн,1973; 1975;1972), Всесоюзно:; научно-технической конференции по оптнми-- зацкп режимов ГЭС ::-водохозяйственных систем (1.'оскза,1973), Всесоюзном гидрологическом "съезде (Ленинград, 1976), Мездународных г!"фологическ:к курсах (?.!оскза,1978;1981;1939), Всесоюзно;: конференции "Проблемы вза::моде;:сгвпя общества и природы (I,[ГУ,1979), Международной коисгерс'щпп (Дели,1980), Всесоюзном научно-техническом семинаре "¡,1атемат:гчоскоо моделирование гидрогеологически процессов" (ВСЕГИНГЕ0.Т981), Всесоюзной,конгГ'.орещни "Вопросы охраны окружающей средк" (Пермь ,1981), научно-техническом совещании ."Влияние, горнодобывающей промышленности на геологическую сроду и ее охрана" (Тула,1981), Всесоюзном совещании по подземным водам Востока СССР (Иркутск,1982),"Ломоносовских чтениях" (МГУ, 1979;1984;1985;1989.) 2 др.

Объем паботн. Диссертация состоит из'взеде"ия, шести глав, заключения, списка литературы к четырех приложений. Работа содержи1 240 машинописных страниц текста, 51. иллюстраций и 10 та-•блщ. Список литературы насчитывает 212 наименований.

. ' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосназызазгсг: актуальность решаемой проблем и рассматривается состоянпо. сэ ::зучгш:ост2:е сТорг^лпруется цель ра-~ •боты л излагаэдел мэтоднчзсглчо Бопрсры, научная новизна» практическая значимо ст.~ полу>- результатов,

.- В пя'ттаой гла-ро дается „лолиз требований охраны пр;грол!г, пред-!— являс;,^: г. .сзстодшш водной срадЫо содерглщнхсл в водном законодатель сте а к других нормативны:: до:;ументах с целью представления их в виде соогзотатуЕтг: норзопсет л:-аклгнецпя в иатсматэтес:^-:;

ушашии -задачи, i UUUUJJOiiiLíi, предъявляемые К

стоянию водкой среды, и меры по их выполнению сформулированы в Основах водного законодательства Союза ССР й союзных республик", 1равилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами"¿ постановлениях "О мерах по предотвращению загрязнений .бассейнов зк Волги и Урала многочисленными сточными водами", "О метзах :по охранению и рациональному использованию природных ког.г -ексов озе-1 Байкал" и других государственных документах, направленных на 1учшенио окружающей среды и рациональное водопользование. В нас- ' )ящее время ведутся исследования во ВНИИВО (г.Харьков), ТЛИ (г. шлинн) по созданию небольшого числа индексов, интегрально харак-¡ризующих качество воды. В ЩШИКИВР (г.Минск), ТЛИ (г.Таллинн),' >ТПЭ (г.Вильнюс) разрабатываются требования, предъявляемые к ми-¡мально допустимому расходу, необходимому дш. охраны природы.

В работе не ставилась задача разработки экологических критери-I охраны окружающей среды. Разработка таких критериев - задача :ециали'стов-экологоз и поэтому, ее решение выходит за рамки дан- . й работы. Постановка задачи в диссертации заключаете^ в оценке тенциальных возможностей использования водных ресурсов речных артезианских бассейнов при выполнении нормативов водного зако-дательства я других требований охраны природы, актуальных' для нкретных регионов, путем.включения их в расчетную схему в виде ответствующих неравенств. В первой глазе.приводится математичес-я формулировка поставленной задачи в виде оамкнутой- системыура-:ений . и ограничений в виде неравенств. Эти неравенства вютзча-в себя ограничения на емкости речных водохранилищ, минимально/ пустимые, санитарные и гарантированные,расходы, на нормативы ЦК) сутя/арного загрязнения в контрольных створах ингредиентами

*

растворенного вещества одного и того же лимитирующего -показател вредности (ЛПВ), на' колебания глубин и расходов в нижних бьефах ГЭС, на понижения пьезометрических напоров в эксплуатируемых вс доносных горизонтах .и другие показатели водоохранного назначен:: Зта постановка задач1Г предусматривает совместное использован . поверхностных и подземных вод в единой водохозяйственной систем оптимизацию водоохранных мероприятий, увязку интересов различна • водопользователей между собой и с требованиями охраны природы. Во втопой главе рассматр:пзается оценка эксплуатационных вол ных ресурсов при совместном использовании и регулировании позе]: постного и подземного. стока. Максимальный уровень водообеспечеи осваиваемых территорий можно достичь при совместном использовав и управлении поверхностными и подземными водами в общей водохог ственной-системе, т.е. при работе речных и скзажинных водозабох на общих потребителей. В этом случае наиболее полно реализуете* возможность, управления водная: ресурс&мй. Все -трутне известные собы испсшьзс лния речного.и подземного стока вытекают из тако:

подхода как частные случаи. При этом .регулирование водными-рес?

* *

ми возможно не только путем создания гидротехнических объектов

(водохранилищ, мероприятий по искусственному восполнению -водонс ных горизонтов и т.д.), но.п путем выбора соответствующих реши работы речных л сквааинных водозаборов в общей водохозяйственнс системе. Благодаря этому, повышается как природоохранный, так I дохозяйственный эффекты использования^ подземных вод в единой вс хозяйственной системе. Для иллюстрации этих положений рас-

смотрий несколько условный, но достаточно простой пример, позволя-.-ющий сравнить предложенный здесь подход с традиционной схемой автономного использования подземных и речных- водных ресурсов. На рисунке 1а изображена схема работы скважишшх (круг.оч1самп) и'речных. —^стрелками) водозаборов на изолированнее водопотребителей. На pH- • -сунко 16 изображен график водопотребления подземных вод, cjOTbct-ствуящий запросам изолированных водопотребителей. Форма отого графика для выяснения сути дела не имеет существенного значения, поэтому она может клеть произвольные очертания. — объем годового подземного водоотбора, соответствующий эксплуатационным запаси.! подземного стока. На рисунке 1в изображен расчетный гидрограф и график водоцодачи речной вода также произвольной формы. Водопотреб-ленне, согласно этому рисунку, обеспечивается пут ом- перераспределения во времени части стока в соответствии с графиком водоподачи. С этой целью предусмотрена регулирующая емкость водохратшда объемом У . fiC.y - та часть запросов водопотребителей, .которая обеспечивается без регулирования -речного стока,- Как это след/от из/рисунков 16 п 1в при- автономной схеме использования поверхностных и подзсг.аых волне: ресурсов режимы работы как речных, п скважин-пых- водозаборов однозначно определятся графиками водопотробленпл. При этом сутлиарн::!! годовой объем з'одоотдачп кок из подземных, так. П ловсрхнсстстх ИСТОЧНИКОВ разоп s * ■t^isj:4' PC'

На рисунке 2а-изображена схема совместно.'! раооти речных и'сква-жшпшх водозаборов при обслужпвглпп а.я сбцзго зодопотребителя. *3 этом случае имеется бесчисленное множество, вариантов работы речных и сквкзшгннх водозаборов в рамка: оСцэго графика водопотребления. Из этого многообразия вариантоз необходимо выбрать оптп.галытй-.

» • • '

При максимизации водоотдачи оптимальный вариант предусматривает приоритет речного стока'в покрытии графика водопотреблеиия, а подземные водозаборы используются для компенсации нехватки речного стока в определенные моменты времени. Такая приоритетная последо-, вательность водоподачи обеспечивает шшимум холостых сбросов из водохранкл>ц, а следовательно, максимум водоподачи из них. Схема

• совместного использования речных и подземных вод изображена на ри-.сункЬ 26 и 2в. На.этих рисунках общи!: график водопотреблеиия поду' . чается путем суммирования по осп ординат графиков водоподачи подземных и речных зод, изображенных на рисунках 16 и 1в. Поскольку при переходе от автономной к совместной схеме водоподачи приоритет отдается речному стоту, то в общем балансе водопотреблеиия возрастает доля речных вод* Это особенно хорошо вдщю на графике 2в, где сплошной линией изображен гидрограф 'большей водности, чем расчетный. Благодаря приоритету речного стока, и притоку больней водно-охи, чём расчетный, фактический подземный водоотбор в таком году оказывается меньше /Ч^у^^ ^ И/ . Это уменьшение подземного водоо^бора составляет величину V ЗдесБ> • й V/ ~ прирост .речных вод а общем балансе' водопотреблеиия

• за счет более полного* использования незарегулированной части стока ' при переходе к . совместной схеме водоподачи. Этот прирост на рисунках 26 и 2в определяется как' площадь, ограниченная, очертаниями суммарного рафика водопотреблений, рафика и расчетного гвдро^рафа стока. На рисунке 2в расчетный гидрограф обозначен пунктирной линией, .а сплошная линия изобр&тает один из возможных

• • гидрографов реки в годы большей;, водностью, чем расчетный. В эти годы при изолированной схема водоподйчи избыток притока к- водохра-

— ¿o —

ннлищу, определяемый на рисунке 2в не заштрихованной частью площади графика водопотребления между пунктирной п сплошной линиями г:

• дрографов А V , не используется водопотребителями, а увеличивав 'холостые сбросы из водохранилища. При переходе к совместной схем

• водоподачи .с приоритетом-речному стоку, возрастают заборы воды и водохранилища, что приводит к увеличению частоты его сработок и наполнений и соответственно к уменьшению холостых сбросов' из нет

. на'ветичину/3 V н, как. это вццно из рисунка 2в, к соответствен! уменьшению на эту величину доли подземного стока в общем балансе водопотребления..Подставляя в предыдущее уравнение величину

^п.з. = У**:*. V '

получим баланс суммарного водопотребления при схеме совместного

. использования речных и подземных вод ' -

Поскольку гидрограф стока из года в год меняется случайным'образом,. величины <р. гЛитУ и Л V* явЛяютсй случя1'Ьшг.З! составляют; ми баланса водопотребления. С учетом этих соображений предыдуще уравнение можно переписать для среднемноголетних значений велич

■ -Ь^. - Й^р. + + + V

Из этого соотношения видно, что среднамноголетняя велшпша факт ческого подземного водоотбора ^.^при таком подходе меньше на величину а * й V . Это -обстоятельство имеет немаловажное зг ■ чещге для территорий, на которых вследствие длительного подзем! го водоотбора существует угроза глубокой сработки еш:остных заг сов подземных вод. Для территорий, на которых длительный подзег ный водоотбор в рамках -региональных эксплуатационных запасов ьк

- zu -

приводит к отрицательным последствием для природных условий окружающей среды при таком подходе мояно увеличить уровень водоотдачи из водохранилищ при неизменной'регулирующей емкости поеледню;.' При этом суммарное водопотребление достигает csoei j максимального зна-! чения, тогда когда среднемноголетняя величина фактического подземного водоотбора сделается равной региональным эксплуат^ционшш за-7 пасам подземных водных ресурсов = ^ , если пет других •

ограничений. В этом-случае имеем . ■ ', • '

/ПО.* Wz ' iyn+ ¿ W+-á V+ У

t '

Таким.образом предложенный здесь подход позволяет максимпзиро- '.

/П. , Л V />7ЙХ

вать водообеспечеиие осваиваемой территории1 2* d (£)'£„-b

при совместной работе- речных и еквгшшных boj заборов на общих по/г • /т. ' . требителей s C¿) + Z = sL (¿)-¿/,' ' ■ ¿-г w . • . : . ' .

к при выполнении .требований водного законодательства .па охране ок--

рузапщей среды. . ' • . ' "... •.'/

Здесь &C(,(¿) > /7yr(í) — соответственно релшмк работы /-того речного п J -того скваяпнного водозаборов, обслуживающих л?'-того потребителя; - управляемый параметр, определяющий, уровень во-хопотребле'ния ^ (с) ' C¿); зтратик удельного . зодопотребления . ' п -того потребителя.. Совокупность предельных ¡начешш /Z¿K , /7^." п расходов воды' в' расчетных створах |'беспечивающих максимально допустимый- урове..ь' суммарного'водопот-

sriax . ' * .

юбления- £ при зыполненип требозаяий охраны природы опреде-яет потенциальные возмоглостц■использования водных ресурсов -на' анной территории, т.е. потенциальные возможности водообеспечения

ыраяаются следующей таблицей .значений-/С.„I /J. ¿3 ■

• . , ' \ ' íK/ > íK.

л„Ль-,п«ъ; \

. К?,- А;, КЛ*, >

с « • • * * ( ' * . ' *

&/Т7/) &/Па.,..., &/Г7/г. / 3тг,,• • Опа

В диссертации приводится математическая формул::ровка постааленнс задачи и методические "принципа ее решения. .В качество примера вс . И главе диссертации п оведена оценка эксплуатационник водных ресурсов бассейнов рек пара, Вбря,. Северка, Лопасня, Каширка, в к< торых. в соответствшг со Схемой'обводнения Московской ¿ласти, с ставленной Глав..АДУ Мособлисполкома, предусматривается создание водохранилищ и рост водоотбора.'Основные характеристики проект: мых водохранилищ ориентированы на динамику.развития запросов дс 2000 -г -при традиционной автономной схеме испс .ьзования поверхн< . стнцх и подземных вод'.- Однако проектирование водохозяйственных ' объектов, исхода тблько' из динамики'роста: запросов, в церспект ве монет привести; к дефицитам водных ресурсов и связанных с ш: ' отрицательным последствиям для природной среды соответствую.1;:"-. территорий. Поэтому здесь- оценивался эксплуатационные возмогл ти самих рассматриваем: бассейнов, исхода из определенных ог-

• чении на подземный водоотбор и е;л:ости рогулггоущпх водохранп * ' . * При этом расс;.агр:пзпзтся два способа регулирования: При традп

, онном автономном использовании.рэчнцх и подзг;.аци: вод и при с

местной работе рзчннх. п сквагалшнх водозаборов на общого нот!

теля. Управление водными ресурсами малых рек Московской области ограничено водохранилищами сезонного регулирования, так как они не наносят залетного ущерба речному стоку и прилегающим террито-. риям. Поэтому регулирующая емкость катдого 'отдельного водохранилища не превышает 0,2 V/ , а, двух-водохранилищ в одном бассейне 0,3 И' . Ограничения на подземныйводоотбор определяются-утверж-дешшш эксплуатационными запасами, но но более 0,2 И/ нормы стока речного бассейна.. Опыт показывает, что яри. большей величине' ' подземного водоотбора в условиях достаточно хорошей гпдравличес- • кой связи гидрографической сети и эксплуатируемых' водоносных го- < ризонтов на территории Московской области, наносится существенный' ущерб меженному сто!су кайых рек этого района. На рисунке 3 самые верхние сплошные горизонтальные, отрезки соответствуют нормам сто-1са <2 и характеризует валовой потенциал 'водок ресурсов -рассматриваемых речных. бассейнов. Наклонные. сплогшне линии 'на-этом ¿пеун- ' хе означает, рост запросов водопотребителей врэчшд бассейнах до •' >000 года, а пунктирные и птрих-пушетиршэ горизонтальнее отрез-си *- потенциальные возможности использования речного стока соот-ютственно при автономной и совместной схемах работч речных -и кванинних водозаборов... .' . - • ■' .

После приведения качества воды речного стока в соответствие требованиями водного законодательства эти. уровни водопотребле- . кя следует рассматривать как экологический п<""$вдиал водных рейсов речных•бассейнов.

Из этих графиков следует,.что при автономной схеме водоотдачи сологическпй потенциал в четырех из пяти; бассейнов не удовлетво-:ет запросам водопотребления до 2000 года. Прц переходе,на совестное использование речных и .подземных вод экологический потен-

Рис. О Оценка потенциальных возможностей использования речного стока: . пои-—.совместной схеме водоподачи речных и подземных вод, при- - - автономной схеме,.- росте запросов водопотреби-

•телей,тгггг^ норма стока &

щал значительно возрастает по сравнению с автономной схемой при трочих равных условиях л провмпаот рост запросов до 2000 года. Это шачит, что при переходе на новую технологию использования „одних юсурсов ¡¡при,изменении-структуры водопотребления, схемы водопода-ш, правил управления и т.д.) необходим переоценивать их тохни-[еский и экологический потенциалы, но при этом они "о зависят от ;инамнкп запросов, так как определяются потенциальными возможнос-ями использования водотока на осваиваемой территории. Третья глава посвящена гпдролого-геоградигческому подходу обо-нованкя ограничений на сбросы сточных вод при оценке эксплуата-пошпес водных ресурсов. Предельно допустимые объемы воды, доступно для эксплуатации в мостах водопользования, необходимо оцени-ать с учетом качества воды. Как правило, на территориях интенсив-эй хозяйственной деятельности речныо воды бывают загрязнены и гл-зство их'не соответствует.требованиям основных категорий водополь-эвателей и охраны природы. В этлх условиях сценка эксплуатацион-IX- водных ресурсов должна осуществляться при обосновашгп водоох-пшкх мероприятий. Так как качество вода нор:.т:фустся в контроль-гх створах речного бассейна, возникают задача оценки ограничений источниках загрязнения с целыэ выполнения нормативов водного за-•шдателвства в контрольны:: створа::. Прл сакой системе норм:!рова-гл качества вод»! допус?г.'?;з сброс:; петсгпп:коз гсгрягсстпя-в аб-& для ше: рсчгоП С.юсзГ.п, доллги бпть увязаны :.:о:*яу собой. Без ого усилил: одгпп: Брэдпрг:г;?;:'1 по 'поддорглаигз трзбус:.:ого саилтарно-состояга^-: водотока слодпггся :;а ис? другит:,иорматпз-о качество води в пмгерояыпг: створах либо V.о достигается вооб-, либо достигается с тсопрзгзлошю болт-ппгмл нздерлпеами на водоох-иныо мероприятия. Поэтому. ва~;а определенность в распределешш

ограничений на управляемые источники загрязнения, обеспечивающие экологическое-и санитарное' благополучие общего речного бассейна. Научно .обоснованными могут считаться такие ограбления, при которых нормативное качество вода в контрольных створах достигается при минимальных.суммарных затратах на водоохранные мероприятия- в речном бассейна. В советской и зарубежной дитдратуре имеется множество численных методов решения этой задачи. Автору при некото. рых предположениях удалось получить аналитическое решение, в основе которого лежат уравнения баланса растворенного вещества и определенные соотношения мегду удельными затратами на водоохранные мероприятия и .коэффициентами трансформирующей способности водото-■ ка. Для одного контрольного .створа это решение имеет вид:

у/***

р - Аг/ -

-Г 7 // - . >' »■

(2)

Здесь - коэффициент трансформации растворенного вещества при • его движении от </ - того источника загрязнения до контрольного

- у Г- •

створа; и ¿¿^ - соответственно приведенные и удельные издержки на водоохранные мероприятия, - степень очистки сточных вод: . - относительная концентрация ингредиентов загрязне-

, / Лгу . ^

ния аа<входе очистного сооружения;у^сг/ ~ предельное значение .относительной концентрации ингредиентов' загрязнения в сточных водах на вшсоде у' -того очистного сооружения; •, * - относительные концентрации ингредиентов загрязнения в контрольном створе, соответственно расчетная величина,, заданное ограниче-

нио и фон об о о значение. Выражение (I) определяет, мшпзлум суттартт

затрат, если удельныо издержки растут „ глубиной очист-

ссР.

с

ки сточных вод р. ; в это:.: случао минимум суммарных затрат на

водоохранные мероприятия достигается при таких значениях ограни. огр

чений С /^ст.^ ^ Б управляемых источниках загрязнения, гфи которых выполняются равенству СП» т.е. произведения -оэффициоптов трансформации вещества /2,- на уделыше издержи: должны

принимать одни и те же значения для всех очистных сооружений. При этом- в контрольных створа:': значения концентраций ингредиентов загрязнения, полученные расчетным путем на основе уравнений баланса растворенного вещества (2), но должны превышать предельно допустимых значений. В диссертации это аналитическое решение реализуется графическим способом. Основные трудности здесь связаны с многомерностью задачи, т.о. с большим числом ког ольных створов и источников загрязнения в.речных бассейнах с: интенсивной водохозяйственной деятельностью. Эти трудности в значительной море преодолены в разработанном методе с помощью учета особенносте" переноса и трансформации растворенного вещества з гидрографической сети речного бассейна. Благодаря таким особенностям речного бассейна, как древовидная структура его гидрографической, сети, движение растворенного вещества в одном направлении от водотоков высокого порядка к устью реки, удастся производить расчеты п построения поэтапно на 'отделыпе: уяастксс: речного о'ассэйта, двигаясь ейорху вниз от одного контрольного створа к другому. Балансовый метод расчетов рас-' творошюго вещества позволяет использовать принцип -супорпозгадп: при определении суммарной всличитI загрязнения в контрольном ство-ро от источников, расположенных тпо но течению. При этом вклад

\

каждого источника в суммарное загрязнение определяется индивидуально по объему растворенного вещества в сто^чой воде Данного источника и коэффициенту трансформации этого вещества при двйкении его от места выпу"*а до контрольного створа. Это обстоятельство, в свою очередь, позволяот приводить издержки на водоохранные мероприятия каждого источника загрязнений к соответствующему контрольному створу путем замены переменных в характеристиках затрат.' Зыракение С1). определяющее условие г.шшшума затрат на водоохранные мероприятия, в свою очередь, позволяет путем суперпозиции удельных затрат отдельных источников получить характеристику удель ных суммарных затрат в.контрольном створэ при оптимальном их распределении между всеми вышерасположенными источниками. При этом если в контрольных створах оценивать концентрацию еря,ирного загрязнения по среднему значению в данном сечении потока, то характеристика минимальных суммарных затрат на водоохранные мероприятия выше денного контрольного створа не зависит от загрязнения водотока источниками, расположенными ниже по течению от этого контрольного створа, иными _словами еемокно строить, не принимая во внимание источники загрязнения, расположенные ниже данного.участка реки. Это отйзодь не означает, , что сами оптимальные соотношения на ограничения источников.загрязнение, расположенных выше даиногс контрольного створа, являются независимыми от.ограничений на источники, расположенные ниг.е. по течению. от него. При таком подход«

каздый контрольный створ молно условно считать источником загряз' * г

нения-для всех нижележащих створов со своей характеристикой затрат, на водоохранные мероприятия выперасполояенного участка бассе: '-на'чц-^^•.'б^шгш ограничением на качество воды. Такой "каскадный"

принцип построения характеристик затрат з контрол. лее створах значительно упрощает решение доставление 1 задачи п позволяет определять значения минимальных издержек'на водоохранные мероприятия ^ля любого участка реки. Если на, каком-то участке реки сточные воды от источников загрязнения по объему составляют значительную часть от естественного стока, то даг.е при выполнении нормативов по ПДК в контрольных створах необходимы попуски "свежей" воды из водохранилищ или других водных источников для обеспечения экологического благополучия естественного водотока. Разработанные в диссертанта! методы позволяют принимать оптпмалыше решения не только при назначении ограничений на сбросы сточных вод в источниках загрязнения, но и при оценке санитарных попусков с учетом этих ограничений. Эти метода расчетов били реализовали на прп.:еро бассейнов рек Унн Тульской области, Пахры ir Клязьмы Московской ласте. .

Наиболее информативным способом представления водоохранных мероприятий для сотен источников загрязнения и десятков контрольных створов, распределенных в речном бассейне, является картографическое изображение предельно допустимых сбросоз, нормативных показателей качества воды, пространственное распределение концентрации нн- ' греднентов загрязнения, стоимостных характеристик и др. На рис.4 приведена карта-схема ограничений'на сбросы сточных вод в нсточни-ках загрязнения (по БПК) при минимальных затратах на водоохршпше мероприятия в бассейне pera: Пахры, составленная З.Д.Сурманом по разработанной автором методике. Ка данной карто-схеме диаграммами показаны предельные значения сбросов в водоток органических веществ каздым из источников при минимальных сахарных издержек и фактическое поступление загрязняющих веществ при существующей работе очистных сооружений. Рекомендуемые ограничения на сбросы сточных вод ус-

- 2У

77

ZZZZf

ШЗХ2ХЩ

\

47//; ; ; Á)7V7¡

анавлпваются по минимуму из фактического и расчетного значений ПК, исход* из принципа неухудшения санитарного состояния какого-пбо из участков водотока по сравнения с существующим. Расчетные качения ограничений определяют предельную нагрузку на водоток, эторая еще допустила по санитарным и экологическим нормам. Фак-тческая нагрузка может быть и меньше за счет совершенных тохно->гических процессов, но в любом случае не должна превышать рас->тных значений.

После обоснования водоохранная мероприятий можно говорить об енке эксплуатационных водных ресурсов. В таблице I приведены сплуатационные водные ресурсы в основных створах культурно- бы-вого водопользования бассейна реки Пахры. В этой же таблице прицелы затраты на очистку сточных вод в пунктах водопользования I минимальных суммарных издержках на водоохранные мероприятия.

о

;оответствии с затратами рассчитана себестоимость I м эксилуа-спонных водных ресурсов в каждом пункте водопользования в усло-х интенсивной антропогенной нагрузки.

'Таблица I.

Эксплуатационные водные ресурсы в створах водопользования . и себестоимость I м3 воды

. Название Удален- Эксплуатационные Затраты Себестоимость

)ров водотока ность водные ресурсы на очи- I м^экспл.

створа в створе водо- стку. водных ресур-

от устья, пользования сточных сов, коп/м -,—.—_

КМ. ' ТЫС. млп.м в од, млн.

м3/сут. год руб.год-

2 3 4 5 6 7

Пахра 0 1070. 390 12.7 3.2

— ох -

Продолжение таблицы I

I ' 2 з- 4 "5 б 7 >

2 Родая 20 93 34 . 1.41 4.0

3. Пахра 20 ' 530 353 10.06 2.8 .

4 Пахра 35 900 328. ' 6; 51 2.0

5 Десна 35 191.5 73.0 3.17 ■4.3 ■

6 Моча . 55 120 44 1.17 2.7

7 Пахра 55 562 205 О О/ 1.6

В четвертой главо "исследуется устойчивость различных форм да гения речных потоков э связи с оцо;:.:-.эй водоохранных ограничений В основу расчетов оптимизации водоохранных мероприятий' положены уравнения баланса растворенного вещества, которыо позволяют оце ншзать только сро&пю по сэченгю потока значения концентрации :

I

гряэняющ1=1 ингредиентов. Одаако натурныо. наблюдения на водных > октго: показывают, ^то при'определенных гидрологических режимах (низких,расходах) имеет мзето исключительно замедленный попере ны11 массоперепос5 благодаря которому образуются границы разде; медду. воднымп массами разного состава да~о цри однородной плс стл. Тш:, лапрплэр, пр:- опродеяешщх. гидрологических условиях ница раздела ка-цду водным:: шсссгп Б^и и Катупл а общем русло прослемивается £пзуалы:о с по сгллпгу цутпбетн на поперечника1; сотню кияо:.:егров .от места слияния, Аналопгшыв явления наблю; 1этся при ■слиянии Волгл и Кап:, Днестра :: цравого притока Реу во многих ¿;ругп:-: случае;. Такач ситуация призодит к образова "илей^оз" загряз!1ящ12: веществ, простирающихся вдоль правого

левого берега водотока па многие километры при тс ^пшх береговых выпусках сточных вод. Это обстоятельство может приводить к отрицательным последствия:.! для санитарного п экологического благополучия водотока даю при выполнении нормативных показателей по средним по сечению потока кощентрация?.! растворенного вещества и существенно затрудняет контроль -за качеством води лрп точечных взятиях проб. В связи с о?км в диссертации уточняются общие закономерности турбулентного переноса вещества в естественных щпото-ках путем исследования устойчивости различнее сорм дпиг.спгя речных потоков и на I:х основе оценивается область щетлэтаюсти равнения баланса растворенного вещества в гра^о-аналитаческом методе оптганзацли водоохранных мероприятий:, а также продЛ'Огагзтся рекомендации по выравниванию неоднородности концентрации растворенного вещества по сечеглао потока. Натурные наблюдения и теоретически;' анализ показывает, что при определению: гидрологических режимах кмеот место устой'плше состояния равновесия плавно изко::я:-гщ::хся потоков, не осложненных вторичными течениями. В-этом случае линии тока усредненных по времени скоростей близки к параллельным, а процессы поперечного массонереноса протекают весьма с низко}' Ш1-тенсивностыо, поэтому при наличии такие явлений водосборы очистных сооружений необходимо снабжать .рарсеква'ощими устройствами.

3 пятой главе рассмотрены пргащнш увязки.интересов различиях юдопользозателей и охраш природа при оценке эксплуатационно водное ресурсов. В основном это достигается путем назначения гарапти-ованных глубин н расходов, санитарных попусков, тяшимашю допус-:плнх расходов. Однако увязка интересов гидроэнергетики с другими эдопользоватолями должна предусматривать ограничения как на пара-тры ГЭС, так и на режилы ее работы. Гидроэнергетика в плане при-

- ¿О -

оритетов водообеспечения на должна играть . главенствующую роль. Тем не менее распределение водных ресурсов между участниками водохозяйственного комплекса п режимы их использования не должны приводить к нарушению энергоснабжения городов и населенных пунктов. Особенно жесткие ограничения на режимы работы ГЭС накладывают такие вододользоватали как водный транспорт* рыбное хозяйство, коммунальное хозяйство, рекреация, требования которых выражаются в ог- .' раничениях на изменения глубин и расходов в нижних бьефах ГЭС. В диссертации разработана методика обоснования ограничений на режимы работы ГЭС в условиях водноэнергетического использования речного бассейна, определяемого требованиями неэнергетических водопользователей и охраны природы. В основу такого подхода положена оптимиза- ' ция режима работы ГЭС при ограничениях на изменения уровня воды в русле реки, расположенном ниже по течению от плотины. Таким путем были рассчитаны режимы работы Киевский ГЭС при ограничениях на колебания уровней в створе города Киева, разработаны рекомендации по осуществлению попусков из водохранилища Вилюйской ГЭС в интересах водного транспорта по реке Вилюй в навигационные периоды.

В шестой главе приводится.блок-схема расчетов эксплуатационных водных ресурсов и примеры ее практического применения. Для оценки эксплуатационных водных ресурсов, потенциальных возможностей использования местного стока, а также для решения других задач ра-циональногоЕОдопользованипЦеобходима разработка постоянно действующих имитационных моделей функционирования природных и техногенных объектов в-масштабах" речных и артезианских бассейнов. Такие моде-, ли должны состоять из взаимодействую!^ между собой блоков, описывающих гидрологические, гидрогеологические процессы, водохозяйст-'

¡пшо балансы, баланс растворенного вещества при сбросах сточных д, режимы работы гидро электро станций и т.д. годика режепил от:пс задач на постоязшо действующих нмитациошпгс ^елях заключается в отыскании опт;:маяыш:-: роиен"!; на ига.-оство ^ернатзгзных репений путем многоварианпгих расчетов при разлет: ::омб;:нацпях распределения водных ресурсов матду основными во-шьзозателями в соответствии с достижением их предельно воэмож-о уровня пр:: выполнении соответствующе тс.чнико-экономнчос:сих р'лродоохраппы:: ограничений. Пугем сер;-.:: таких расчетов можно Злнзпться в той или иной стелепп г. опт::мальнсму ресенга зала-ксполъзуя как £ормальш;е опт;г.п:зсы:!о;п:!;о процедуры, тал: и поильные подходы, основанные на изучена: техногенных и природных [ессоз на.территории:, подвержен:::::: интенсивной хозяНствекноИ ельностн. Блок-схема методики расчетоз изображена на рисунке начало задастая некоторым уровне:.: запросов водопотробзгтелоП = Z£ * К0"°Р°'1 осуществляются расчеты регулирования ро-~> стоил по определенны.! правилам с помощью уравнений водохоленного баланса. Б первом приближении потери речного стока фгдтдпзггп п водспссшю горизонт!: пр:: стто'стко пи cmkocthicc :сз 'пр:л::':.:г"л"сл разшггл гг/гЬ. О » На з::од птп;:-уравнен::": ■iai ?zz::i zz':zzzzz::.:oto nr5:v;c-:T. :: с.сс,-.2с;-с1зугщгл водо-лппг::. ::а рзж:.".:: р-'.о^п ::озор::ност:па зо-

эроэ /v Л'--' , зар;гул::т;оза'::п:з расход": з русло рзкл Q > ■7VU рэчного стзгл ::r; (7.уп;:дил '0 псмогса последшг:

?аотсл статпстпчсскзя частота огсутссзгя изреоооэ у водопо-•елей н водополглопатеяей . Если р.

¡J ^ ^ , то слэдуог угглглзя:» урезонь запросов во-

допотребления на величину +/3 , пока хотя б'- одно из этих неравенств не изменит знак иа обратный. Имея дефициты речного стока как функции времени и максимальную годовую величшгу подземного во-доотбора IV * , необходимую для компенсации этих дефицитов, можно рассчитать дебиты скважинных водозаборов как функции времени • Л (/с) . Может оказаться, что при заданном расположении и производительности скважинных водозаборов ко удается компенсировать дефициты речного стока у некоторой части водопотребителей и водополь-зовагелей, т.е. МУ < Р. , ■< Р

Л* П £ ' О '

В этом случае необходимо внести соответствуйте изменения в расположенные по территории водозаборы подземных вод. Однако, если и после этого не удастся ликвидировать дефицит речного стока у части потребителей, необходимо уменьшить запросы водопотребления на ветчину —4 , с такс.! расчетом, чтобы частота отсутствт перо-5оев у всех водопользователей и водопотребителей соответствовала рас-етной обеспеченности. Зная дебит скважинных водозаборов как функ-ию времени,можно рассчитать с помощью.соответствующих уравнений онижения пьезометрических напоров з эксплуатируемых водоносшос эризонтах Н(*г) и потерн речного стока на инфильтрацию С*?! ■ ;ли эти потери имеют существенное значение, то необходимо' повто-'™ь рассмотренную выше последовательность вычислительных операций

учетом потерь речного стока на инфильтрацию, полученную в предн-щей итерации, пока итерационный процесс не сойдется, т.е. тем проверяются ограничения на понг-жение пьезометрических напо-з Н-^Н . Если же это неравенство не-выполняется, необходи-ухеныгить уровень запросоз водопотребителей на величину-//. Используя полученные в работе' оптимальные соотношения между гид-

рологическими характеристикам естественных водотоков и технико-экономическими показателями очкст!!ых сооружений, мохно мшашзиро-вать суммарные затраты на водоохранные мероприя1 я при совместном использовании речных л подземных вод. Если же расчетные издержки окажутся неприемлемы ..л экономически.: соображениям, т.е. гтпЗ 3>// , то необходгало соответственно уменьшить уровень запросов водопотребленкя на величину - А .

На следующем этапе расчетов проверяется выполнение баланса. электрических мощностей в энергетической системе 2-2ЭС-2 У-О и ограничений :;а колебания глубин в нижнем бьефе ГЭС сС -¿А^гуд при оптимизации режимов се работы и совместном использовашш реч • них и подземных вод. Б случае нарушения одного из этих ограничен принимаются меры по устранению этого нарушения либо, если этих мер недостаточно, уменьшаются запросы водопотребителей на велкч: , с таким расчетом, чтобы реяим работы ГЭС оказался внут области допустимых решений. Если в результате проведения рассмс реннрй здесь последовательности вычислительных операций выяснит что ни одно из 'ограничений но было нарушено, т.е. то следует увеличить запросы водопотребителей на величину и повторить указанную последовательность расчетов при новом су марном уровне водопотребдения. Совокупность предельных значеш уровней водопотребленкя в пунктах водопользования определяет : логический потенциал-ресурсов поверхностных и подземных вод н данной'территории.

В диссертации приводятся многовариантные расчеты регулир ния речних и подземных вод на имитационной модели водохозяйс: .'ной системы Терско-Кутлского региона. На этой территории с ца

расширения площадей орошения и увеличения норестс ->го транзита рассматривались варианты создания регулируквдсх водохранилищ на Тереке и его притоках от одного до четырех с полезной емкостью от 0,59 км3 до 1,7 км3. В таблице 2 представлены результаты многовариантных расчетов по количественной оценке технического и зклгогичес-кого потенциалов речных гг подземных водных ресурсов Терско-Кумско-го меддуречья.

Табл-ца 2.

Регулиру- Схема не- Водопотребленне, км3/год

ющая ем- пользования ---

кость во- ".¡оверхност- Поверх- Подзем- Нерес- Суммарное дохр. км ных и под- ностный ный• товый

земных вод сток сток тран-_зит

Технически! потен-штял 1.70 автономная 8.00 1.90 2.64 12.54

Экологический потенциал 0.59 0.59 автономная совместная 6.Е0 7.50 0.85 0.85. 2.64 3.54" 10.29 11.09

Данные по подземным водам,приведенные в таблице 2, получены на основании гидрогеологических расчетов, осуществленных сотрудниками ПЛОГС под руководством С.М.Семеновой-Крофеевой. Как видно из этой таблицы экологический 'потенциал подземного стока -3.85 км3/год значительно меныпе технического - 1.9 км3/год. Зто збъясняется опасностью засоления зодоносных горизонтов и ухудае-п:ем условий пастбищного скотозодства в Ногайской степи при отбо->е подземных зод в объеме технического потенциала. С экологичес-:ой и социальной точек зрения приемлемым решением задачи регулирования стока является вариант с однш Терско-Малкинским водохрани-

о

лищем с полезной емкостью 0.59 км' . Б этом варианте при переходе на схему совместного""использования речных и подземных вод объем

о

ирригационного водопотребленпя увеличивается и: 0.7 км /год, нерестовый транзит - на 0.9 км^/год, а суммарное водопотребление -на 1Ъ% без ущерба да.. природное условий окружающей среды. Таким образом согласно таблице 2 технический потенциал водных ресурсов выражается "вектором" (8; 1.9; 2.64), экологический потенциал при автономной схеме (6.8; 0.85; 2.64) , а при совместной - (7.5; 0.85 3.54). Качество воды речного стока на этой территории соответствует требованиям сельскохозяйственного производства, а подземного - нормам питьевого водоснабжения.

В зпклпчбник сформулированы основные результаты работы, которые представляют предают защиты:

1. На основании выполненных исследований разработаны основные принципы оценки потенциальных возможностей использования ресурсов поверхностных и подземных вод на территориях с интенсивной водохозяйственной деятельностью.

2. В основе этих принципов ле~ат следующие положения: а) на 'территориях с интенсивной хозяйственной деятельностью ресурсы поверхностных и подземных вод'должны оцениваться совместно в тех . местах, где они используются. При этом возможность забора воды- в -дсаздом пункте водопользования оценивается с учетом баланса водны ресурсов всех остальных, связанных меяду собой .гидравлически или режимом водопЗтребления; б) потенциальные возможности использовг ния водных ресурсов 'определяются не только их естественным стокс но и способами их освоения, структурой водохозяйственного комшп са, экологической защищенностью территории; в) использование и охрана водных ресурсов определяются нормативами водного законо-

• :г-::?!< страны, а такйе лшдоафишмп условияш осваива

с?ли территорий; г) правила управления водными посурсами в местах водопользования должны обеспечивать пределышй суммарный уровень возможного водопотреблешш при выполнении требований охраны природы. . '

3. Для оценки потенциальных возможностей рационального водопользования в работе введено понятие эксплуатационных ресурсов поверхностных и подземных вод как совокупности определяемых за расчетные интервалы времени объемов воды, доступных для эксплуатации • в местах водопользования рациональным в технико-экономическом от-•ношении способом. Предельные значения составляющих этой совокупности, определяемые требованиями охраны природ;, характеризуют потенциальные возможности хозяйственного использования водных объектов на этой территории.

Тагам образом в данной работе естественные водаше ресурсы рассматриваются как валовой потешиал природного стока, эксплуатационные ресурсы поверхностных и подземных вод как технический потенциал водных ресурсов, а потсшшалыше возможности рационального водопользования - как экологический потенциал природных вод.

4. Наиболее полно возможности управления эксплуатацией водных >есурсоз можно реализовать при совместном использовании поверхно-тных и подземных вод в единой водохозяйственной системе. Только ри таком подходе можно достичь- наибольшего уровня водообеспече-ия осваиваемой территории при прочих равных условиях. Остальные звестные способы использования речных и подземных водных ресурсов ггекают из указанного как частные случаи. В связи с этим в дис-¡ртации разработаны принципы оценки водных ресурсов при совместил использовали!! речного и подземного стока.

5* Оценка вод1л... ресурсов дсишга включать учет ¡качества води. Как правило, нг .еррпторнях с интенсивной хозяйственной деятельностью качест*.-о воды речного стока не удовлетворяет нормативам водного законодательства 3 атом случае оценка экологического потенциала должна осуществляться при обосновании водоохранных мероприятий. С это]1, целью в диссертации разработан'простой и эффективный графо-аиалктический мотод обоснования ограничений на сбросы сточных вод в речном бассейне при минимальных суммарных затратах па водоохранные мероприятия. В его основу положены уравнения баланса растворенного вещества и оптимальные соотношения между трансформирующей способностью водотока и удельными затратами на водоохранные мероприятия.

6. При точечных береговых выпусках могут образовываться "шлейфы" сточных вод, простирающиеся на десятки километров вдоль соответствующего берега, что отрицательно влияет на экологию речного потока даже при вннолненга; корматтаов для средних по водному сече ншз показателей.качества вода. В связи с этим в диссертации разрг ботана методика оценю: устойчивости такого рода режимов течения, которая может найти применение при обосновании параметров очистных сооружений и их рассеивающихся выпусков.

7. Разработаны рекомендации по оценке параметров и регулйрова ншо режима работы ГЭС с целью увязки интересов различных участи ков водохозяйственного комплекса между собой и с требованиями о> раны природы при оценке эксплуатационных водных ресурсов.

8. На основе решения перечисленных выше задач разработана ме1 дика оценки потенциальных возможностей рационального водопользо пия. Схема расчетов строится по модульному принципу, позволяйте использовать различные расчетные.блоки в зависимости от конкрет

- ли -

условий водохозяйственного комплекса. Блок-схема расчетов составлена из отдельных блоков: гидрологического, гидрогеологического, водноэнергетического,-качества воды, баланса водных ресурсов и растворенного вещества. Реализация разработанной методики осуществлялась, на примере Московского региопа и Восточного Предкавказья.

9. В целом разработанная методика расчетов позволяет конструировать постоянно действующие имитационные модели функционирования природных и техногенных процессов в разных физико-географических условиях с целью оценки потенциальных возможностей использования местных водных ресурсов и решения задач рационального контроля и управления водообеспечонием на территориях с интенсивной водохозяйственной деятельностью.

Основные положения диссертанта опубликованы в следующих работах:

1. Оптимальный режим ГЭС при наличии ограничеш1й по колебаниям уровня вдоль нижнего бьефа. Труды ВНШ\т.20Д. ,1969,с,188-200 ^соавтор Н.А.Картвелишвили).

2. Увязка режимов ГЭС с требованиями незнергетических водопользователей. Материалы научно-технической конференции, ВНШЭ,М., [969,с.9-12 (соавторы Б.М.Полтавский, Н.А.Картвелишвкли).

3. Расчеты суточных режимов Киевской ГЭС при ограничениях на амплитуда воды в нижнем бьефе.'Труды Е:ШГ,т.92,Л. ,1970,с.317-324 'соазторы Б.М.Полтавский, Н.Л.Картвелишвили).

4. Устойчивость течений и критерии их оценки. Труды БНИИГ,т.99,_ :.,1972 (соавтор Н.А.КарТЕелишвили).

5. Вывод одномерных уравнений движения дЬухкомпактной жидкости. Юдные ресурсы,.1« 6гГЛ-,1973,с. 127-135 (соавтор О.Н.Еременко).

6. Принципы математического моделирования перемешивания водных :асс. Материалы 17 Всесоюзного симпозиума по современным пробле-

май самоочищения п "регулирования качества води. Таллинн,1973, с.10-14 (соавтор Н.А.Картвелкит или).

7. К вопросу об оптимальном управлении распределением водны:

ресурсов в нижних оьефах водохранилищ. Водные ресурсы В 5,1,1.,

1973, с. 148-150 (соавторы Г.В.Цыцарин, И.В.Орлов).

/

8. Некоторые подходы к задачам оптимизации водоохрашщх мер пркятий. Водные ресурсы й 6,Ы.,1974,с.104-П2 (соавтор И.В^Орл

9. Качество природных вод и проблема турбулентности. В сб.: Взаимодействие поверхностного и подземного стока,вып.2,

с.88-89 (соавтор Н.А.Картвелишвгли). •

10. Оптимальное распроделвтр ресурсов при осуществлении во радаых мероприятий. В сб.: Проблемы охраны вод, вып.ПДарько 1975,с.201-20Р (соавтор Н.Д.Родзиллер).

11. Устойчивость безволпового точения в каналах и роках с з том оццуляций'. В сб.: Взаимодействие поверхностного и подземз стока.вып.З,МГУ,197$,с.135-143. -

12. Исследование взаимодействии поверхностного и подземног ка..Труды ВСЕГШШ),шш.114,М.,1977,с.4-13 (соавтор С.Н.Семе

13. Сетевая модель многолетнего регулирования стока Тсречг речной, системы." Деп.,ВИНИТИ Уг 2577/77 от 28.У1.77,с.67-74 ((

. торы Н.Е.Кошелева,Н.А.Назаров).

14. Возможность'привлечения подземных вод для покрытия д© водопотреблйния -1 засушливых районах. Комплексное использов охрана водных ресурсов,вып.10,М.,1978,с.12-20 (соавторы Л.2 С.М.Семенова-Ерофеева).

15. Управление качеством природных вод. В сб.: Гидрологш т.З.М. ,ВЖШ1,1978,0.164-222 (соавтор Ы.В.Аппель).

16. Устойчивость движения природных вод при нал"чки вотра и процессы перемешивания а реках п водоемах. В сб.: Взаимодействие) поверхностного и подземного стока,вил.5,МГУ,1979,сЛ53-164.

17. Исследование процесса смешения вод рек Вазузы и Волги. В сб.: Комплексное исследований водохранилищ,вып.5,МГУ,1980,с.93-124 (соавторы М.Г.Ершова, К.К.Эделызтейн).

18. Вероятностные методы в практике гидроэнергетических и водо-' хозяйственных расчетов. Гидротехническое строительство, # 10,1.1., 1980,с.62-65 (соавтор С.М.Зенович).

19. Регулирование стока л охрана природных вод, МГУ,1980,с.135.

20. Регулирование поверхностных п подземных вод при их хозяйственном использовании (на примере бассейна Терека), Водные ресурсы, В 1,М.,1981,с.56-63 (соавторы АЛ1.Клюкв:ш,С.?.5.Семенова-Ерофеева).

21. Об оценке эффективности использования п охраны подземных вод. 3 сб.: Всесоюзное совещание по подземным водам востока СССР (тезисы доклада),Иркутск,1982,с.79.

22. Гидрологическое обоснованно модели регулирования'стока р. Терек. В сб.: Водные ресурсы бассейна р. Терок и их использование, РостоБ-наг-Дону,1983,с.51-60 (соавторы Н,Е.Коселева,ВЛ.Окдловская).

23. Некоторые результаты расчета совместного регулирования речных и подземных вод в бассейне р. Терек. В сб.: Воднне ресурсы бассейна р. Терек и их использование, Ростов-на-Дону,1983,с.60-71, (соавторы С.М.Семенова-Ерофеева, Г.Д.Раткович).

24. Совместное использование и обработка гидрологической н гидрогеологической информации для региональной оценки эксплуатационных ресурсов подземных вод. В сб.: Методы анализа и обработки гидрогеологических данных для прогноза ресурсов подземных вод, Тал- '

Линн,1984,с.32-97 {соавтора Н.Н.Фрейдина,Л.Г.Померанцева).

25. Основныо нр;пгц:н1н совместного регулирования поверхностных и подземных вод'Московского региона. В сб.: Екзнь Земли,МГУ,1986, ■ с.24-27 (соавторы Ч.С.Ушакова,Л.ЭЛеви).

26. Влияние устойчивости некоторых форм движения речного потока на русловые процессы. Тезисы доклада на 1У Всесоюзной конференции. Закономерности проявления эрозионных п русловых процессов в различных природных условиях,МГУ,1987,с.232-233.

27. Регулирование водных ресурсов с учетом требований охраны природы. Бшло.тень ШШ,сер.Гоологкя,т.62,вып.2,М.,1987,с.142-150 (соавтор И.С.Усакова).

28. Принципы совместного использования подзешшх и поверхностны* вод на орошение. В сб.: Состояние п nepcneicrimn использования подземных вод душ орошения. Ы.,1988,с.63-68 (соавтора С.М.Семенова-Ерофеева, И.С.Ушакова).

29. Оценка ресурсов подземных вод при совместном их использован с речнши водами в единой водохозяйственной системе мекгорной долины.-В сб.: Состоянио и перспективы использования подземньк вод для.орошения, Н.,1988,с.76-64 (соавторы Р.М.Шшшш, Е.И.Харптон< ва). 1 '

30. Графо-аналитический метод оптимизации водоохрашшх меропр;: Tiiii в бассейно роки. Водные ресурсы, К 2,М. ,I988,c.I6I-I65,