Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Совместное использование поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Совместное использование поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения"



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

Юй Фулян

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

(на примере Волжского источника водоснабжения Москвы)

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор АЛ.ВЕЛИКАНОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.Ш.РЕЗНИКОВСКИЙ кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Н.ПАХМЕТЪЕВА

Ведущая организация - МосводоканалНИИпроект

Защита диссертации состоится -22- декабря 1995 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.003.37.01 в Институте водных проблем РАН по адресу:

107078, Москва, ул. Новая Басманная 10, а/я 524

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН

Автореферат разослан "16" ноября 1995 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук,

профессор В' С Залстасв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время в проблеме водообеспечения народного хозяйства отчетливо проявились две важные особенности. С одной стороны, чем выше уровень цивилизации, тем выше должна быть надежность удовлетворения народного хозяйства водой. С другой стороны, существующие методы повышения надежности водоснабжения, в частности, строительство новых водохранилищ и межбассейновое перераспределение водных ресурсов во многих случаях оказываются экологически неприемлемыми. Существенные экологические проблемы возникают и при интенсивном использовании подземных вод.

Как показывают теоретические исследования, а также имеющиеся практические результаты, наиболее эффективно и вместе с тем с наименьшим экологическим риском проблема повышения надежности водоснабжения народного хозяйства и, в частности, водоснабжения крупных городских агломераций может быть решена путем совместного управления ресурсами поверхностных и подземных вод. При этом оба источника вод1£ых ресурсов рассматриваются не как альтернативные, а как взаимодополняющие в маловодные периоды, обусловленные естественными колебаниями водных ресурсов.

Диссертационная работа посвящена именно решению проблемы рационального сочетания ресурсов поверхностных и подземных вод для повышения надежности водообеспечения Москвы и этим определяется ее актуальность.

Цель исследования состоит в разработке методических подходов к решению поставленной задачи, в адаптации существующих имитационных моделей для реализации разработанных приемов решения задачи, а также в проведении имитационных экспериментов по совместному использованию поверхностных и подземных вод для нахождения решения поставленной задачи на примере Волжского источника водоснабжышя Москвы, в дальнейшем именуемого Верхневдлжской водохозяйствешюй системой.

Научная мопизна и личный вклал автора:

— впервые использована имитационная модель для управления работой водохозяйственной системы (ВХС) в маловодных условиях, выходящих за пределы расчетной обеспеченно'сти;

— разработаны правила управления работой водохранилищ для условий совместного использования поверхностных и подземных вод в маловодные периоды;

— исследованы закономерности уровенного режима подземных вод при их использовании для компенсации дефицита отдачи водохозяйственной системы на конкретном примере Конаковского месторождения;

— показана возможность повышения гарантированной отдачи Верхневолжской водохозяйственной системы при использовании подземных вод для компенсации дефицита отдачи этой системы.

Практическое значение. Диссертация направлена на решение практической задачи повышения надежности водоснабжения Москвы. В ней даются .рекомендации по управлению Верхневолжской водохозяйственной системой для указашюго совместного использования двух источников водных ресурсов. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для решения поставленной задачи. Разработки автора использовались при выполнении договорной работы с акционерным обществом "Московский комитет по науке и технологиям" по повышению надежности водоснабжения Москвы за счет совместного использования поверхностных и подземных вод. Некоторые результаты диссертации были использованы при выполнении исследований лаборатории проблем управления водными ресурсами ИВП РАН по управлению водными ресурсами в условиях иестационарности и неопределенности.

Апробация рабагы и публикации. Результаты исследований обсуждались па семинарах лаборатории проблем управления водными ресурсами и лаборатории пропит режима подземных вод Института водных проблем РАН, а также были доложены на международном симпозиуме "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами", Москва, 1995.

•Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в двух работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 145 страниц, 16 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 110 наимснова}шй на русском и иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, поставлены основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе излагаются некоторые общие вопросы рационального использования водных ресурсов. Эта глава написана по результатам изучения и обобщения имеющихся публикаций и исследований, выполненных, главным образом, в ИВП РАН, и носит обзорный характер.

Как показали многочисленные исследования в основе решения многих современных водных проблем, в том числе и проблемы повышения надежности водоснабжения народного хозяйства, лежит изучение и установление закономерностей режима поверхностных и подземных вод и разработка методов управления ими.

В основе современных представлений о закономерностях режима поверхностных вод лежит гипотеза о вероятностном характере колебаний речного стока. Естественные колебания речного стока приводят к неравномерности отдачи водохозяйственных систем, изменение которой достигается путем регулирования речного стока водохранилищами. Однако и при наличии водохранилищ колебания отдачи сохраняют вероятностный характер, и для каждой водохозяйственной системы существует зависимость между отдачей, ее надежностью и регулирующей емкостью водохранилища.

Теория регулирования речного стока, разработанная в Советском Союзе главным образом трудами С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля, Г. А. Алексеева, В. Г. Андреянова, А. Е. Асарина, Г. Н. Бровковича, А. Л. Великанова, И. П. Дружинина, В. П. Захарова, П. А. Ефимовича, Г. П. Иванова, Н. А. Картвелишвили, Д. В. Коренистова, М. В. Потапова, Д. Я. Ратковича, А. Ш. Резниковского, С. И. Рыбкина, А. Д. Саваренского, Г. Г. Сванидзе, Ш. Ч. Чоюша и других специалистов, позволяет установить эту зависимость в обобщенном ввде или определить ее для конкретных водохозяйственных систем.

Указанная зависимость является гвдролого-водохозяйствениой основой для оценки эффективности и определения параметров водохозяйственных систем. Однако величина гарантированной отдачи системы, определенная с помощью указанной зависимости, должна рассматриваться только как се теоретически возможное значение, которое может быть получено при полном знании притока воды к водохранилищу на весь период регулирования стока. На практике такое предвидение стока

осуществить невозможно. Поэтому необходимо разрабатывать такие правила управления режимом работы водохранилищ, которые позволили бы максимально приблизить отдачу водохозяйственной системы к ее теоретическому значению.

Разработка правил управления режимом работы водохранилищ является одним из важнейших разделов теории регулирования речного стока. По мере усложнения водохозяйственных систем, усиления их связи с другими народнохозяйственными системами стало очевидным, что решение проблемы управления водными ресурсами вообще и водохозяйственными системами, в частности, невозможно без привлечения методов математического моделирования и программирования. Развитие этого научного направления связано с именами Г. А. Агасанояна, А. Ю. Александровского, И. В. Бусалаева, А. Л. Великанова, Г. В. Воропаева, С. Б. Елаховского, Г. X. Исмайылова, О. П. Кисарова. В. Г. Пряжинской, А. М. Резниковского, И. Л. Храновича, Е. В. Цветкова и др. В настоящее время практически все задачи, связанные с управлением водными ресурсами, решаются с использованием оптимизационных и имитационных моделей.

Задача управления функционированием водохозяйственных систем относится к многокритериальным задачам с вероятностной исходной информацией. Для се решения могут быть использованы либо метод свертывания критериев, например, приведите всех критериев к стоимостным характеристикам, либо управление по принципу приоритетности. Проблема стоимостных оценок ущербов огг дефицитов или избытков воды является сложной и до настоящего времени нерешенной. Поэтому в практике обычно используют второй, приоритетный подход на ~снове вероятностных критериев расчетной обеспеченности.

Расчетная обеспеченность гарантированной отдачи, определяющая вероятность того, что ее величина будет равна или больше принятого гарантированного значения, остается одним из основных критериев отимальности управления водохозяйственными системами. Этот критерий надежности водообеспечения был принят и в настоящей работе. Обычно расчетная обеспеченность выражается в виде относительного числа бесперебойных лет; однако это не в полной мере отражает характеристику надежности водоподачи, особенно в перебойные периоды. Поэтому в настоящей работе для оценки надежности работы ВХС использовался также показатель обеспеченности по относительной длительности бесперебойного периода.

Проведенный в диссертации обзор литературы по вопросам моделироватш позволил сделать вывод, что для решения поставленной водохозяйственной задачи - управление водохозяйственной системой в условиях дефицита водных ресурсов - наиболее эффективным является использование имитационного моделирования. Сущность такого метода заключается в том, что с помощью математической модели изучаемой водохозяйствешюй системы проводятся машинные эксперименты, создающие некоторое множество системных ситуаций, связанных с изменением входных переметших, условий взаимодействия элементов системы, а также управляющих фунгашй. Анализ же результатов и принятие решений остается за исследователем. Работа с имитационной моделью представляет итеративный процесс, при котором одновременно с поиском решения может происходить и утешение формулировки поставленной задачи. Имешго в такой постановке в диссертации использовалось имитациошюе моделирование.

В соответствии с поставленной в диссертации задачей в первой главе рассматриваются также подземные волы как источник водоснабжения народного хозяйства; при этом основное внимание уделяется их особенностям.

Главной особенностью запасов подземных вод является их возобновлясмость. Подземные воды - единственное полезное ископаемое, в процессе эксплуатации которого во многих случаях происходит не только его расходование, но и дополнительное формирование, вызванное усилеттем питания подземных вод. Источниками такого дополшгтельного питания могут служить поверхностные воды, подземные воды смежных с эксплуатируемым водоносных горизонтов, уменьшение испарения подземных вод при понижении их уровня и т.д. Запасы подземных вод могут формировался также в результате проведения различных водохозяйственных мероприятий.

Другая существишая особенность подземных вод - их тесная взаимосвязь с окружающей средой. Эта взаимосвязь находит отражение в граничных условиях (взаимосвязь подземных и поверхностных вод, условия питания и разгрузки подземных вод), которые про являются в процессе эксплуатации водозаборов и во многом определяют возможность использования подземных вод.

Следует отметить также, что возможность отбора подземных вод зависит не только от количества воды, находящейся в пласте и поступающей в пласт в естественных условиях, но и от фильтрационных

свойств водовмещающих пород, определяющих сопротивление движению подземных вод к водозаборным сооружениям.

Указанные особенности определили необходимость введения специальной классификации ресурсов подземных вод, которой посвящена обширная гидрогеологическая литература. Наиболее полно эти вопросы рассматриваются в работах Н. Н. Биндемана, Ф. М. Бочевера, И. С. Зскцера, В. С. Ковалевского, Б. И. Куделина, Л. С. Язвина и др.

В последнее время значительно повысился интерес к использованию ресурсов подземных вод, особенно для целей водоснабжения населения. Однако, рассматривая вопросы повышения роли подземных вод в водохозяйственном балансе отдельных регионов и страны в целом, нельзя забывать о том, что подземные воды являются составной частью гидросферы Земли и окружающей нас природной среды. Нерациональное использование подземных вод может вызвать ряд отрицательных явлений, таких как нарушение режима и баланса подземных вод, изменение взаимосвязи поверхностных и подземных вод, появление просадок земной поверхности, активизация карстовых процессов и сейсмической деятельности и другие виды отрицательного влияния на окружающую среду и привести к нежелательным социальным последствиям.

Следует особо подчеркнуть, что при определении перспектив использования подземных вод возникает вопрос, какое измените вызовет этот отбор в речном стоке и можно ли суммировать ресурсы поверхностных и подземных вод при оценке общих водных ресурсов конкретных регионов.

Таким образом в первой главе диссертации были рассмотрены основные особенности поверхностных и подземных водных ресурсов, методы управления водохозяйственными системами, а также существующие критерии надежности водообеспечения народного хозяйства. Указанные исследования явились основой для формулирования концептуальных положений совместного использования поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения народного хозяйства.

Во второй главе формулируются основные концептуальные положения применительно к задаче повышения надежности водообеспечения Московского региона.

Среди факторов, определяющих необходимость разработки нового подхода к решению этой задачи, следует выделить' ухудшающуюся экологическую обстановку в регионе, связашгую с интенсивным использованием водных ресурсов, и повышающиеся требования к

надежности водообсспсчения населения, промышленности и других водопользователей региона.

Использование природных вод для решения проблемы водообсспсчения народного хозяйства неизбежно связано с нарушением естественных природных процессов и часто приводит к существенным, а иногда и необратимым отрицательным явлениям в окружающей среде.

Проблемы влияния использования водных ресурсов на окружающую среду рассматриваются во многих работах. В первую очередь следует отмстить работы А. Б. Авакяна, Ю. С. Васильева, О. Ф. Васильева, С. Л. Вендрова, Р. Г. Джамалова, В. С. Ковалевского, Ю. М. Матарзина, В. А. Шарапова, И. А. Шикломанова и др.

При использовании поверхностных вод наиболее заметное влияние на окружающую среду оказывают регулирующие речной сток водохранилища, которые коренным образом меняют естественный гидрологический режим источников водных ресурсов и создают .новые акватории антропогенного происхождения. Эксплуатация подземных вод приводит к понижению их уровня и даже к их полной с работке за расчетный период, что является основной причиной влияния отбора подземных вод на окружающую среду. Это достаточно отчетливо прослеживается при рассмотрении системы водоснабжения Москвы.

Важным фактором, требующим повышения надежности, стал процесс снижения удельного водопотребления в промышленности и в коммунальном хозяйстве. Снижение удельного водопотребления - процесс объективный. Несомненно, что этот процесс будет происходить и в Московском регионе.

Однако процесс снижения водосмкости производства неизбежно вызовет повышение требований к надежности бесперебойного водоснабжение, поскольку чем меньше тратится воды на единицу продукции, тем больше экономический ущерб от недодачи воды. Это в равной степени можно отнести и к социальным и экологическим последствиям, возникающим при нарушениях водоснабжения.

Обычно повышение надежности отдачи достигается либо путем увеличения регулирующей емкости, т.е. созданием новых водохранилищ, либо привлечением дополнительных источников воды. Это неизбежно связано с увеличением риска возникновения новых экологических проблем. Уменьшить риск появления отрицательных явлений в окружающей срСде можно путем нового подхода к совместному использованию поверхностных и подземных источников водных ресурсов.

Сугь предлагаемого подхода сводится не к замещению одного источника другим, как это обычно делается, а к использованию более инерционных подземных ресурсов для покрытия иеребоеи в водоснабжении, обусловленных естественными колебаниями речного стока при ограниченных возможностях его регулирования. Такой подход к решению проблемы повышения надежности водоснабжения рассматривался в работах Л. Л. Великанова, В. С. Ковалевского, В. И. Клеиова, С. Я. Концебовского, Г. П. Кумсиашвили, Е. Л. Минюша и др.

На основании изучения и обобщения литературы, научных отчетов и проектных материалов в качестве объекта исследования был выбран Волжский источник водоснабжения Москвы, обеспечивающий более 2/3 ее потребностей в воде. Водные ресурсы этого источника управляются Верхневолжскнм и Иваньковским водохранилищами, образующими Всрхневолжскую водохозяйстветшую систему. Среди разлиадгых вариантов совместного использования поверхностных и подземных вод был принят вариант специального строительства дополнительных скважен вдоль правого берега Иваньковского водохранилища для форсированного отбора подземных вод для покрытия дефицита отдачи Верхневолжской ВХС в маловодные периоды. В заключении второй 1лавы приводится принципиальная схема анализа совместной работы Верхневолжской ВХС и источников подземных вод.

В третьей главе рассматриваются вопросы управления Верхнеполжской водохозяйственной системой при ее работе совместно с источниками подземных вод. Цель исследований, результаты которых здесь представлены, заключается в оценке возможностей управления этой ВХС в интересах совместной работы с источниками подземных вод. Для достижения этой цели необходимо было с помощью имитационной модели разработать соответствующие правила управления ВХС в условиях дефицита водных ресурсов.

Как уже отмечалось, на основании анализа гидрологических и водохозяйственных исследований в качестве самостоятельного объекта была принята Верхневолжская водохозяйственная система с закрепленной связью с Москворецкой системой через Вазузу.

Поэтому в первом параграфе дается краткое описание Всрхнсволжской водохозяйственной системы и ее отдачи. Суммарная гарантированная водоподачп в Москву по каналу им. Москвы с учетом отдачи водохранилищ водораздельного бьефа составляет в настоящее время

82 м3/с для обеспеченности 95% по числу бесперебойных лет и 78 м3/с для обеспеченности 97%.

Во втором параграфе описывается имитационная модель функционирования ВХС, позволяющая исследовать поведение системы с закрепленными параметрами при разных режимах водоподачи с учетом различных, в том числе и конфликтных ситуаций между отдельными водопользователями.

Используемая имитационная модель базируется на принципе приоритетности водоподачи. Приоритеты задаются для пользователей воды и зон водохранилищ, определяемых желаемым запасом воды на конец каждого расчетного интервала. Целью управления в сетевой трактовке является удовлетворение запросов пользователей и обеспечение желаемых запасов воды в водохранилищах при минимизации стоимости перемещения потока в сети. Перераспределение воды в соответстташ с критерием минимизации стоимости перемещения потока в системе осуществляется с помощью водохранилищ, для которых в модели вводятся формализованные правила работы, выраженные в виде характерных линий. В соответствии с этими линиями происходит изменение стратегии управления водохранилищами; задание этих приоритетов определяет порядок распределения воды в ВХС. Для выбора линий вводится понятие гидрологического состояния ВХС для каждого интервала.

Математически задача минимизации стоимости перемещения потока для интервала времени А( формулируется следующим образом:

где <3у - поток из узла 1 к узлу ; за время Дь су - стоимость перемещения единицы потока из узла 1 к узлу } за то же время Д(; Уу - нижний и верхний пределы величины потока в дуге, связывающей узел 1 с узлом).

Проведенная в диссертации адаптация имитационной модели позволила использовать разработанный математический аппарат для исследования работы системы Верхневолжских водохранилищ. Как показали наши исследования этот аппарат обладает достаточной гибкостью для назначения правил управления ВХС и способностью анализировать большой объем исходной информации, необходимой для решения задачи по обоснованию величины и надежности отдачи системы водохранилищ.

Х^ц-ЦЯл =0

^ Я, ± V, пил г = 2 ЧцСц ,

при ¡= I.....N.

при всех 1 VI},

В третьем параграфе приводится состав и вид исходной информации для проведения имитационных экспериментов.

При построении конкретных правил управления водохозяйственной системой в работе был использован 73-легний ряд гидрологических данных с 1914 по 1987 г. .ретрансформированный по методике института Гидропроект. Следует заметить, что использование только одного наблюденного гидрологического ряда для решения задачи совместного использования поверхностных и подземных вод в общем случае может оказаться недостаточным. Это объясняется тем, что в наблюденном ряду представлена лишь одна реализация чередования группировок маловодных и многоводных лет. Вместе с тем от порядка чередования этих группировок зависит продолжительность периодов сработки и восполнения запасов подземных вод, используемых для компенсации возникающего дефицита поверхностных водных ресурсов. Использование одной реализации наблюденного стока может дать достаточно приемлемые результаты только в случае, если период сработки и полного восполнения запасов подземных вод не выходит за пределы одного года. В случае же возникновения многолетних циклов следует использовать искусственно смоделированные гидрологические ряды, чтобы получить необходимый набор группировок маловодных и многоводных лет и их чередований. В настоящей работе мы ограничились рассмотрением случая, когда цикл сработки и восполнения подземных горизонтов не выходит за пределы одного года.

Отметим также, что используемая обычно жесткая дата начала гидрологического года, может приводить как показано в диссертации, к искажению характеристики обеспеченности гарантированной отдачи по числу бесперебойных лет. Поэтому наряду с фиксированной датой начала гидрологического года в работе использовалась также скользящая шкала времени.

В четвертом параграфе приводятся результаты разработки правил управления Верхневолжской ВХС для снижения глубины дефицита за счет увеличения его продолжительности и приводятся результаты расчета режимов работы этой системы при различных вариантах правил управления.

Основой для назначения правил управления в модели, как уже указывалось, является понятие гидрологического состояния системы в каждом интервале времени. В зависимости от запасов воды в системе в модели различаются три состояния - влажное, среднее и сухое. Реализация управления осуществляется путем изменения приоритетов компонентов

системы: потребителей, попусков в нижний бьеф либо наполнения водохранилищ; установления ограничений на водоподачу или на величину попусков в нижний бьеф гидроузлов; изменения границ гидрологических состояний водохранилищ.

Построение правил управления режимом работы водохранилищ Верхневолжской системы было осуществлено с помощью экспериментальных расчетов на имитационной модели в несколько этапов.

На первом этапе исследования были приняты простейшие правила управления. В этом случае диапазон наполнения и сработки водохранилища определяют верхняя и нижняя линии, соответствующие его объему при НПУ и УМО.

Анализ результатов расчетов показал, что такие простейшие правила не позволяют обеспечить управление ресурсами водохозяйственной системы, адекватное реальным условиям се функционирования, и не соответствуют существующей практике и теории регулирования стока. Поэтому в имитационной модели водоподача в Москву <3 была представлена в виде двух составляющих: гарантированной отдачи которая должна быть обеспечена практически бесперебойно кроме крайне маловодных условий, и (2ц, на величину которой полная водоподача С! может быть снижена. В этих исследованиях <3п задавалась равной 20% от полной водоподачи. Отдачи С^ и Рц, а также попуск в нижний бьеф имели разные приоритеты.

Заметим, что в общем случае математическая модель позволяет производить деление суммарной водоподачи различным водопользователям на большее количество частей с различной надежностью их удовлетворения, т.е. реализовывать многоступенный план регулирования стока, разработанный С. Н. Крицким и М. Ф. Менкелем.

Рассмотренные выше правила управления водохозяйственной системой Верхней Волги, позволили провести имитационные эксперименты по управлению ВХС для различных значений се водоотдачи.

В результате проведенного анализа были получены зависимости дефицита от значений водоподачи в Москву и и от их суммарной величины, а также зависимость дефицита попусков в нижний бьеф от значений водоподачи в Москву р. Одновременно проводилась оценка обеспеченности водоподачи в Москву и попусков в нижний бьеф Иваньковского водохранилища по числу бесперебойных лет и по длительности бесперебойных периодов при различных значениях водоподачи.

Следует отметить, что с водохозяйственной точки зрения рассмотренные простые правила управления системой водохранилищ (одна зона и деление отдачи на две части) обеспечивают наиболее полное использование водных ресурсов. Однако недостатком такого управления является то, что глубина перебоя при пустых водохранилищах может быть очень большой. В нашем случае суммарный дефицит мог достигать 80% от заданной отдачи, что вряд ли допустимо для нормального функционирования системы водоснабжения Москвы, как это было показано в работах В. И. Клепова и тем более для предлагаемой схемы совместного использования поверхностных и подземных водных ресурсов. Поэтому на следующем этапе исследований были разработаны правила управления, обеспечивающие некоторое сокращение глубины дефицита отдачи за счет увеличения его продолжительности.

Результаты этих проработок представлены в пятом параграфе.

В задачу исследования входило на основании проведенных многочисленных экспериментов на ЭВМ подобрать такие характеристики сухой, средней и влажной зон управления водохранилищами, линии желаемого запаса воды в водохранилищах, приоритеты различных зон, отдачи и попусков в нижний бьеф, а также ограничений на их величину, которые позволяют уменьшать глубину дефицита в заданных пределах за счет увеличения его продолжительности. Построенные правила управления в графической форме представлены на рис. 1 и 2.

Принятые правила управления, как показывают результаты расчета, обеспечивают, насколько это позволяют заданные гидрологические характеристики водотока и регулирующие емкости рассматриваемых водохранилищ, определенный уровень снижения отдачи в маловодные годы. В данном случае было принято, что допустимая величина снижения отдачи не должна превышать 20% для водоподачи в Москву , а попуск в нижний бьеф Иваньковского водохранилища должен быть не меньше 5 м3/с.

Полученные в результате расчета данные о величине дефицита и его продолжительности позволяют построить характеристики надежности гарантированной водоподачи в Москву и попусков в нижний бьеф Иваньковского водохранилища.

Следует заметить, что эти правила по форме напоминают диспетчерские графики, но на самом деле имеют более сложную структуру.

Необходимо отметить, что при многоцелевом использовании водных ресурсов порядок построения правил управления значительно усложняется

600 -2

" Пиния желаемого

- Пиная желаемого

...............желаемого аеяаса п сухой

***** Верхняя граница средней яоны *нн Нижняя граница средней вони

.....Об»еи при УХО

— Обьем при НПУ

0 Ш ' IV ' V ' VI ' VII ■ VIII ■ Гх ' X ' XI ' XII 1 1 Т1Г

месяцы

Рис. 1. Правила управления Верхяеволжским водохранилищем

120<Ь

5 400-

о

Лншся желаемого аапаса яо влажной Лини* желаемого вапаса в средней зоне Линия желаемого запаса а сухой воне Верхняя граница средней эони *« Нижняя граница средней зоны " Ойьеи при УМО ** Ойьеи при НПУ

111

IV

VI

VII

VIII ' IX Месяцы

XI

XII

Рис. 2. Правила управления Иваньковским водохранилищем

прежде всего из-за разной обеспеченности гарантированной водоподачи различным компонентам водохозяйственной системы и специфики использования водных ресурсов. Однако, предложенные в работе приемы по использованию разработанной имитационной модели позволяют получать достаточно надежные характеристики гарантированной отдачи.

Отметим также, что проведенные исследования позволили значительно расширить возможности использования имитационной модели при управлении водными ресурсами в сложных водохозяйственных системах.

В частности, путем деления отдачи системы на две составляющие с разными приоритетами, а также изменения положения линий различных состояний системы и желаемого запаса воды в водохранилищах, приоритетов удовлетворения заявленных требований и изменением системы ограничений удалось решить поставленную задачу, а именно, управлять глубиной дефицита и его продолжительностью.

В диссертации было проведено конкретное исследование по увеличению гарантированной отдачи Верхневолжского источника водоснабжения Москвы с 78 м3/с до 86 м3/с не снижая ее надежности за счет привлечения подземных водных ресурсов. Это было проверено на "митационной модели.

Как показали проведенные расчеты при увеличении гарантированной отдачи на 8 м3/с величина возможного дефицита и его продолжительность будет зависеть не только от параметров речного стока и параметров водохранилищ, но и не в меньшей степени от правил управления водохранилищами.

Полученные результаты были положены в основу исследования возможности использования подземных вод для компенсации дефицита, вызванного увеличением гарантированной отдачи водохозяйственной системы Верхней Волга.

В четвертой главе рассматривается гидрогеологический анализ использования подземных вод для компенсации дефицита поверхностных водных ресурсов, возникающих при увеличении гарантированной отдачи.

В первом пара1рафе излагаются нетрадиционные способы использования подземных вод для повышения надежности водоснабжения, а именно использовал те ресурсов подземных вод для компенсации дефицита водных ресурсов в водохозяйственных системах, созданных на реках. Такая форма совместного использования поверхностных и подземных вод предусматривает оценку возможностей эксплуатации

подземных вод в переменном режиме, который соответствует режиму возникновения дефицита гарантированной отдачи водохозяйственных систем.

В диссертации рассмотрены различные существующие методы использования подземных вод для водообеспечегаш народного хозяйства, а также сформулированы основные задачи, которые должны быть решены при планировании совместного использования поверхностных и подземных вод.

В данной работе рассматривается только один из них, а имегаю организация системы совместного использования поверхностных "1 подземных вод п условиях зарегулированной водохранилищами речной системы.

Во втором параграфе дастся краткое описание месторождешм подземных вод в районе Иват>ковского водохршшлища и его основные гидрогеологические характеристики.

В соответствии с предложением В. С. Ковалевского схема совместного использования поверхностных и подземных вод в таких условиях может быть принята в виде линейного ряда эксплуатационных скважин, расположенных вдоль водохранилища с фильтрами на 1-2 наиболее перспективных напорных горизонта. Учитывая мпогослойность гидрогеологического разреза и, как правило, значительную глубтгу залегания основных продуктивных горизонтов, расстояние водозабора от водохранилища может быть минимальным. Ущерба поверхностному стоку в течение периодической кратковреметгой работы водозабора при этом практически не будет.

Масштабы возможного форсированного водоотбора подземных вод и восполняемостъ сработанных запасов, как уже указывалось, было рассмотрено на примере района Иваньковского водохранилища.

Имеющиеся гидрогеологические характеристики месторождения подземных вод в районе г. Конакова на берегу Иваньковского водохранилища дают возможность перейти к дальнейшему анализу режимов эксплуатации этого месторождения.

В третьем параграфе проводится расчет эксплуатациошшх запасов подземных вод с переменным режимом водозабора, заложенного вдоль правого берега Иваньковского водохранилища выше г. Конаково. В гидрогеолошчсском разрезе на участке водозабора выделено 4 водоносных горизонта: I - грунтовые воды в современных супесчаных четвертичных отложениях; II - межморешшй среднечетвсртичный (днепровский)

напорный водоносный горизонт; III - верхнсгжельский (клязьминско-асссльский) напорный горизонт и IV - нижнегжельский (касимовский) напорный горизонт. Основными наиболее продуктивными в разрезе являются каменноугольные горизонты (III и IV), которые достаточно хорошо изолированы друг от друга и могут рассматриваться самостоятельно.

В развитие исследований В. С. Ковалевского по разработанной нами программе для персонального компьютера был выполнен расчет возможного форсированного водоотбора из III водоносного горизонта, где сопротивление юрских глин местами снижается до 5-Ю"5 1/сут. При этом была принята расчетная схема неограниченного напорного пласта с перетеканием сверху. Расчет возможной производительности III горизонта осуществлен по уравнению Ф. М. Бочевера:

4 xKm-S^ 1Д2В Г at) '

где Q — дебит скважины; SÄon — допустимое понижение уровня напора в скважине за время t; К — коэффициент фильтрации слоя, имеющего мощность т, из которого производится откачка; а—коэффициент пьезопроводности; R—радиус "большого колодца", который равен R=0,37L; L— длина линейного ряда эксплуатационных скважин; В — коэффициент перетекания (в данном расчете принят постоянным, В = 9000 м) и Ei — табу7шрованная экспоненциальная функция.

Расчет проводился для различных интервалов времени и показал возможность отбора из данного горизонта от 6,09 до 2,74 м3 /с за период времени, изменяющийся огг 30 до 210 суток.

Для расчетов водоотбора из IV горизонта была принята схема неограниченного изолированного напорного пласта.

Возможная производительность второго водозабора из ГУ горизонта определялась по уравнению Тейса:

AitKm-Sbn 4 яКт-Sn,.

R2\ in2-25«'

- я2

В результате была выявлена возможность форсированного водоотбора от 1,28 м3/с при 30 сутках до 0,64 м'/с при 210 сутках непрерывного водоотбора.

В сумме из обоих горизонтов таким образом можно получить до 7,37 м3/с при условии, что срок водоотбора не будет превышать одного месяца. Результаты расчетов представлены в таблице и на рис. 3.

Форсированная эксплуатация подземных вод с почти полной или частичной сработкой их запасов ставит вопрос о сроках их восполнения, при которых обеспечивается бесперебойность работы таких водозаборов в последующие маловодные периоды.

Анализ полученных результатов показал, что при суммарном отборе подземных вод до величины, равной 5,2 м3/с в течение 50 суток, время восполнения сработанных запасов не превысит одного года (см. табл.) Лишь при суммарном водоотборс в 7,37 м3/с в течение месяца для полного восполнения запасов подземных вод потребуется полтора года.

В тех случаях, когда восполнение запасов будет проходить в течение года, имеется возможность осуществлять подобные разовые сработки запасов ежегодно. Следует заметить, что в реальных условиях восполнение сработанных запасов подземных вод будет осуществляться еще быстрее. Факторами, способствующими этому, будут уже отмеченные быстро восстанавливаемые упругие запасы, возможный перехват поверхностного стока, снятие испарения при снижении уровней грунтовых вод и с заболоченных территорий, отжатие воды из глинистых отложений.

Другим важным аспектом совместного использования поверхностных и подземных вод, как уже отмечалось, является исключение или сведение к минимуму ущерба поверхностному стоку в процессе форсированной эксплуатации подземных вод. Результаты расчета показали, что ущерб стоку при 30 суг. эксплуатации составил менее 0,1%, а при 60 сут. - около 0,2% от величины водоотбора. Такой ущерб можно признать практически незначимым.

Следует заметить, что при определении размеров водоподачи из водохранилища необходимо иметь в виду, что возникающие при этом дефициты в маловодные периоды не должны превышать возможностей водоносных горизонтов. Анализ выполненных ранее исследований показал, что рассмотрение вопроса совместного использования поверхностных и подземных вод, как правило, ограничивалось лишь общими рассуждениями по проблеме в целом без оценки реального выигрыша по конкретным регионам и реальных масштабов такого использования. Исследования, выполненные в ИВП РАН в настоящее время, в том числе и наши расчеты до некоторой степени компенсируют этот пробел.

Таблица

Производительность водозаборов из водоносных горизонтов в зависимости от срока водоотбора и времявосполнения запасов

срок водоотбора, сут. производительность водозаборов из водоносных горизонтов,м^/с суммарный отбор, м/с время восполнения запасов, сут.

III IV

30 6,09 1,28 7,37 521

40 4,87 1,11 5,98 423

50 4,19 1,01 5,20 368

60 3,83 0,94 4,78 338

70 3,59 0,89 4,48 317

80 3,40 0,85 4,25 300

90 а, 27 0,82 4,09 289

100 3,16 0,79 3,95 279

110 3,08 0,77 3,85 272

120 3,02 0,75 3,76 266

130 2,96 0,73 3,69 ' 261

140 2,91 0,71 3,63 256

150 2,87 0,70 3,57 253

160 2,84 0,69 3,53 250

170 2,82 0,67 3,49 247

180 2,79 0,66 3,46 244

190 2,77 0,65 3,43 242

200 2,75 0,65 3,40 240

210 2,74 0,64 3,38 • 239

Время, дни

-60.0

Рис. 3. График сработки и восполнения аапасов подземных вод при различны* сроках отбора 1 - 30. 2 - 40. 3 - 50, 4 - 60. 5 - 90, 6 - 130 сут.

Результаты таких оценок свидетельствуют о перспективности совместного использования поверхностных и подземных вод и необходимости дальнейших исследований в этом направлении.

В четвертом параграфе рассматривается конкретный гидрогеологический расчет на заданный режим компенсации дефицита при увеличении гарантированной отдачи Верхнсволжской водохозяйственной системы до 86 м3/с.

В диссертации показано, что при разработанных сложных правилах управления Верхневолжской водохозяйственной системой возникающий дефицит отдачи в пределах заданной расчетной обеспеченности не будет превышать 8 м3/с. Такой дефицит может быть компенсирован за счет форсировшпюй работы подземных водозаборов. Однако следует иметь в виду, что при этом потребуется увеличение длины линейного ряда эксплуатационных скважин до 11 - 16 километров в зависимости от продолжительности водоотбора.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы исследования:

1. Разработаны методические подходы и практические приемы решения задачи совместного использования поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения в условиях возрастающих экологических требований. Это позволило исследовать работу Волжского источника водоснабжения Москвы, обеспечивающего до 2/3 потребностей ее в воде.

2. Построены правила совместного управления Верхневолжским и Иваньковским водохранилищами, которые позволяют в маловодных условиях ограничивать глубину дефицита отдачи в соответствии с возможностями отбора подземных вод. Разработка таких правил была осуществлена с помощью имитационной модели, адаптированной автором для решения поставленной задачи.

3. Установлены закономерности изменения отдачи и ее надежности в условиях наступления дефицита водных ресурсов, которые могут служить гидролого-водохозяйственным обоснованием концепции совместного использования поверхностных и подземных вод.

4. Выполнена оценка рациональной эксплуатации водоносных горизонтов в районе Иваньковского водохранилища на различные периоды форсированного отбора подземных вод. Установлено,, что оптимальной является ежегодная сработка емкостных геологических запасов подземных

вод в течение 50 суток с водоот бором 5,2 м3/с. Такой режим эксплуатации подземных вод обеспечивает их ежегодное восстановление.

5. Показана возможность увеличения гарантированной отдачи Всрхневолжской водохозяйственной системы с 78 до 86 м3/с при сохранении принятой расчетной обеспеченности за счет форсированной сработки подземных вод. При этом обеспечивается полное восстановление сработанных запасов подземных вод при практическом отсутствии ущерба поверхностному стоку и окружающей среде. Однако для реализации этого предложения потребуется увеличение длины линейного ряда эксплуатациошшх скважин в 1,1- 1,6 раза.

6. Сформулирован!ше и апробированные методические подходы и технические проработки, выполненные в диссертации, обеспечивают решение важной прикладной задачи совместного использования поверхностных и подземных вод.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Применение имитационной модели для водохозяйственного обоснования совместного использования поверхностных и подземных вод. Рукопись деи. в ВИНИТИ, 05.05.95, N0 1263 - В/95,-26 стр.

2. Управление водохозяйственными системами при совместном использовании поверхностных и подземных водных ресурсов для водоснабжения Москвы. — Тезисы международного симпозиума "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами". Москва, 1995 (в соавторстве с Великановым А. Л.).

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Юй, Фулян

Введение.

Глава 1. Рациональное использование бодных ресурсов и проблема надежности водообеспечения народного хозяйства

1.1. Основные водные проблемы на современном этапе

1.2. Колебания речного стока и надежность отдачи водохозяйственных систем.

1.3. Управление водохозяйственными системами в условиях колебаний речного стока

1.4. Надежность гарантированной отдачи ВХС и расчетная обеспеченность

1.5. Имитационное моделирование при исследовании водохозяйственных систем.

1.6. Подземные воды как источник Еодообеспечения народного хозяйства

Глава 2. Основные концептуальные положения совместного использования ресурсов поверхностных и подземных вод Московского региона.

Глава 3. Управление Верхневолжской водохозяйственной системой при совместном использовании поверхностных и подземных врд

3.1. Верхневолжская водохозяйственная система и её современная отдача.

3.2. Имитационная модель для анализа функционирования ВХС.

3.3. Исходная информация, используемая при проведении имитационных экспериментов

3.4. Разработка правил управления Верхневолжской ВХС в периоды дефицита водных ресурсов

3.5. Совершенствование правил управления ВХС с помощью имитационной модели. . . . . . . . . . . . S

Глава 4. Гидрогеологический анализ использования подземных вод для компенсации дефицита поверхностных водных ресурсов

4.1. Использование подземных вод для повышения надежности водоснабжения.

4.2. Краткое описание месторождения подземных еод и его гидрогеологические характеристики

4.3. Расчет эксплуатационных запасов подземных еод с переменным режимом Еодозабора

4.4. Гидрогеологический расчет на заданный режим покрытия и компенсации дефицита гарантированной отдачи Верхневолжской водохозяйственной системы

Введение Диссертация по географии, на тему "Совместное использование поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения"

Проблема водообеспечения народного хозяйства при непременном условии сохранения окружающей среды в устойчивом состоянии является одной из важнейших научных и прикладных задач современности. Эта проблема носит межотраслевой и многокритериальный характер и включает в себя целый комплекс различных, часто противоречивых задач, связанных с рациональным использованием вод-♦ ных ресурсов.

Одно из серьезных противоречий, возникшее в настоящее время при решении этой проблемы состоит в том, что с одной стороны с повышением уровня научно-технического прогресса возрастают требования к надежности водоснабжения, с другой - современные методы повышения надежности, такие как создание водохранилищ, территориальное перераспределение водных ресурсов или интенсивное использование подземных вод, во многих случаях оказываются экологически недопустимыми. Такое противоречие наблюдается, в частности, при решении проблемы повышения надежности водоснабL жения Московской агломерации.

Как показывают теоретические исследования, а также имеющиеся практические результаты проблема повышения надежности водообеспечения народного хозяйства с наименьшим экологическим риском может быть решена путем совместного управления ресурсами поверхностных и подземных вод. При этом оба указанных источника рассматриваются не как альтернативные, а как взаимодополняющие друг друга в маловодные периоды, обусловленные естественными колебаниями речного стока.

Задача совместного управления ресурсами поверхностных и подземных вод в указанной постановке должна рассматриваться в нескольких аспектах: техническом, экономическом, правовом и т.д. Диссертация в основном посвящена гидролого-водохозяйственному и гидрогеологическому обоснованию совместного использования ресурсов поверхностных и подземных вод на примере Волжского источника водоснабжения Москвы, именуемого в дальнейшем Верхневолжской водохозяйственной системой (ВХС).

Цель исследования состоит в разработке методических подходов к решению поставленной задачи, в адаптации существующих имитационных моделей для реализации разработанных приемов решения задачи, а также в проведении имитационных экспериментов по совместному использованию поверхностных и подземных вод для нахождения решения поставленной задачи на примере Волжского источника водоснабжения Москвы.

Все исследования по водному хозяйству проводились на имитационной модели функционирования водохозяйственных систем, адаптированной автором для специфической задачи управления системой водохранилищ комплексного назначения в условиях дефицита водных ресурсов за пределами расчетной обеспеченности. Проведенные имитационные эксперименты позволили разработать и формализовать правила управления ВХС для ее совместной работы с подземными источниками водных ресурсов.

Проведенный гидрогеологический анализ показал возможности использования конкретного месторождения подземных вод для компенсации дефицита отдачи Верхневолжских водохранилищ в маловодные периоды и при этом дал возможность судить о режиме сработки * и восполнения подземных вод.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: - впервые использована имитационная модель для управления работой водохозяйственной системы в маловодных условиях, выходящих за пределы расчетной обеспеченности;

- разработаны правила управления работой водохранилищ для условий совместного использования поверхностных и подземных вод в маловодные периоды;

- исследованы закономерности уровенного режима подземных вод при их использовании для компенсации дефицита отдачи водохозяйственной системы на конкретном примере Конаковского месторождения ;

- показана возможность повышения гарантированной отдачи Верхневолжской водохозяйственной системы при использовании подземных вод для компенсации дефицита отдачи этой системы.

Диссертация направлена на решение практической задачи повышения надежности водоснабжения Москвы. В ней даются рекомендации по управлению Верхневолжской водохозяйственной системой для указанного совместного использования двух источников водных ресурсов. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для решения поставленной задачи. Разработки автора использовались при выполнении договорной работы с акционерным обществом "Московский комитет по науке и технологиям" по повышению надежности водоснабжения Москвы за счет совместного использования поверхностных и подземных вод. Некоторые результаты диссертации были использованы при выполнении исследований лаборатории проблем управления водными ресурсами ИВП РАН по управлению водными ресурсами в условиях нестационарности и неопределенности.

В гидролого-водохозяйственной части диссертация базируется на исследованиях, проводимых в последние годы в лаборатории проблем управления водными ресурсами ИВП РАН, в том числе на кандидатской диссертации В.И.Клепова и является их продолжением и развитием. За помощь и поддержку в подготовке диссертации автор выражает коллективу лаборатории большую благодарность.

Гидрогеологические исследования в диссертации были проведены под руководством профессора В. С. Ковалевского, любезно предоставившему свои проработки по указанной проблеме, за что автор его сердечно благодарит.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Юй, Фулян

Выход

Рис.З.Е.1 Схема работы диалоговой системы имитационного моделирования у

3.3. Исходная информация, используемая при проведении имитационных экспериментов

При построении конкретных правил управления водохозяйственной системой, обеспечивающих гарантированную водоотдачу её водохранилищ, с помощью имитационных экспериментов на математической модели обычно используется информация, имеющаяся в распоряжении проектных организаций для проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчетов.

При выборе формы представления этой информации в памяти ЭВМ необходимо стремиться к тому, чтобы точность получаемых в процессе ушитационных расчетов результатов была не ниже точности традиционных водохозяйственных расчетов. Используемую исходную информацию условно можно разделить на следующие группы [49].*

- гидрологическая информация;

- информация о недопотреблении и возможных его ограничениях;

- информация о правилах регулирования стока;

- морфометрические характеристики чаши водохранилища;

- характеристики нижнего бьефа;

- информация, необходимая для организации расчетов и обработки полученных результатов.

К гидрологической информации относятся календарные ряды не-зарегулироЕанного притока к заданным створам ВХС. Эта информация задается в Биде средне-интервальных расходов воды. Применительно к Верхневолжскои водохозяйственной системе в качестве исходной гидрологической информации для проведения имитационного эксперимента для каждого из рассматриваемых в работе створов использованы данные многолетних наблюдений за стоком е опорных гидрометрических пунктах [483. Естественный режим рассматриваемых рек изменен в результате хозяйственной деятельности человека и, прежде всего, вследствие регулирования стока водохранилищами. В связи с этим, начиная с момента ввода в эксплуатацию водохранилищ, он был ретрансформирован, то есть приведен к естественным условиям. В настоящей работе использованы материалы ретрансформации стока по методике Гидропроекта. Для исследования использован 73-летний ряд гидрологических данных с 1914 по 1987 г., предоставленный В.И.Кленовым. Следует заметить, что использование только одного наблюденного гидрологического ряда для решения задачи совместного использования поверхностных и подземных еод не может дать исчерпывающей информации о надежности суммарной отдачи системы. Это объясняется тем, что в наблюденном ряду представлена лишь одна реализация чередования группировок маловодных и многоеодных лет. Вместе с тем от порядка чередования этих группировок зависит продолжительность периодов сработки и восполнения запасов подземных вод, используемых для компенсации дефицита поверхностных водных ресурсов. Использование одной реализации наблюденного стока может дать достаточно приемлемые результаты в случае, если период сработки и полного восполнения запасов подземных еод не еыходит за пределы одного года. В случае же возникновения многолетних циклов необходимо использовать искусственно смоделированные гидрологические ряды, чтобы получить набор группировок маловодных и многоводных лет и их чередований. В настоящей работе мы ограничились рассмотрением случая, когда цикл сработки и восполнения подземных горизонтов ограничивается одним годом.

Точность исследования гарантированной водоотдачи Верхневолжской системы при закрепленных его параметрах зависит от точноети задания исходной информации по гидрологии и безвозвратному водопотреблению в бассейне Верхней Волги [49]. Зти данные еклю-чают в себя естественный приток к Верхневолжскому водохранилищу; боковую приточность на участках Верхневолжский гидроузел -Ржевский гидроузел - водный пост Старица - стеор Иваньковского гидроузла; зарегулированный приток из Вышневолоцкой водохозяйственной системы. Основные гидрологические характеристики притока на указанных участках Верхней Волги приведены в табл. 3.3.1 и 3.3.2. Из табл. 3.3.1 еидно, что за несений период на боковую приточность в условиях естественного режима проходилось около 50% годового объема стока (к Верхневолжскому водохранилищу -53,9%; на участке между Верхневолжским водохранилищем и РжеЕС-ким г/у - 49,3%; между Ржевским г/у - Старицей - 56,4%; Старицей - Иваньковским водохранилищем - 60%; к ЙЕанькоЕСкому водохранилищу - 58%).

Использование модели требует разработки линейно-узловой схемы исследуемого объекта; такая схема приведена на рис.

Q | 9 о. j. « cw .

Детализация гидрологической информации соответствует требованиям, предъявляемым к расчетам регулирования стока: год разделен на 20 интервалов, длительность которых составляет декаду для периода март—июнь и месяц для периода июль—февраль. Начало водохозяйственного года - первая декада марта. Как показал анализ имеющейся гидрологической информации, принятая жесткая дата начала гидрологического года может приводить к искажению характеристики обеспеченности гарантированной отдачи по числу бесперебойных лет. Поэтому наряду с фиксированной датой начала гидрологического года в работе использовалась также скользящая шкала (см. раздел 3.5).

- 133 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования, а также изучение и обобщение результатов работы других авторов над проблемой совместного использования ресурсов поверхностных и подземных вод позволяют сделать следующие выводы.

1. Использование поверхностных и подземных вод, когда оба источника выступают не как альтернативные, а используются как дополняющие друг друга в периоды маловодья, является эффективным способом решения проблемы повышения надежности водоснабжения. При таком способе использования двух источников пресных водных ресурсов, как показали проведенные исследования, повышение отдачи водохозяйственной системы без снижения надежности водоподачи достигается при минимальном экологическом ущербе, так как при этом не создаются дополнительные емкости для регулирования речного стока и практически не срабатываются эксплуатационные запасы подземных вод.

2. Для реализации указанного способа совместного использования поверхностных и подземных вод необходимо разрабатывать специальные правила работы водохозяйственной системы в условиях дефицита водных ресурсов в маловодные периоды. Эти правила должны учитывать реальные возможности использования источников подземных водных ресурсов. Разработка таких правил может быть осуществлена с помощью имитационной модели, которая была адаптирована для решения поставленной задачи.

3. Разработанные в диссертации правила управления Верхневолжской водохозяйственной системой многоцелевого назначения, позволяют решать одну из основных задач, возникающую при совместном использовании поверхностных и подземных вод, а именно, ограничивать глубину перебоев в водоподаче за счет увеличения

- 134 продолжительности перебойных периодов. Можно утверждать, что разработанные правила позволяют проводить гидролого-водохозяйственное обоснование решения задачи совместного использования поверхностных и подземных вод в указанной постановке.

В процессе решения поставленной задачи была выявлена возможность использования имитационной модели для решения задачи компенсационного регулирования речного стока, в частности, для поддержания судоходных глубин на неподпертых участках речной системы.

4. Совместное использование поверхностных и подземных вод требует серьезного гидрогеологического обоснования. Разработанная в ИБП РАН концепция совместного использования этих двух источников водоснабжения показывает, что на современном этапе наиболее пригодным для реализации является способ форсированного водоотбора подземных, вод в районах, прилегающих к созданным водохранилищам, в периоды наступления маловодья с последующим естественным восполнением сработанных запасов в многоводные периоды. При этом практически не будет наноситься ущерб поверхностному стоку в течение периодической работы линейного ряда подземных скважин, расположенных вдоль берегов водохранилищ. Вместе с тем можно заметно повышать отдачу системы без снижения ее надежности.

5. Основываясь на указанной выше концепции, а также используя разработанную имитационную модель функционирования водохозяйственной системы в диссертации было проведено гидролого-водохозяйственное и гидрогеологическое обоснование совместного использования поверхностных и подземных вод для повышения надежности водоснабжения Москвы из Верхневолжской водохозяйственной системы, включающей в себя Верхневолжское и Иваньковекое водохранилища. В диссертации показано, что совместное ис пользование зарегулированного стока Верхневолжской ВХС и эксплуатационных запасов подземных вод в районе Иваньковского водохранилища позволяет повысить гарантированную отдачу системы с 78 до 86 м3/с при сохранении ее обеспеченности равной 97% по числу бесперебойных лет. При этом, благодаря компенсационным возможностям водоносных горизонтов рассматриваемого района, срок восполнения ресурсов подземных вод практически не будет превышать одного года, а ущерб речному стоку не превысит одного процента. Полученные результаты имеют важное научное и практическое значение для решения проблемы водоснабжения г. Москвы на современном этапе.

6. Работа выявила ряд научных и практических задач, которые требуют дальнейших углубленных исследований. Прежде всего это технико-экономическое обоснование предлагаемого способа совместного использования поверхностных и подземных вод. Весьма важным является также оценка надежности решений, базирующихся на результатах анализа работы системы, полученных только по наблюденному гидрологическому ряду. Для такой оценки могут быть использованы либо искусственно смоделированные гидрологические ряды большой длительности, либо обобщенные методы расчета, применяемых при многолетнем регулировании речного стока. Более глубокого исследования требуют экологические аспекты совместного использования поверхностных и подземных вод. Эти и другие проблемы относятся к задачам дальнейших исследований.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Юй, Фулян, Москва

1.Авакян А.Б., Широков В. М. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. Екатеринбург: Изд-во "Виктор",1994. 319 с.

2. Авакян А.Б., Бойченко В.К., Салтанкин В.П. Вода и рекреация. М.: Знание, 1987. 96 с. (Нар. ун-е. Фак. <<Человек и природа>>; No 5).

3. Агасандян Г.А. Описание правил управления каскадами водохранилищ. М. :ВЦ АН СССР, 1987. 33 с.

4. Асарин А.Е., Бестужева К. Н. Опыт составления "Основных положений правил использования водных ресурсов водохрани-лищ"//Гидротехн. стр-во, 1981. No 4. С. 54-56.

5. Асарин А.Е., Бестужева К. Н. Водноэнергетические расчеты. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 224 с.

6. Асарин А.Е., Бестужева К. Н., Москалев А. А. Современные правила использования водных ресурсов водохранилищ Волж-ско-Камского каскада гидроузлов//Вод.ресурсы, 1975. No 4. С.109-118.

7. Бахтиаров В.А. Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

8. Ю.Березнер А.С.,Моисеев Н.Н.,Ерешко Ф.И. и др. Системный подход к исследованию проблемы межбассейновой переброски стока (на примере переброски части стока северных рек СССР в Волгу) //Вод. ресурсы. 1981. No 1. С. 1-5.

9. П.Биндеман Н.Н., Бочевер Ф.М. Региональная оценка эксплуатационных ресурсов подземных вод. Сов. геология, 1964. No 3. С. 112-124.

10. Биндеман Н.Н., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.:Недра, 1970. 215 с.

11. Бочевер Ф.М. О классификации запасов подземных вод. Сов. геология, 1957. т. 62, С. 143-150.

12. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы расчеты эксплуатационных запасов подземных вод. М.:Недра, 1968. 328 с.- 137

13. Бусалаев И.В. Сложные водохозяйственные системы. Алма-Ата:1. Наука, 1981. 230 с.

14. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.:Наука,1968.

15. Вагнер Г. Основы исследования операции. М.:Мир,1973.Т.3.

16. Великанов А.Л. Водохозяйственные системы и расчетная обес-печенность//Вод.ресурсы, 1973 a- No 5. С.179-183.

17. Великанов А.Л. Экономическое обоснование расчетной обеспеченности в водохозяйственных комплексах // Оптимизация параметров и режимов компонентов водохозяйственного комплекса. М.: ЭНИН, 1973 б. С.13-37.

18. Великанов А.Л. Управление водными ресурсами и надежность % функционирования водохозяйственных систем. В сб.: воды суши: проблемы и решения. М.: ИВП РАН, 1994, с. 457-473.

19. Великанов А.Л., Клепов В.И. Определении гарантированной водоотдачи системы водохранилищ для водоснабжения//Гидротехн. стр-во, 1983. No 9. С. 15-18.

20. Великанов А.Л., Коробова Д.Н. Применение метода динамического программирования к распределению водных ресурсов // Проблемы изучения и использования водных ресурсов. М.:Наука, 1972. С. 101-100:. и

21. Великанов А.Л., Хранович И.Л. Математические модели обоснования гарантирования водохозяйственных систем. 1.Задачи функционирования//Вод.ресурсы. 1990. No 1. С.12-27.

22. Великанов А.Л., Клепов В.И., Минкин Е.Л. Совместное исполь-** зование поверхностных и подземных вод в Московской агломерации //Вод.ресурсы. 1994. No 6. С.168 175.

23. Великанов А.Л., Коробова Д.Н., Пойзнер В.И. Моделирование процессов функционирования водохозяйственных систем. М.:Наука, 1983. 104 с.

24. Великанов А.Л., Дружинин И,П., Крицкий С.Н. и др. Методикаэкономического выбора обеспеченной мощности гщроэлектростанций//Проблемы регулирования речного стока. М.;Л.:Изд-во АН СССР, 1960. С. 3-46.

25. Вендров С.Л. Проблемы преобразования речных систем в СССР.- 138 -Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

26. Воропаев Г. В., Исмайылов Г.Х., Федоров В.М. Принципы построения имитационной модели и опыт ее применения для водохозяйственных систем бассейнов рек Амударьи и Сыр-дарьи//Вод.ресурсы, 1980. No 4. С. 55-81.

27. Воропаев Г.В., Исмайылов Г.Х., Федоров В.М. Моделирование водохозяйственных систем аридной зоны СССР. М.: наука, 1984. 312 с.

28. Гавич И.К., Ковалевский B.C., Язвин Л.С. и др. Основы гидрогеологии. Гидрогеодинамика. Новосибирск:Наука, 1983. 238 с.

29. Гильденблат Я.Д. Казак В.Р. 0 выборе обеспеченности при расчете водохранилищ для промышленного водоснабжения//Проб-лемы регулирования речного стока. М.;Л.: Изд-во АН СССР, 1950. вып.4. С.82-113.

30. Гильденблат Я.Д. Коренистов Д.В. 0 вероятностном расчете компенсационного регулирования. В со.5 труды Гидропроекта, 1960. No 4.

31. Деменчук В.М., Дунин-Барковский Л.В., Разумихин Б.С. Применение теории графов к задаче распределения водных ресурсов, математическая модель и методы решения //Вод.ресурсы. 1976. No 2. С.73-80.

32. Джамалов Р.Г., Зекцир И.С. Подземные воды в водном балансе крупных регионов М.:,1989.

33. Джамалов Р.Г., Зекцир И.С. Подземный водообмен суши и моря-Л., 1984

34. Дружинин И.П., Пряжинская В.Г., Рыскулов Д.М. Математическая модель развития водного хозяйства страны. Тр. Ин-та систем.анализа. 1975. т.2.

35. Елаховский С.Б. Сопоставление различных подходов к определению ущербов от недодачи воды//Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. Алма-Ата.: Наука, КазССР, 1976. вып. 13.

36. Елаховский С.Б. Гидроэлектростанции в водохозяйственных системах. М.: Энергия, 1979.176 с.

37. Зубарев В.В. Расчет оптимальных режимов использования стока участниками комплексного гидроузла. В кн.: Докл. к науч. -техн. совещанию по оптимальным режимам работы гидроз-лекростанций в энергосистемах. М.: Моск. правление НТОЭП, 1966. вып.1.

38. Игельник II.М., Исмайылов Г.Х Оптимизация водораспределения в оросительных системах аридной зоны//Вод.ресурсы. 1979. No 5. С.36-45.

39. Исмайылов Г.Х., Велиев Ф.И., Воинова Е.В. Об одном подходе к созданию имитационной модели функционирования водохозяйственного комплекса водохранилища с учетом состояния экосис-темы//Вод.ресурсы. 1993. No 3. С.360-369.

40. Киндлер Я., Салевич К., Слота X., Терликовский Т. Управление системами водохранилищ (на примере Верхней Вислы) // Вод.ресурсы. 1983. No 3. С.3-17.

41. Клепов В.И. 0 выборе расчетной обеспеченности промышленного и коммунального водоснабжения//Вод.ресурсы. 1982. No 1. С. 144-146.

42. Клепов В.И. Гарантированная водоотдача Москворецкой и Ва-зузской систем водоснабжения//Науч.тр.Гидропроекта. 1985. Вып. 99. С. 15-21.

43. Клепов В.И. Обоснование гарантированной водоотдачи системы водохранилищ (на примере водоснабжения Москвы): дис. канд. техн. наук. М.: 1987. 174 с.

44. Клепов В.И. 0 гарантированной водоотдаче Иваньковского водохранилища // Вод.ресурсы. 1990. No 5. С. 143-151.

45. Клепов В.И. Исследование гарантированной отдачи системы водохранилищ при совместном и раздельном управлении (на примере Московского региона)//Вод.ресурсы. 1992. No 3 С.135-145.

46. Ковалевский B.C. Исследование режима подземных вод при их разведке и эксплуатации. Труды МАГ, т.XV, часть I, доклады межд. симп. в Вильнюсе, М.: Наука, 1979. С.225-228.

47. Ковалевский В. С. Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. М.: Недра, 1986. 198 с.

48. Ковалевский B.C., Семыкина Г.И. Учет продолжительности серий маловодных и многоводных лет в питании подземных вод при планировании рационального их использования. Сб. Оценка и рац. использ. ресурсов подзем, вод. М. .-Наука, 1980.1. С.5-15.

49. Ковалевский B.C., Тынкова Л.М. Прогнозная оценка вероятнойизменчивости питания подземных вод в будущем при решении задач водоснабжения//Вод.ресурсы. 1994 г. 12 с.

50. Коваленко Б.Г., Завгородный В.И. К обоснованию оросительных норм при проектировании орошения заданной обеспеченности //Вопросы водного хозяйства. Вып. 28. Фрунзе: Кыргызстан. 1972. С.60-70.

51. Коваленко Б.Г., Меренков В.З. Расчеты водораспределения и оперативного управления оросительными системами //Там же. 1972. вып.28. С.14-43.

52. Коноплянцев А.А., Ярцева-Попова Е.Н. Оседание поверхностиземли в связи с понижением уровня подземных вод. М.:ВИ-ЭМС,1983.

53. Концебовский С.Я., Минкин Е.Л. Ресурсы подземных вод в водохозяйственных балансах орошаемых территорий. М.:Наука, 1986. 186 с.

54. Концебовский С.Я., Минкин Е.Л. Гидрологические расчеты при использовании подземных вод для орошения. М. .-Недра, 1989. 253 с.

55. Коренистов Д.В., Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Проблем теории регулирования речного стока//Проблем изучения и использования водных ресурсов. М.: Наука, 1972. С. 50-83.

56. Коробова Д.Н., Пойзнер В.И. Некоторые вопросы разработки математических моделей для водохозяйственных исследований/ /Проблемы изучения и комплексного использования водных ресурсов. М. .-Наука, 1978. С. 162-174.

57. Коробова Д.Н., Пойзнер В.И., Бестужева К.Н., Клепов В.И. Обоснование гарантированной водоотдачи системы водохрани-лищ//Оптимальное использование водных ресурсов:Тр.сим-поз.Варна: ИВП БАН,1983. С. 397-404.

58. Коробова Д.Н.,Пойзнер В.И.,Меньшиков И.С.,Чабан А.Н. 0 построении диспетчерских графиков работы водохранилищ //Вод.ресурсы. 1986. No 2, С. 151-161.

59. Крицкий С.Н. 0 направлении исследований в области теории использования водных ресурсов//Проблемы изучения и комплексного использования водных ресурсов. М.: Наука, 1978. С.163-174.

60. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Расчет многолетнего регулирования- 141 речного стока на основе теории вероятностей. Труды ВИСУ, Гидротехнический сборник, No 4, 1932.

61. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Водохозяйственные расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1952. 392 с.

62. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления речным стокам. М.:Наука, 1981. 254 с.

63. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления речным стокам. М.:Наука, 1982. 271 с.

64. Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. М.:Изд-во МГУ, I960. 344 с.

65. Кумсиашвили Г.П. Регулирование стока и охрана природных вод. М.:Изд-во МГУ, 1980. 136 с.

66. Матросов А.С.Водоснабжение Москвы (в вопросах и ответах). М.: Моск. рабочий. 1983. 141 с.

67. Минкин Е.Л. Взаимосвязь подземных и поверхностных вод и ее значение при решении некоторых гидрогеологических и водохозяйственных задач. М.: Стройиздат, 1973. 103 с.

68. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. М.:Мир,1975.

69. Никитин С.Н. Методика водноэнергетических расчетов. М.; Л. .-Госэнергоиздат, 1949 . 238 с.75.0зиранский Ю.С. Управление режимами работы водохранилищ при объединении речных бассейнов: дис. канд. техн. наук. М.: 1906. 100 с. г.™

70. Плешков Я.Ф. Регулирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 560 с.

71. Плоткин Ю.Г. Применение имитационного подхода к анализу функционирования системы озер бассейна р. Вуокса //Вод. ресурсы. 1989. No 4. С.161-172.

72. Плотников Н.И. Оценка запасов подземных вод М.: Госгеолте-хиздат, 1959.

73. Потапов М.В. Регулирование стока. М.: Сельхозгиз, 1951.

74. Проблемы надежности при многоцелевом использовании водных ресурсов М.:Наука, 1994. 224 с.

75. Пряжинская В.Г. Математическое моделирование в водном хозяйстве. М.: Наука, 1985. 112 с.

76. Пряжинская В.Г. Моделирование водохозяйственных систем(эко-лого-экономические аспекты) М.: ИБП РАН, 1992. 350 с.

77. Резниковский А.Ш., Рубинштейн М.И. Управление режимами во- 142 дохранилищ гидроэлектростанций. М.: Энергия, 1974. 175с.

78. Резниковский А.Ш., Рубинштейн М.И. Диспетчерские правилаупрвления режимами водохранилищ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 105 с.

79. Рыбкин С.И. Статистический опыт к расчету многолетнего регулирования стока на основе теории вероятностей и его результаты// Тр. I Совещания по регулированию стока. М.:Изд-во АН СССР, 1946 б.

80. Саваренский А.Д. Регулирование речного стока водохранилищами. М.: Изд-во АН СССР, 1951,

81. Саваренский А.Д. Водохозяйственные расчеты при регулировании стока. Куйбышев: Куйбышевское краевое изд-во, 1935. 108 с.

82. Системный подход к управлению водными ресурсами. М.: Наука, 1985. 392 с.

83. Соколовский Д.Л. Применение кривых распределения к установлению вероятных колебаний годового стока рек Европейской части-СССР, 1930.

84. Фельдман М.П. Оптимальное распределение и расчетная обеспеченность отдачи водных ресурсов при комплексном их исполь-зовании//Оптимизация параметров и режимов компонентов водохозяйственного комплекса. М.:Изд-во ЭНИН, 1973. С. 13-37.

85. Фельдман М.П., Великанов А.Л., Бестужева К.Н. Оптимальное распределение водных ресурсов при проектировании комплексных водохозяйственных систем//Тез. докл. 1-го симпозиума "Водохозяйственные системы". Прага, ЧССР, 1972.

86. Хранович И.Л. Потоковые модели оптимального развития водохозяйственных систем //Научные основы рационального использования охраны и управления водными ресурсами. ч.1, Москва,1. МГУ, 1983. С.60-69.

87. Хранович И.Л. Моделирование оптимального развития водохозяйственных систем: потоковый подход// Автоматика и телеке-ханика, 1984. I-N 9, с.121-128. II-N 10, с. 121-130- 143

88. Хранович И.Л. Математические модели оптимального развитйя водохозяйственных систем//Применение средств ВТ для моделирования задач экономики и управления, М.: МДНТП, 1989. с. 36-41

89. Хранович И.Л. Математические модели обоснования гаратиро-ванной отдачи вод©хозяйственныхсистем. II. задачи развития //Вод.ресурсы. 1990. No 2. С. 154-167.

90. Цветков Е.В., Методы ресчета оптимального регулирования речного стока водохранилищами гидроэлектростанций на ЦВМ. М.: Энергия, 1967. 135 с.

91. Цветков Е.В., Алябышева Г.Н., Парфенов Л.Г. Оптимальные режимы гидроэлектростанций в энергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1984. 303 с.

92. Чокин Ш.Ч. Расчетная обеспеченность роботы гидроэлектростанций. Алма-Ата.: Изд-во АН КазССР, 1958.

93. ЮО.Чокин Ш.Ч., Мальковский И.М., Паутов А.С. Основы методики определения расчетной обеспеченности отдачи водохранилища гидроузла многоцелевого назначения//Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. Алма-Ата.: Изд-во Наука, КазССР, 1978. вып. 14.

94. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.:Мир, 1977.

95. Ю2.Шнайдман В.М. Имитационная модель управления каскадом водохранилищ речного бассейна//Вод.ресурсы. 1991. No 3. С.168-175.

96. ЮЗ.Щелкачев В.Н. Упругий режим пластовых водонапорных систем. М:. Гостоптехиздат, 1959.

97. Научный отчет по теме "Исследование надежности управления ВХС на основе теории регулирования стока", ИВП РАН, Москва, 1985 г.

98. Научный отчет по теме "Разработка математических моделей для выбора параметров водохозяйственных систем при совместном использовании поверхностных и подземных вод", ИВП АН СССР, Москва, 1990 г.

99. Научный отчет по теме "Разработка принципов совместного использования поверхностных и подземных вод Московского региона" ИВП РАН Москва, 1994 г.

100. Dagli С.Н. Miles J.F. Determining operating policies for water resource systems. //J. of Hydrology, 1980. N 4734.. P. 297-306.

101. Economic optimisation and simulation techniques for manegement of regional water resource systems. Report 179. // Texas Water Deve- lopment, 1974. V. 6. P. 2-12.

102. Hall W.A., Buras N. The dinamic programming approach to water resource development.// J. of Geophysical Research, 1961, V. 66. P. 119-134.

103. Hall W.A., Tauxe G.W., Yeh W.W. An alternative prosedure for the optimization of operation for planning with multiple-purpose river system.// Water Resources Research, 1969, V. 5. N 6. P. 1367- 1372.

104. Kumciashvili G.P., Ushakova I.S. Maximum level of use of local water resources in urbanizational territories// International symposium " Integrated water management in urban areas" Lund 26-30 September 1995, p.315-325

105. Yong G.K., Finding reservoir operating rules. J& Hydraulics Div. ASCE, 1967, vol.93, N HY6.