Реферат Курсовая Конспект
Лекция 4 Моделирование развития и функционирования водохозяйственной системы - Лекция, раздел Образование, Лекция 1 Цели и задачи водохозяйственного проектирования 1.Введение в водохозяйственное планирование к проектирование Вопросы: 1. Учёт Нестационарности Речного Стока Яри Оценке Перспекти...
|
Вопросы:
1. Учёт нестационарности речного стока яри оценке перспектив его использования.
2. Восстановление естественных характеристик речного стока.
1. Учёт нестационарности речного стока при оценке перспектив его использования
Сложившаяся практика гидрологических и водохозяйственных расчетов опирается на представления о стационарности стока и обусловливающих его гидрометеорологических процессов. При этом подходе нарастающие изъятия воды или изменение располагаемых водных ресурсов вследствие регулирования стока учитываются выполнением расчетов для нескольких уровней развития водохозяйственной системы (ВХС), для каждого из которых принимаются стационарными, как режим стока, так и режим изъятий воды**.
В последнее время на повестку дня ставится учет нестационарности стока, обусловленной глобальным потеплением; на этой позиции стоит большое число климатологов, хотя количественные оценки глобального потепления не всегда совпадают. Еще менее достоверными пока что являются региональные оценки климатических изменений, в особенности соответствующие изменения составляющих водного баланса. Это заставляет по-новому подходить как к назначению параметров водохозяйственных установок, так и к составлению правил их эксплуатации. Оба этих класса задач опираются на оценки располагаемых водных ресурсов в условиях нестационарного водного режима.
Ниже излагаются некоторые общие соображения по затронутым вопросам.
1. Учет нестационарности стока и других составляющих водного баланса необходим, если сохранение гипотезы о стационарности не может быть .распространено по крайней мере на 100-летие: 60 — 70 лет накопления натурных данных и 20 — 30 лет проектирования, создания и ввода в нормальную эксплуатацию ВХС. Большая длительность наблюдений в а стоком встречается редко, а более длительный период эксплуатации не поддается анализу из-за условностей в оценке требований потребителей к водохозяйственной установке.
* Разумеется, такой подход обуславливает появление погрешностей в результатах при наличии в ВХС водохранилищ многолетнего регулирования стока.
2. При расчете режима водохозяйственных установок основное значение из составляющих водного баланса имеет речкой сток — возможное изменение его параметров. Однако, при анализе режима естественных водных объектов (озер, внутренних морей) в равной мере важно учитывать также возможное изменение осадков и испарения с поверхности водоема. Разумеется, во всех случаях нельзя упускать из виду изменение водопотребления, в особенности орошаемым земледелием.
Оценка нестационарности элементов водного баланса обязательно должна учитывать изменение как нормы, так и других статистических характеристик годового стока: изменчивости, асимметрии и автокоррелированности, а также внутригодового распределения стока. Вероятно, в процессе развития соответствующих исследований на первых этапах придется вводить те или иные гипотезы в отношении изменений асимметрии и автокоррелированности. Что касается изменчивости (коэффициента вариации) и внутригодового распределения, то тенденции в динамике этих характеристик должны быть предметом пристального внимания с самого начала работ. Действительно, именно располагаемые водные ресурсы в маловодные периоды (годы, сезоны) определяют условия водообеспечения потребителей и эффект водохозяйственных установок и мероприятий.
3. При одновременном нарушении всех указанных выше характеристик режима водного объекта изменение водных ресурсов и эффекта водохозяйственных установок не обязательно должно идти монотонно или с трендом одного знака. При нарушении всего двух параметров - нормы и изменчивости (например, при одновременном их увеличении) суммарный эффект может меняться во времени даже по знаку, поскольку рост нормы обусловливает увеличение располагаемых водных ресурсов, а рост изменчивости — уменьшение их в маловодные годы.
Возможное изменение имеющихся водных ресурсов в результате изменений режима стока показано в табл. 5. В ней приведены результаты расчета по изменению водных ресурсов при многолетнем регулировании стока на реке с коэффициентом вариации годового стока CVo = 0,5 и коэффициента его автокорреляции 0,2 при многолетней составляющей емкости водохранилища, равной норме стока v0. В табл. 2. приведено изменение обеспеченности водоотдачи по числу бесперебойных лет вследствие отклонения нормы стока и коэффициента его вариации на ±10%.
В рассмотренном примере изменение нормы стока влияет сильнее па обеспеченность водоотдачи, чем одинаковое относительное изменение коэффициента вариации. Однако вполне вероятно, что вариация может претерпеть большие относительные изменения как менее устойчивая величина, характеризующаяся большими случайными ошибками. При других сочетаниях числовых значений статистических параметров нарушение изменчивости может сильнее повлиять «а результаты, чем такое же относительное нарушение нормы стока.
Таблица 2. |
Обеспеченность | водоотдачи | ||
Норма | Изменчивость Cvo> % | ||
0,9 | 1,0 | 1,1 | |
0,9v0 | 88,4 | 83,3 | 81,0 |
l,0v0 | 93,2 | 90,6 | 87,7 |
I.IVq | 97,5 | 94,5 93,0 |
2. Восстановлен ие естественных характеристик речного стока
Преобразование природных ландшафтов и интенсивное использование речного стока в народном хозяйстве приводят к нарушению естественного гидрологического режима рек, изменению составляющих водного баланса речных водосборов.
Выделяют три основных вида хозяйственного влияния на речной сток:
— антропогенная деятельность, нарушающая естественные формирования стока (регулирование речного стока и русл, осушение болот и заболоченных земель, вырубка и восстановление лесов, агро-лесомелиорации, урбанизация и др);
— изъятие воды из русловой сети (промышленно-коммунальное и сельскохозяйственное водоснабжение, орошение земель, эксплуатация подземных вод, переброска стока);
— изменения климата (газового состава атмосферы, в частности повышение концентрации С02 - парниковый эффект, влагооборота в атмосфере и Др.)
Исследования влияния хозяйственной деятельности на речной сток в первую очередь необходимы:
— для изучения пространственно-временных закономерностей колебаний стока, обобщения его характеристик по территории и высотным зонам, оценки водных, ресурсов бассейнов рек, регионов, областей;
— составления водохозяйственных балансов, разработки и осуществления мероприятий по комплексному использованию и охране водных ресурсов;
— определения расчетных гидрологических характеристик при строительном и водохозяйственном проектировании;
— решения экологических задач, направленных на предотвращение ожидаемых и смягчение происшедших неблагоприятных нарушений природной среды в результате антропогенных изменений стока.
При этом приходится решать следующие основные задачи:
— восстановление значений естественного стока рек и оценка его изменения под влиянием хозяйственной деятельности;
— прогноз стока рек, соответствующего определенном уровню хозяйственного освоения водосбора.
Под восстановлением стока понимают приведение его характеристик к условиям хозяйственного освоения водосбора, соответствующим естественному (условно-естественному) периоду. За естественный (условно-естественный) принимают период от начала гидрометрических набльодений, в течение которого ряды стока с определенной доверительной вероятностью являются однородными.
Оценка исходной информации подразделяется на общую и статистическую.
Общую оценку осуществляют с помощью анализа комплексного графика (рис. 2), на который наносят гидрологические (сток, осадки и др.) и водохозяйственные характеристики (годы сооружения водохранилищ, каналов, промышленно-коммунальных и оросительных водозаборов и др.). Анализируя график, можно выявить моменты нарушения гидрологического режима и его характеристик в связи с хозяйственной деятельностью.
При антропогенных процессах, развивающихся во времени относительно медленно (орошение, осушение, сведение лесов и т. п.), но охватывающих значительные площади водосбора, гидрологические последствия проявляются на комплексном графике в виде тренда (тенденции), а при разовых водохозяйственных мероприятиях (создание водохранилищ, переброска стока и т. п.) - в виде скачка.
Статистическая оценка исходной гидрометеорологической информации осуществляется с помощью статистических критериев однородности.
Перед количественной оценкой антропогенного изменения стока устанавливают момент (год, месяц), с которого началось нарушение естественного режима стока, одним из трех способов.
1.3а начало антропогенного влияния принимают момент проведения того или иного крупного хозяйственного мероприятия, осуществляемого на водосборе или в русле реки.
Этот способ применяют как основной лишь в случаях создания крупных водохранилищ или межбассейновых перебросок стока, когда достоверно известны даты ввода их в эксплуатацию.
2. Нарушение гидрологического режима устанавливают по интегральному графику связигде-последовательная сумма годового (сезонного) стока реки в замыкающем створе, режим которой нарушен хозяйственной деятельностью;- последовательная сумма годового
стока реки-аналога, не искаженного антропогенным влиянием за весь период наблюдений.
Рис.2. Комплексный график хронологического хода гидрологических
характеристик р. Днепра у г. Каховки за 1890 - 1980 гг.: 1 - сокращённая интегральная кривая годового стока; 2 - сток в замыкающем створе (Q); 3 - интегральная кривая стока; 4 - суммарный гидрограф притока по бассейнам - индикаторам (SQnp); 5 - коэффициент индикации (а = 2Qnp/Q); 6 и 7 - год ввода в эксплуатацию водохранилищ и каналов; 8 -средняя систематическая ошибка
Момент начала нарушения гидрологического режима Т соответствует точке перелома в ходе кривой.
3. Антропогенное изменение водного режима оценивают путем графического анализа временных колебаний значений коэффициентов индикации а с учетом изменения всех основных элементов водного баланса и хронологических характеристик хозяйственной деятельности.
Для водосборов, на которых можно выделить зону формирования с естественными характеристиками стока, коэффициент индикации
где- суммарный притокиз зоны формирования, mj/c;-сток в
замыкающем створе, м /с.
Наличие скачка или перелома во временном ходе коэффициента индикации а говорит о влиянии хозяйственной деятельности на сток. На реках с естественным водным режимом в графической зависимоститренд от-
сутствует, нет и скачков.
Согласно СНиП 2.01.14-83 восстановление стока осуществляется двумя группами методов:
— статистическими (регрессионными) с использованием парной и множественной корреляции;
— водно-балансовыми с учетом изменения всех элементов водного баланса речного водосбора и русла.
В основе первой лежит представление о правомерности экстраполяции корреляционных связей между стоком и стокообразующими факторами, полученных за естественный период, на период, нарушенный влиянием антропогенной деятельности. Изменение стока при этом оценивается по разности между рассчитанным по уравнению регрессии и измеренным в натуре стоком.
Вторая группа основана на анализе изменения элементов водного баланса под влиянием отдельных видов хозяйственной деятельности. В этом случае можно дифференцированно учитывать влияние каждого вида хозяйственной деятельности и их совместное влияние на сток, как в русловой сети, гак и на водосборе.
Водно-балансовые методы позволяют рассчитать не только происшедшие, но и ожидаемые в перспективе изменения водности рек.
Выбор метода диктуется как конечной целью, так и наличием исходной информации.
Когда исходная информация достаточна, целесообразно параллельно применять статистические и водно-балансовые методы. Окончательная оценка антропогенных влияний дается на основе сравнения результатов, полученных независимыми методами. Расхождение в оценках не должно превышать 20%. В противном случае необходимы дополнительный анализ и, если возможно, дополнительная информация.
Коротко рассмотрим эти методы.
Статистические методы. Они позволяют восстановить годовой и сезонный сток рек и оценить его изменение под влиянием комплекса факторов хозяйственной деятельности.
Расчет выполняют в такой последовательности:
— определяют зависимость стока от основных стокообразующих факторов за естественный период (условно-естественный);
— по найденной зависимости восстанавливают естественный сток за период с нарушенным водным режимом;
— по разности наблюденного и восстановленного стока оценивают его изменение под влиянием комплекса факторов хозяйственной деятельности.
Для определения зависимости стока от основных стокообразующих факторов по данным наблюдений используют метод парной или множественной линейной регрессии.
В общем виде уравнение множественной регрессии имеет вид:
где - годовой (сезонный) сток за естественный (условно-естественный) период, м; свободный член;характеристика естественных факторов (приток из зоны формирования, сток рек-аналогов, осадки и др.), mj;- коэффициенты регрессии.
Используют только те уравнения регрессии, для которых выполняются условия:
По уравнениям регрессии восстанавливают сток за период с нарушенным режимом.
Количественная оценка влияния факторов хозяйственной деятельности на сток определяется по разности между рассчитанными наблюденнымстоком:
По результатам расчетов, выполненных по нескольким уравнениям регрессии, устанавливают снижение стока. При невозможности получения нескольких уравнений регрессии оценка антропогенных изменений стока производится по одному варианту.
Среднеквадратическая погрешность расчета вычисляется по уравнению:
где и среднеквадратические погрешности соответственно восстановления и измерения стока;- число лет в периоде, для которого определяетсяРезультаты оценки изменений стокаможно считать надежными,
если их абсолютное значение
где- доверительный интервал погрешности расчета в долях ее сред-неквадратического значения.
При оценке надежности расчетадоверительная вероятность принимается равной 0,95; в этом случае= 2.
Для восстановления и оценки изменения средних за многолетний период значений годового стока допускается применять графические и графоаналитические способы расчета.
Если сток реки нарушен с самого начала инструментальных гидрометрических наблюдений, то его восстановление производится и оценивается по отношению к условиям хозяйственного освоения водосбора, соответствующим началу инструментальных наблюдений.
Водно-балансовые методы. Для восстановления годового и сезонного стока используют уравнение:
где- восстановленный сток, м ; - сток, измеренный в за-
мыкающем створе;- из-
менение стока под влиянием водохранилищ, орошения, перебросок, промышленно — коммунального и сельскохозяйственного водопогребления, осушения болот и заболоченных земель, вырубок леса и лесовосстановления, агролесомелиоративных мероприятий, mj.
Антропогенноевлияние оценивают с помощью уравнения:
Изменение стока под влиянием таких факторов, как промышленно-коммунальное и сельскохозяйственное водопотребление, переброска стока, определяют по данным единой государственной системы учета вод и их использования в народном хозяйстве. При отсутствии таких данных применяют приближенные способы их учета.
Для прогноза годового и сезонного стока рек на определенный уровень хозяйственного освоения водосбора используют уравнение:
где- прогнозируемый сток, м ;— естественный сток в замыкающем створе, м"5;- изменение стока под влиянием водохранилищ, орошения, перебро-сок,промышленно - коммунального и сельскохозяйственного зодопотребле-ния, осушения болот и заболоченных земель, вырубок леса и лесовосстанов-ления, агролесомелиоративных мероприятий, м3.
Для оценки возможных в перспективе изменений стока используют уравнение
Перспективнаяоценка изменения стока может быть выполнена для лет различной водности.
Для средних условий в качестве исходной информации принимают средние многолетние значения гидрометеорологических элементов.
Для расчета изменений стока в маловодные или многоводные годы используют данные наблюдений за период не менее 10-15 лет. Затем строят эмпирическую кривую обеспеченности и определяют потери стока под влиянием того или иного фактора хозяйственной деятельности различной обеспеченности.
Ориентировочно можно принять, что в исключительно маловодные (р = 95%) и многоводные (р = 5%) годы снижение стока под влиянием отдельных видов хозяйственной деятельности соответствует обеспеченности 5 и 95%.
Точность расчета по восстановлению речного стока и его антропогенных изменений оценивается среднеквадратическим значением совокупной погрешности составляющих уравнений:
Результаты оценки изменений стокаможно считать надежными, если их абсолютное значение:
При доверительной вероятностидоверительный интервал погрешности
Контрольные вопросы:
1. Что является причиной изменения составляющих водного баланса речных водосборов?
2. Поясните понятие "статистические критерии однородности". Для чего они нужны при проектировании ВХС.
3. Как определяется влияние фактора хозяйственной деятельности на сток?
4. Для чего необходимо учитывать кестагшонарность стока и других составляющих водного баланса при проектирований ВХС?
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Лекция Цели и задачи водохозяйственного проектирования... Вопросы Введение в водохозяйственное планирование к проектирование...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Лекция 4 Моделирование развития и функционирования водохозяйственной системы
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов