Понятие водоотдачи. Временной ряд

В этом разделе представлены основные параметры и ключевые понятия, связанные с определением водоотдачи, о которой говорится в этой главе.

Временной ряд. Временной ряд определяется как хронологическая последовательность данных, таких как сток, осадки и испарение в определенном месте. Ежемесячные данные чаще всего используются при определении водоотдачи больших систем водных ресурсов, однако могут быть выбраны данные, осредненные за более или менее короткие интервалы.

Как можно увидеть на рисунке II.4.3, временной ряд данных о стоке определяет водоотдачу реки. Если сток постоянен, например водоотдача равна среднему стоку, то он теоретически может быть отведен без регулирования. Чем больше изменчивость стока, тем выше необходимость регулирования посредством водохранилищ.

Природные воздействия. Потери стока рек вследствие, например, испарения и инфильтрации, являются частью гидрологического цикла и находят свое отражение в рядах наблюдений за стоком, которые используются для определения водоотдачи. Создание крупных водохранилищ в качестве средства регулирования стока изменяет природные условия равновесия, результатом чего, как правило, являются дополнительное испарение и инфильтрация.

Испарение. Слой воды, испаряющейся ежегодно с поверхности водохранилища, может изменяться от примерно 400 мм в условиях холодного влажного климата до более 2 500 мм в жарких засушливых регионах. Следовательно, испарение является важным фактором во многих проектах и заслуживает серьезного внимания.

Методы оценки испарения с водохранилищ по данным об испарении по испарителям и по метеорологическим данным описаны в разделе 4.2, том I, настоящего Руководства. В случае отсутствия данных об испарении по испарителям или соответствующих метеорологических данных в близлежащих от водохранилища пунктах для определения испарения с водохранилищ используются региональные расчетные значения этих характеристик.

При расчетах водного баланса важно учитывать фактическое испарение (см. раздел 4.2.3, том I), учитывая осадки на поверхность водохранилища. Так как периоды высокого и низкого стока обычно соответствуют влажным и сухим климатическим условиям, наиболее реалистичное представление фактических условий можно получить там, где временные ряды осадков или испарения и стока полностью синхронизированы. Если соответствующие данные по испарению не будут доступны, как это часто бывает на практике, могут быть использованы среднемесячные данные, по крайней мере, для отражения сезонных колебаний.

Испарение с поверхности водохранилищ представляет собой потерю не только потенциальной водоотдачи, но и потерю воды из системы ресурсов поверхностных вод и, таким образом, фактическую потерю ресурсов. Особое внимание должно уделяться минимизации испарения. По возможности, при выборе местоположения плотины при проектировании водохранилища следует ориентироваться на минимальное значение площади водной поверхности к единице объема воды.

Были проведены обширные исследования в отношении снижения испарения с поверхности воды путем распространения на ней мономолекулярных пленок (см. раздел 4.4.1, том I). Однако основные проблемы, связанные с применением этих методов для больших водоемов, остаются пока нерешенными.

Термическая стратификация водохранилищ и различие в температуре воды приточных и сбрасываемых вод могут оказывать значительное влияние на испарение с водохранилища. Это влияние почти невозможно определить теоретически и лучше всего оценивать его путём сравнения с существующими водохранилищами.

Инфильтрация. Потери воды из водохранилищ вследствие инфильтрации или просачивания в значительной степени зависят от местных гидрогеологических условий.

Плотины в основном располагаются на хорошем геологическом основании, где геологические образования под бассейном относительно непроницаемы. В таких условиях уровень грунтовых вод, залегающих в непосредственной близости от нового водохранилища, в целом стабилизируется в новом состоянии равновесия спустя некоторое время после введения нового водохранилища в эксплуатацию с относительно небольшими и даже незначительными потерями за счет инфильтрации.

Там, где бассейн водохранилища целиком или частично подстилается проницаемыми слоями, такими как пески, доломиты и карстовые образования, потери могут быть значительными. Меры по контролю таких потерь могут быть технически сложными и дорогостоящими и могут сделать проект неосуществимым.

Оценить ожидаемые потери за счет инфильтрации и просачивания можно посредством геологических изысканий в бассейне водохранилища и в месте расположения плотины, а также путем сравнения с существующими водохранилищами в аналогичных условиях. В отличие от потерь, вызванных испарением, потери, вызванные инфильтрацией и просачиванием, не обязательно представляют собой фактические потери ресурсов, поскольку они могут пополнять подземные воды или сток реки ниже по течению от плотины.

Отложение наносов. Отложение наносов в водохранилищах со временем уменьшает его вместимость, а, следовательно, может повлиять на водоотдачу водохранилища в долгосрочной перспективе и осуществимость проекта.

По этой причине проект любого водохранилища должен учитывать ожидаемое количество наносов, которое отложится в течение экономического срока службы плотины, и предусматривать эквивалентный объем дополнительного свободного пространства в ложе будущего водохранилища или принимать в расчет уменьшение со временем ёмкости водохранилища, а значит и водоотдачи. Если водохранилище аккумулирует наносы, то река, вероятно, будет больше размывать свое русло ниже по течению, и это следует принять во внимание на ранних стадиях планирования.

Для того чтобы обеспечить соответствие расчетных значений отложений наносов фактическим, необходимо разработать программу батиметрических исследований. Это особенно актуально в регионах, где перенос наносов происходит эпизодически и связан с непрогнозируемыми и экстремальными гидрологическими явлениями, например в полузасушливых и засушливых районах, а также там, где изменения условий землепользования привели к увеличению эрозии.

Батиметрические исследования могут проводиться с использованием стандартных методов глубинного зондирования, либо с помощью соответствующего дистанционного зондирования. В зависимости от количества наносов и распределения гранулометрического состава, а также характеристик реки и бассейна водохранилища, большая часть наносов может аккумулироваться на верхних участках водохранилища.

По этой причине удаление наносов — сложный или дорогостоящий процесс. Однако можно спроектировать водосбросные сооружения, которые периодически могут использоваться для сброса части накопившихся наносов из водохранилища. Более подробная информация о наносах, характеристиках процесса их переноса и возможных мерах по очистке может быть получена в главе 5, том I, и в разделе 4.8, том II.

Воздействие антропогенной деятельности. Освоение водных ресурсов и некоторые виды землепользования на территории, лежащей выше по течению от проектируемого водохранилища, меняют естественные характеристики стока в месте расположения водохозяйственного объекта и могут оказывать значительное воздействие на водоотдачу водохранилища. Освоение водных ресурсов может включать в себя строительство регулирующих сооружений, водозаборов, водоотводящих конструкций, возврат вод и переброску стока из других водосборов.

Наибольшее воздействие на водные ресурсы и наносы оказывают следующие виды хозяйственной деятельности: урбанизация, лесонасаждение, вырубка лесов, выращивание определенных сельскохозяйственных культур, например для производства риса и сахара, денудация земли и некоторые методы сбора дождевого стока. В последующих разделах данной главы рассматривается подобная деятельность и предоставляется информация, которая будет полезна при оценке возможных последствий влияния деятельности человека.

При определении водоотдачи системы водных ресурсов важно надлежащим образом учитывать антропогенные факторы. В частности, необходимо принимать во внимание любые тенденции и должным образом учитывать возможные будущие изменения.

Данные наблюдений за стоком воды. Ряды данных наблюдений за стоком или фактические данные о стоке относятся к полевым данным (см. главу 5, том I). Следовательно, такие ряды, по сути, отражают последствия влияния деятельности человека и, за исключением естественных или незатронутых водосборов, показывают некоторые изменения с течением времени. В целом ряды данных наблюдений требуют некоторой обработки для заполнения пропусков в данных (см. раздел 9.7.2, том I) и для оценки последствий освоения.

Временные ряды естественного стока. Временные ряды естественного стока отражают характеристики стока до воздействия на него человека. На совершенно неосвоенных водосборах наблюдаемый сток в полной мере отражает природные условия. Для водосбора, где освоение имеет место, реалистичные оценки того, каким был бы сток в естественных условиях, можно получить путем расчета воздействия различных влияющих факторов и путем корректировки временных рядов стока соответственно.

Искусственные временные ряды стока. Искусственные ряды — это ряды, которые формируются с помощью компьютерной модели. По отношению к стоку используют два вида искусственных рядов: детерминистические и стохастические ряды.

Детерминистические ряды в основном используются для пополнения и расширения недостаточных временных рядов стока. Это достигается за счет использования гидрологических моделей, как описано в главе 6.

Стохастический ряд — это тот, который случайно меняется во времени, возможно, с некой структурой зависимости, и может заменить ряд наблюденных данных при оценке будущих состояний (Box and Jenkins, 1970; Pegram and McKenzie, 1991; Hipel and others, 1977). Статистические свойства стохастически созданных рядов таковы, что, они, как считается, появляются из той же генеральной совокупности и генерируются на основе тех же природных процессов, которые характеризуют естественные временные ряды, лежащие в их основе.

Стохастические последовательности данных, упомянутые в этой главе, в основном относятся к стоку и используются для исследования вероятностного поведения водоотдачи из водохранилищ. Однако те же принципы отбора и обработки данных могут применяться к временным рядам осадков и другим гидрологическим переменным, которые имеют большое значение для исследования водных систем.

Целевой попуск воды. Целевой попуск — это предполагаемый объем воды, который собираются получить из водохранилища или водной системы для обеспечения ее потребностей на определенный период, обычно выражается как годовая величина.