Вероятностный метод. Зависимость ёмкость-сток

Зависимость ёмкость-сток. Проектирование и эксплуатация водохранилища является важным компонентом большинства проектов в области освоения водных ресурсов. Хотя проектная мощность хранилища будет зависеть от потребностей в воде, основным фактором, влияющим на это решение, будет доступный объем стока в реке на месте планируемого водохранилища. Однако его величина колеблется от года к году, и такая изменчивость должна быть принята во внимание.

Точная оценка емкости водохранилища имеет очень большое значение. Если емкость будет недостаточной, будущее водохранилище не будет служить обществу в полной мере, что может привести к непроизводительному расходованию скудных водных ресурсов. Вместе с тем преувеличенная оценка емкости может привести к тому, что водохранилище будет редко заполняться, несмотря на высокую стоимость строительства, таким образом проект окажется невыгодным.

Следовательно, критерии для выбора емкости водохранилища должны включать в себя не только общий спрос на воду, но и то, с какой обеспеченностью он должен удовлетворяться. Например, обеспеченность гарантированной водоотдачи 75 % означает, что для целей орошения воды будет хватать, по крайней мере, в течение трех из каждых четырех лет.

Стопроцентная обеспеченность гарантированной водоотдачи означает, что необходимое количество воды будет доступно каждый год — в 100 % случаев, но это может быть достигнуто, только если норма водоснабжения меньше, чем в случае 75 % обеспеченности водоотдачи. Это, в свою очередь, будет удовлетворять потребности в воде гораздо в меньшей степени.

В разных странах существуют различные критерии для планирования водохозяйственных проектов. Понятие процента обеспеченности с допущением определённой вероятности отказа часто применяется в развивающихся странах, поскольку они придают огромное значение экономической рентабельности проектов.

С другой стороны, в развитых странах, например в Соединенных Штатах Америки, основным критерием является удовлетворение потребностей в воде для конкретной цели почти со 100 % вероятностью. Процент также варьируется в зависимости от назначения водохранилища. Как правило, он может быть установлен на уровне 75 % для орошения, 90 % для гидроэлектростанций и 100 % для коммунального водоснабжения.

Для определения стока заданной вероятности в заданном створе реки может быть использована следующая методика:

a) годовая водоотдача брутто или естественный объем стока, также известный как незарегулированный или исторический сток. Она определяется как сток, который имел бы место в данном створе реки, если бы не было никаких заборов воды или перераспределения стока из-за пределов речной системы на верхних участках. В этом случае естественная инфильтрация и испарение не принимаются во внимание.

Естественный сток может быть определен путем добавления к наблюдаемому притоку вод, забранных для орошения, бытового и промышленного применений как из поверхностных, так и из подземных источников, вод, удерживаемых в водохранилищах (как поверхностных, так и подземных) и потерь за счет испарения из водохранилищ, и вычитания возвратных вод от различных видов использования от поверхностных и подземных источников. Это представлено в следующем уравнении:

где R_n является естественным стоком, R_o — наблюдаемый приток, R_ir — водозабор на орошение, R_d — водозабор для бытовых, промышленных и других нужд, R_gw — отвод грунтовых вод, R_ri — возвратная вода с орошаемых площадей, R_rd — возвратная вода от бытовых, промышленных и других объектов, R_rg — приток подземных вод, S — увеличение объёма воды в водохранилище и в бассейне, и E — это полное испарение с поверхности водохранилищ.

Если присутствует межбассейновый переход воды в бассейн реки или из него, ее количество будет соответственно вычтено от показателя R_n или прибавлено к нему;

b) чтобы установить процент обеспеченности стока в данном створе реки, для которого имеется ряд непрерывных наблюдений за естественным стоком в течение нескольких лет N, годовые значения естественного стока ранжируют в порядке убывания. Значению стока за каждый год присваивается порядковый номер сверху вниз и, если M — это порядковый номер года, обеспеченность стока для этого года (D) рассчитывается по следующей формуле: 100M/N. Некоторые предпочитают этой формуле вариант 100M/(N+1);

c) год, который будет представлять заданную обеспеченность стока, может быть установлен непосредственно, используя соотношение M = DN/100 или D(N+1)/100 и величину стока заданной обеспеченности, полученную с помощью ряда наблюдений за естественным стоком. В случаях, когда M не является целым числом, могут потребоваться небольшие интерполяции между значениями стока двух лет, между которыми находится M, с тем чтобы получить ближайший надежный сток, точно соответствующий заданной обеспеченности;

d) такие же результаты будут получены при ранжировании рядов наблюдений за стоком по возрастанию, а не по убыванию.

Естественный сток, полученный из уравнения (4.3), может быть также использован для распределения стока между различными потенциальными пользователями, такими как прибрежные государства.