Глава вторая
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ
2-1. Характеристики водопотребления и водопользования
В водохозяйственных системах водные ресурсы используются различными водопотребителями и водопользователями. К водопотребителям относят таких участников водохозяйственных комплексов, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника на достаточно длительный срок, возвращая ее в водооборот иногда в другой бассейн или в атмосферу [Л. 32], а иногда в данный бассейн, но в створ реки, лежащий значительно ниже створа водозабора. Многие водопотребители возвращают воду в источник существенно худшего качества и с меньшим энергетическим потенциалом. Возвращение использованной воды в атмосферу является, по сути дела, безвозвратными потерями ее для данной водохозяйственной системы. Вероятность возвращения ее в данную реку в виде осадков очень мала, а проследить путь такого перемещения воды крайне трудно.
Масштабы роста безвозвратных потерь в водном хозяйстве СССР в ближайшем будущем были охарактеризованы в предыдущей главе. Приведенные там данные свидетельствуют о вероятно существенном росте безвозвратных потерь воды в ближайшие 20—30 лет. Суммарная их величина, видимо, вскоре будет соизмерима с устойчивой частью водных ресурсов страны.
Наиболее ответственным водопотребителем является водоснабжение. Оно подразделяется на питьевое, коммунальное, сельскохозяйственное, транспортное и промышленное [Л. 32]. В большинстве крупных городов и поселков имеющееся централизованное водоснабжение используется и для снабжения населения питьевой водой, и для коммунальных целей, и нередко для транспортного и промышленного водоснабжения. Процесс централизации водоснабжения позволяет объединить в дальнейшем в данной работе все его виды под одним общим названием — водоснабжение, хотя требования к подготовке воды в отдельных случаях могут быть различными. Следует заметить, что способы водоотведения после различных видов водоснабжения существенно могут отличаться друг от друга. Так, например, после водоснабжения промышленных предприятий, особенно химических, возвращающаяся в источник вода существенно меняет свой состав, а после водоснабжения тепловых и атомных электростанций — температуру. График водоснабжения в течение года имеет сравнительно небольшую неравномерность, повышаясь в летние месяцы года и снижаясь зимой. В многолетнем разрезе обычно водозаборы для целей водоснабжения неизменно возрастают. Имеет место также некоторая неравномерность водопотребления в суточном и недельном разрезе. Случайные геофизические факторы оказывают определенное, но не очень большое влияние на размеры и график водопотребления.
Важнейший характеристикой водоснабжения является его надежность.
Требования к надежности или обеспеченности водоснабжения очень велики. Это объясняется тем, что последствия от недодачи воды в некоторых случаях нельзя оценить экономически, так как они сводятся к неудобствам и лишениям населения. А в других случаях, хотя точные экономические оценки последствий от недодачи воды затруднительны, нежелательность ее очевидна, ибо она приводит к сокращению промышленного производства, к перегревам оборудования, к повышению вероятности аварий и т. д. Поэтому в водохозяйственных системах требования водоснабжения обычно удовлетворяются с высокой надежностью, практически бесперебойно в рассматриваемых при проектировании водохозяйственных систем ситуациях. Здесь не рассматриваются вопросы проектирования водоснабжения как такового, не связанного с комплексным использованием водных ресурсов. Проектирование такого водоснабжения, особенно в засушливых районах, имеет свою специфику.
Требования водоснабжения для многих современных водохозяйственных систем не очень существенны. Это объясняется тем, что для многих районов источником водоснабжения являются подземные воды (в целом по СССР до 70% воды па питьевые нужды), а для остальных водоснабжение пока еще редко совмещается с другими видами использования водных ресурсов. Однако в перспективе доля водоснабжения будет возрастать, и в ряде водохозяйственных систем оно будет или уже является важнейшим и значительным по масштабам используемых вод потребителем.
Учитывая регулирующие резервы, создаваемые обычно в системах водоснабжения, и запасы производственных мощностей, которые могут компенсировать неравномерность водопотребления, график водозабора для целей водоснабжения в водохозяйственных системах можно принимать приблизительно равномерным в течение года и слабо возрастающим в многолетнем разрезе. Небольшое снижение размеров водозабора для водоснабжения в неблагоприятных условиях маловодий принципиально допустимо, но нежелательно, т. е. обеспеченность нормальных отдач для водоснабжения высока (98—99%), а незначительно сниженных (на 10—20%) должна быть практически бесперебойной.
Все сказанное дает основание считать в дальнейшем водозаборы для целей водоснабжения при проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем характеристиками детерминированными. Небольшие случайные флуктуации самого водопотребления могут быть полностью зарегулированы собственными резервами систем водоснабжения, т. е. по сути дела складами готовой продукции этого водопотребителя. Моделирование случайных колебаний водопотребления при проектировании большинства комплексных водохозяйственных систем на данном этапе их развития не требуется.
Вторым крупным водопотребителем в водохозяйственных системах является орошение. Орошение земель необходимо в зонах с недостаточным увлажнением. Возможны два случая орошения:
- когда естественное увлажнение за счет осадков и запасов влаги в почве настолько незначительно, что возделывание сельскохозяйственных культур возможно только при их регулярных искусственных поливах;
- когда размеры воды, необходимой для орошения земель в отдельные периоды времени, существенно зависят от таких геофизических факторов, как осадки, дефицит влажности почв и т. д. Искусственное орошение является здесь лишь дополнением к естественной, изменяющейся из года в год увлажненности земель.
В первом случае общее количество воды, необходимой для орошения, в отдельные годы примерно одинаково и зависит лишь от состава поливаемых культур и распределения погодных условий в период вегетации. Во втором случае количество воды, необходимое для орошения, существенно меняется от года к году и, по сути, является характеристикой, зависящей от случайно изменяющихся геофизических факторов. Таким образом, в первом случае водопотребление для целей орошения в значительной степени является характеристикой детерминированной, определяемой заблаговременно при проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем в зависимости от состава культур и размеров орошаемых площадей. Внутригодовое распределение водозабора определяется графиками периодических поливов отдельных культур и массивов орошения, которые составляются при проектировании и эксплуатации оросительных систем. Случайные отклонения от указанных графиков, которые имеют место в реальной жизни, незначительны, а их влияние на урожайность культур невелико. Очень часто эти отклонения могут быть компенсированы аккумуляционными возможностями самих оросительных систем. Таким образом, в засушливых районах объем воды для целей орошения можно считать характеристикой детерминированной с вполне определенным внутригодовым распределением графика забора воды из реки.
Во втором случае и общий объем воды для целей орошения, и его внутригодовое распределение являются случайными характеристиками, зависящими от ряда геофизических процессов, прогноз которых с нужной заблаговременностью затруднителен. Геофизическими процессами, от которых зависят оросительные нормы в районах с переменной влажностью, являются: осадки и их внутрисезонное распределение, сумма температур воздуха за вегетационный период, величина испарения и транспирации, дефицит влажности почв и т. д. Зависимость оптимальных оросительных норм от сочетания указанных изменяющихся климатических факторов исследована недостаточно. По свидетельству [Л. 20], одной из причин этого являлось преобладание в СССР до недавнего времени развития орошения в сухих полупустынных и пустынных зонах, где, как указывалось выше, оросительная норма практически не изменяется в отдельные годы. Однако «... с широким развитием орошения в полузасушливых районах юга, юго-востока и в центральной полосе европейской части страны этот вопрос становится актуальным и требует своего решения» [Л. 20].
Как показано Б. А. Глейзером, с достаточным приближением учет всего многообразия геофизических и климатических факторов в ряде районов можно заменить учетом основного влияющего фактора—количества осадков в вегетационный период. Этот фактор в основном определяет объем воды, необходимый для орошения земель1, причем зависимость между количеством осадков О и оросительной нормой р в широком диапазоне обеспеченности осадков обратная и с достаточным при- ближением1ее можно принять линейной (рис. 2-1 [Л. 24]). При некотором минимуме осадков Омин (обычно этот минимум соответствует 95%-ной обеспеченности осадков) поливная норма соответствует ее полной величине для засушливых районов (μ=1).
Сохранение неизменяющихся из года в год поливных норм в таких районах приводит к переувлажнению почв, снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур, а в некоторых случаях и к засолонению и заболачиванию орошаемых земель.
Рис. 2-1. Схема определения оросительной нормы в зависимости от количества осадков в вегетационный период.
При некотором максимуме осадков (О0), когда их суммарная величина за вегетационный период соответствует нормальной поливной норме, формально искусственного орошения не требуется. Однако в соответствии с [Л. 24] «...трудности. прогнозирования, а также неравномерность (распределения осадков внутри расчетного периода практически приводят к тому, что такие поливы, как, например, осенняя влагозарядка и один—два вегетационных, проводят даже в самые влажные годы, образуя страховой резерв влажности почв», т. е. в годы с большим объемом осадков для орошения требуется минимальное количество воды μ0.
Алгоритм указанной выше графической интерпретации зависимости поливной нормы (в долях от оптимальной величины для засушливых районов) может быть представлен в следующем виде, заимствованном из работы [Л. 24]:
Для получения статистических характеристик такого случайно изменяющегося водопотребления необходимо иметь ряд наблюдений за осадками в рассматриваемом районе. Они могут быть использованы для непосредственного моделирования самих осадков с последующей их трансформацией в длинный ряд случайно изменяющегося водопотребления. Таким образом эти данные использовались в (Л. 24).
Другим путем, также уже использованным в проектной практике авторов, является путь предварительной трансформации данных наблюдений в ряд величии, характеризующих собой объемы воды, необходимые для целей орошения при некоторой планируемой площади орошения и заданном составе сельскохозяйственных культур в системе. И в том, и другом случае при моделировании осадков или случайно изменяющегося водопотребления требуется учитывать их корреляционные связи с процессом речного стока. Физическое объяснение таких связей затруднений не вызывает. Абсолютная величина показателя таких связей может быть неодинаковой для разных районов. Так, например, для бассейна р. Прут в Молдавской ССР (см. [Л. 24] между годовой суммой осадков и годовым объемом стока получен показатель связи р=0,54±0,08. А для бассейна р. Эмбы в Казахстане показатель связи между речным стоком и размерами случайно изменяющегося водопотребления оказался близким к нулю.
Таким образом, водопотребление для целей орошения, может быть, для некоторых районов характеристикой детерминированной, а для других — случайно изменяющейся в зависимости от колебаний некоторых геофизических процессов, в общем случае коррелятивно связанных с процессом речного стока.
И в том, и в другом случае очень важной характеристикой объемов воды для целей орошения является их обеспеченность. Обычно в проектной практике для комплексных гидроузлов эта величина принимается равной 75%, для некоторых особо важных сельскохозяйственных районов ее повышают до 80 и даже до 90%, что не всегда удается обосновать экономически. В настоящее время оросительные системы не бывают монокультурными, на орошаемых площадях в пределах одного района обычно возделываются и более, и менее ценные культуры, которые бывают и более, и менее устойчивыми в отношении поливных норм. Под последним подразумевается возможность компенсации снижения поливных норм некоторыми дополнительными агротехническими и организационными мероприятиями, т. е. в хозяйствах всегда имеются возможности выделения наиболее ответственных культур, для которых обеспечивается большая надежность орошения. Для менее ценных и более устойчивых культур сравнительно небольшое снижение поливных норм в отдельные годы хотя п приводит к дополнительным затратам п некоторому уменьшению урожайности, но по экономическим соображениям в большинстве районов вполне допускается. Только в более неблагоприятные по водности годы для менее цепных культур возможна необходимость сокращения площади орошения.
Дальнейшее увеличение объема дефицита воды может приводить к недополивам ценных культур, т. е. к потерям их урожая в данном году. Кроме того, катастрофические дефициты воды в орошаемом земледелии могут приводить к гибели многолетних культур, фруктовых деревьев и виноградников, т. е. к потерям, невосполнимым в течение ряда лет. Из сказанного следует: 1) допустимость частого (например, с обеспеченностью 75%), но небольшого по абсолютной величине снижения нормальных размеров воды для целей орошения (10—20—30% в зависимости от состава культур); 2) необходимость поддержания высокой надежности сниженных расходов в оросительных системах (обеспеченность 95—98%); 3) необходимость решения вопроса о рациональном соотношении (в тех или иных условиях водности) между размерами снижения поливных норм у отдельных культур и масштабами сокращения площадей орошения в данном году (вообще этот вопрос следует решать в каждой системе заблаговременно при ее проектировании в соответствии с расчетной обеспеченностью отдач и лишь уточнять в процессе эксплуатации). Основанием для таких уточнений могут быть только плановые отклонения в развитии системы от намеченного проектом.
Внутригодовое распределение потребностей воды для целей орошения при детерминировано заданном ее годовом объеме определяется графиками поливов, составляемых в оросительных системах заблаговременно. Эти графики устанавливают оптимальную периодичность поливов отдельных культур и очередность подачи воды отдельным районам и хозяйствам. В нормальных условиях эксплуатации эти графики должны строго выполняться, т. е. внутригодовое распределение подачи воды для целей орошения в засушливых районах детерминировано.
В районах со случайно изменяющимися потребностями воды для целей орошения их внутригодовое распределение также зависит от случайно изменяющихся геофизических факторов и не может быть запланировано заблаговременно. При моделировании такого водопотребления внутригодовое распределение также следует моделировать обычными способами (см. ниже).
Особенностью водопотребления для целей орошения является возврат некоторой части забранных из источника водных ресурсов обратно в источник ниже места водозабора. Первая, регулярная часть возвратных вод попадает в источник через коллекторную сеть оросительных систем, другая — подземным путем за счет инфильтрации или скатываясь по поверхности бассейна непосредственно в речное русло. Первая часть может быть учтена, учет второй затруднителен. Несомненно лишь, что и годовой объем возвратных вод, и их внутригодовое распределение изменяются из года в год. Эти воды используются повторно на нижележащих участках реки, являясь добавкой к речному стоку. Их следует моделировать при проектировании водохозяйственных систем. Значительной трудностью при этом является недостаток данных наблюдений за возвратными водами в действующих оросительных системах. В гидрологической литературе имеются сведения о методах, которые могут быть применены для выявления статистических характеристик этого случайного и трудно поддающегося физическому анализу процесса в действующих системах. Одним из таких методов является метод, основанный на принципе «черного ящика», т. е. когда наблюдения ведутся только за входным и выходным процессами и когда описания всего комплекса трансформации входного процесса в выходной заменяется характеристиками стохастических связей между ними. Эти вопросы представляются в настоящее время еще недостаточно разработанными, однако их актуальность представляется бесспорной. Работы этого направления ведутся в США [Л. 52].
В СССР были проведены комплексные исследования ирригационных водозаборов и возвратных вод в бассейне р. Сырдарьи. Они охватывают широкий круг вопросов и могут служить хорошей основой для решения поставленных выше задач применительно к существующим в бассейне Сырдарьи оросительным системам.
Для проектируемых систем прогноз характеристик возвратных вод представляется еще более трудным. Исследования в этом направлении идут в получении региональных закономерностей на основе материалов наблюдений и в разработке методов их перенесения на проектируемые системы. Примером таких комплексных исследований могут служить упомянутые выше проработки в бассейне р. Сырдарьи [Л. 7]. Их описание выходит за рамки данной работы. В качестве наиболее интересной иллюстрации в плане вышеизложенного на рис. 2-2 приведены графики водозаборов и возвратных вод в одной из систем за несколько лет наблюдений.
Водопотребителем является искусственное рыборазведение. Нерестово-выростные и прудово-рыбоводные хозяйства забирают из источника воду, часть которой безвозвратно теряется за счет ее испарения с водной поверхности водоемов.
Рис. 2-2. Гидрографы водозабора на орошение (1) и возвратных вод (2) в оросительной системе (по Т. Н. Аткарской [Л. 7]).
Размеры этого испарения могут быть значительными. Так, например, по данным ЭНИН ожидается, что в 1975 г. в бассейне Волги они составят около 7 км3. График водопотребления на указанные нужды может быть жестко задан, и удовлетворение этого графика требует очень высокой надежности. Эту характеристику водопотребления следует считать вполне детерминированной. Небольшими вариациями размеров испарения от года к году ввиду сравнительно небольших площадей водоемов, видимо, в первом приближении можно пренебречь.
В соответствии с приведенным выше определением своеобразным водопотребителем является само водохранилище для регулирования речного стока как источник безвозвратных потерь воды на испарение с водной поверхности водохранилища. Для некоторых засушливых районов, где сооружаются крупные водохранилища, указанные потери, являющиеся неизбежным следствием регулирования речного стока, могут быть значительными. Ими нельзя пренебрегать в расчетах регулирования стока. Поэтому, относя эти потери на всех участников комплекса или только на некоторых, заинтересованных в регулировании стока и создании водохранилищ как таковых, будем считать этот вид потерь водопотребителем при комплексном использовании речного стока. Его характеристики существенно различны в зависимости от местоположения водохранилищ. Так, например, в районе Сибири годовой слой испарения оценивается в среднем величиной 0,15 м, в районе Центра и Поволжья — 0,4 м, на Юге и в Казахстане — 0,5—0,6 м, а в засушливых областях Средней Азии приближается к 1 м.
Важной характеристикой испарения является его изменчивость из года в год. Как показывают проработки, эта характеристика по абсолютной величине даже в засушливых районах не очень велика (С<0,1). В увлажненных районах ее практически можно принимать постоянной величиной. Определенный интерес представляют и характеристики корреляционной связи испарения со случайно изменяющимся водопотреблением. Так, например, для бассейна р. Эмбы в Казахстане оценка этой характеристики оказалась равной 0,77, т. е. достаточно высокой. Очевидно, что при проектировании водохранилищ в этом районе такую связь необходимо учитывать.
Внутригодовая изменчивость испарения с поверхности водохранилища зависит от режима его сработки и наполнения и от климатических характеристик района. В качестве примера такой зависимости может служить рис. 2-3, на котором приведены данные, относящиеся к Мингечаурскому водохранилищу на р. Куре.
Таким образом, потери на испарение с поверхности водохранилищ в большинстве районов СССР можно считать детерминированной характеристикой в многолетнем разрезе, в некоторых засушливых районах эта характеристика случайно изменяется из года в год. Однако коэффициенты изменчивости этой характеристики невелики. Внутригодовое распределение испарения достаточно устойчиво. Его суммарная величина в отдельные месяцы зависит от площади водохранилища, т. е. является функцией режима его сработки и наполнения. При большом удельном весе потерь на испарение с водной поверхности их следует моделировать и учитывать при оптимизации режимов работы водохранилищ.
Рис. 2-3. График изменения потерь на дополнительное испарение с поверхности Мингечаурского водохранилища в. зависимости от уровней воды.
Осушение мелиорированных земель не является водопотребителем, наоборот, отводимые после осушения в речную сеть воды являются некоторой добавкой к имеющимся водным ресурсам бассейна. Добавка эта в определенном соотношении зависит от количества осадков, выпадающих в данном бассейне, и от общего объема испарения с его поверхности. Это означает, что рассматриваемая добавка является случайным процессом. Многолетние колебания его обычно не велики, и внутригодовое распределение достаточно устойчиво. Причиной этого является аккумуляционная роль водосборного бассейна. В определенном смысле эта добавка аналогична первой регулярной части возвратных вод после орошения земель. Для ее описания и моделирования аналогично отмеченному выше следует использовать материалы наблюдений за существующими мелиоративными системами и региональные обобщения этих материалов, пригодные для проектируемых систем.
Рассмотрим теперь некоторые характеристики важнейших водопользователей, которые в соответствии с [Л. 32] «... используют энергию воды или воду как среду, не изымая ее из водотока». К водопользователям относятся гидроэнергетика, водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, санитарное благоустройство, рекреация и частично борьба с вредным воздействием под (чаще всего с наводнениями). Всем этим водопользователям свойственны режимные требования к водным ресурсам в бьефах гидроузлов и к уровням воды в водохранилищах.
Требования не только водопользователей, но и часто одного водопользователя, расположенного на различных участках реки (например, в верхнем и нижнем бьефе гидроузла), как правило, не совпадают друг с другом. Такое же несовпадение интересов имеет место у многих водопользователей с водопотребителями, изъятие воды из источника которыми противоречит требованию большинства водопользователей о поддержании в реке некоторой заданной величины стока.
Рассмотрим внутригодовое распределение пропуска воды через, гидроузлы для некоторых водопользователей и требования к их надежности (обеспеченности отдач).
Для гидроэнергетики в соответствии с годовым графиком нагрузки энергосистемы наиболее желательным является максимальную часть сработки воды из водохранилищ относить на зимние месяцы года, а по условиям максимальной выработки энергии — в течение цикла регулирования поддерживать высокое наполнение водохранилищ и опорожнять их в необходимой мере лишь для аккумуляции паводочных вод. Требования гидроэнергетики заключаются в обеспечении с высокой надежностью гарантированной расчетной отдачи и ее внутригодового распределения (P=95-98%) и оптимального распределения избытков' выработки энергии над гарантированной отдачей.
Водный транспорт и лесосплав на свободных участках рек ниже водохранилищ требуют поддержания высоких расходов воды в период навигации и равномерных попусков в остальное время года. В пределах подпертых бьефов водохранилищ эти требования сводятся к поддержанию наполнения водохранилищ в течение навигационного периода не ниже заданной величины (обеспечивающей судоходные глубины). Обеспеченность требований водного транспорта и лесосплава обычно нормируется в пределах 80—90%.
Рыбное хозяйство является не только водопотребителем, но и водопользователем. Для нормального функционирования естественных нерестилищ, расположенных на свободных участках рек, из водохранилищ осуществляются специальные допуски, график и величина которых определяются оптимальными условиями естественного рыборазведения. В водохранилищах для удовлетворения требований рыбного хозяйства необходимо поддерживать уровни воды в заданных пределах. Обеспеченность требований рыбного хозяйства высока. Это объясняется тем, что последствия от нарушения требований в данном году, особенно если они приводят к гибели рыбы, могут сказываться на протяжении ряда лет. Следует отметить, что вопрос о том, какая конфигурация графика попуска и его объем являются действительно оптимальными, очень, часто нельзя считать достаточно исследованным.
Санитарное благоустройство и рекреация предъявляют требования к использованию водных ресурсов, во многом совпадающие друг с другом и сводящиеся к поддержанию на реке определенного минимума расхода воды в течение всего года. Надежность удовлетворения этих требований достаточно высокая, так как нарушения их связаны с определенными неудобствами для людей.
Перечень вредных воздействий вод очень широк. Одним из наиболее тяжелых по последствиям являются наводнения. Рассмотрим здесь одну из наиболее важных задач водохранилищ — борьбу с наводнениями. При выполнении этой цели регулирования водных ресурсов требование сводится к задержанию в водохранилище паводочных вод таким образом, чтобы в нижние бьефы гидроузлов при этом проходили расходы воды не выше некоторой безопасной величины. Надежность выполнения этого требования исключительно высока, так как она связана с безопасностью людей, населенных пунктов, сооружений. Она нормируется в соответствии с размерами возможных бедствий, в соответствии с классом капитальности сооружений и т. д.
Таким образом, водопотребители и водопользователи как участники водохозяйственных комплексов имеют существенно различные характеристики и по надежности, и по виду представления требований (детерминированные или случайные).
Получение характеристик случайного водопотребления производится обычными способами исследования случайных процессов. При проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем часто приходится моделировать эти характеристики аналогично моделированию речного стока и с учетом их связей с ним. Эти вопросы кратко будут рассмотрены ниже, в гл. 3.
