Водный режим рек

Водный режим рек

Введение

сток река промышленность сельскохозяйственный

Влияние хозяйственной деятельности на водный режим рек как было, так и остается актуальной темой в наше время. Так как коллективное использование чистой, пресной воды (орошение, забор воды на полив) и, соответственно, качественное влияние, которое выражается в загрязнении водных ресурсов. Использованная вода в промышленности и, как правило, уже загрязненная попадает в реки как прямым, так и косвенным путем. После попадания такой загрязненной воды в пресную, вода становится уже не пригодной для использования.

Актуальность данной проблемы обусловлена необходимостью эффективного использования и охраны водных ресурсов в современный период и в ближайшем будущем.

Целью данной работы является изучение влияния хозяйственной деятельности на водный режим рек.

Для достижения поставленных целей в ходе работы решались следующие задачи:

изучить литературные источники по теме;

рассмотреть регулирование стока рек водохранилищами и прудами;

рассмотреть сельскохозяйственное влияние на водный режим рек;

рассмотреть использование воды на нужды промышленности, тем самым определить влияние на водный режим рек.

Представляемая курсовая работа состоит из введения, 3 глав, 3 таблиц, 3 рисунка, заключения, списка использованной литературы, 2 приложений.

При написании курсовой работы были использованы литературные источники и ресурсы сети Интернет.

1. Регулирование стока рек водохранилищами и прудами

Важная роль в составе водохозяйственного комплекса принадлежит водохранилищам, которые обеспечивают регулирование и перераспределение стока рек, гарантированное водоснабжение, защиту территорий от поводков.

Снижение обеспеченности развивающегося народного хозяйства местными ресурсами вызывает необходимость регулирования речного стока. Одно из наиболее существенных водохозяйственных мероприятий по преобразованию гидрологического режима рек с целью выравнивания естественной неравномерности стока во времени - создание искусственных водоемов - водохранилищ.

Водохранилище - искусственный водоем объемом более 1 млн. м³ с замедленным водообменном, уровенный режим которого регулируется гидротехническими сооружениями, созданными для накопления воды в целях ее хозяйственного использования. Водохранилища делятся на два основных типа: озерные и речные. Для водохранилищ озерного типа (например, Рыбинского) характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Водохранилища речного (руслового) типа (например, Дуббосарское) имеют вытянутую форму, течения в них стоковое. Основное отличие водохранилища от естественного водоема (озера, пруда) заключается в его возможности регулирования (перераспределения) речного стока и уровневого режима [7].

Различают основные и специальные виды регулирования стока. К основным видам регулирования стока относят [6]:

сезонное (годовое);

суточное;

недельное;

многолетнее.

Суточное регулирование заключается в перераспределении в течении суток расходов воды, поступающей в нижний бьеф, и осуществляется чаще всего для нужд гидроэнергетики.

При недельном регулировании попуски воды из водохранилища изменяются по дням недели.

При сезонном регулировании происходит выравнивание внутригодового хода стока путем его накопления в многоводные сезоны и расходования в маловодные; необходимость его вызвана сезонным несовпадением максимумов стока и потребление воды.

Многолетнее регулирование заключается в перераспределении речного стока между годами разной водности путем его аккумуляции в многоводные и расходования его в маловодные и средние по водности года [5].

Для уровневого режима водохранилищ существуют основные термины: нормальный подпорный уровень (НПУ), уровень мертвого стока (УМО), форсированный подпорный уровень (ФПУ) и кривая подпора (рис. 1).

-меженный уровень реки до создания водохранилища, 2-уровень реки в половодье, 3-кривая подпора, 4-нормальный подпорный уровень водохранилища, 5-уровень мертвого объема, 6-уровень навигационной сработки, I-мертвый объем, II - полезный объем, III - резервный объем; А - нижняя зона; Б-средняя зона; В-верхняя.

Рис. 1. Основные элементы и зоны водохранилища [1].

Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называется высший проектный уровень верхнего бьефа, который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени. На нормальный подпорный уровень рассчитываются также инженерные и другие сооружения на берегах водохранилищ.

Уровнем мертвого объема (УМО) называется минимальный уровень водохранилища при сработке его полезного объема, допустимый в условиях нормальной эксплуатации водохранилища.

Форсированием уровня водохранилища (ФПУ) называется кратковременный его подъем выше НПУ при пропуске половодий редкой повторяемости.

Мертвый объем водохранилища, хотя и не принимает участия в регулировании, но имеет большое практическое значение для водохранилища (заиление, санитарные условия, минимальный напор и т.д.).

Под полезным объемом водохранилища понимается объем, непосредственно осуществляющий регулирование стока. Он заключен в слое водохранилища высотой h_срб (между НПУ и УМО).

Резервный объем должен быть сработан до НПУ сразу же по происшествии половодья.

При большом разнообразии режимов уровней можно выделить общие черты уровенного режима водохранилищ многолетнего и сезонного регулирования стока.

Чтобы учесть все особенности регулирования речного стока для каждой конкретной ГЭС и ее водохранилища, составляются основные правила использования водных ресурсов этих объектов.

В результате регулирования речного стока меженный сток увеличивается на 25%, что существенно улучшает обеспечение народного хозяйства.

Воздействие водохранилищ на потери речного стока во времени можно оценивать в виде суммы одноразовых и постоянных затрат воды [1].

В водохранилищах приток с площади водосбора составляет свыше 98% от суммарного поступления воды, и только около 2% приходится на долю осадков, выпадающих на водную поверхность (табл. 1). По отдельным водохранилищам приход за счет осадков может колебаться от 1% до 8% от суммарного, что зависит от широты местности и размеров удельных объемов водохранилищ.

Потери на испарение с водной поверхности водохранилищ в среднем составляют 1,9% от прихода, причем по некоторым крупным водохранилищам пределы колебаний могут составлять от 1,2% до 9%. Наибольшие потери на испарение характерны для водохранилищ южных районов европейской территории [10].

Таблица 1. Водный баланс некоторых водохранилищ [10].

Вероятность наступления многоводных и маловодных фаз во времени может быть сдвинута в обоих направлениях (до и после указанных сроков) на несколько лет, а сами фазы прерваться вследствие сочетания неблагоприятных факторов с учетом циклов меньшего порядка.

Сток рек подвержен заметным колебаниям. Так, по данным Росгидромета в бассейнах рек Белая и Ик превышение стока многоводного года над маловодным составляет 6,0 - 6,5 раз. Наименьшие значения коэффициента вариации годового стока приходятся на реки, протекающие в пределах Уфимского плато, а также на реки Бирь, Быстрый, Танып, Сим.

Внутригодовое распределение стока по территории изменяется значительно, что зависит от зональных и азональных факторов, включающих в себя климат, гидрогеологические условия, озерность, а также зарегулированность рек прудами, водохранилищами и перераспределением стока между их бассейнами [2].

В условиях значительного воздействия хозяйственной деятельности человека на водный режим рек при оценке снижения их стока важное значение имеет анализ однородности исходной гидрологической информации, который в зависимости от характера включает в себя ряд этапов [3].

Наряду с крупными уникальными водохранилищами в Республике Башкортостан построено большое количество малых водохранилищ-прудов, наполнение которых обеспечивается местным стоком [5]:

талыми и дождевыми водами,

родниками,

паводковыми водами малых рек равнинной, предгорной и горной части Республики.

Пруд - искусственный водоем для хранения воды с целью водоснабжения, орошения, разведения рыбы и водоплавающей птицы, а также для санитарных и спортивных потребностей.

Пруд - это искусственный водоем, выкопанный до глубины 3-5 м или созданный путем постройки плотины в долинах небольших рек, ручьев, на территории балок либо оврагов. Обычно пруд представляет собой водоем площадью не более 1 км², которое должно иметь достаточный крутизны берега, слабый уклон дна и устойчивое к размыву ложе. Если питание будет происходить за счет стока речных и грунтовых вод, то заполнение пруда рассчитывают только на талые весенние воды. В сельской местности создаются с целью орошения, обводнения, разведения рыбы, а также для хранения воды для хозяйственных целей [12].

Речной сток аккумулируется в водохранилище в периоды, когда естественная приточность воды превышает потребности в ней, и расходуется в периоды, когда потребность в воде превышает приточность.

Таким образом, сооружение плотин и водохранилищ оказывает многообразные как положительные, так и отрицательные воздействия на природные, социальные и экономические условия бассейнов рек.

2. Сельскохозяйственное влияние

Сельскохозяйственное водоснабжение включает в себя сооружения по забору воды из источников и коммуникаций, при помощи которых вода подается потребителям. Основными потребителями являются сельское хозяйство, производительный и животноводческий секторы [2].

Внедрение промышленных методов производства продуктов животноводства и связанная с этим высокая концентрация поголовья скота на животноводческих комплексах стали причинами образования огромных количеств навоза, что в случае нарушения технологии его хранения и использования может представлять опасность для окружающей среды, и прежде всего для водных объектов [5].

Вода используется людьми для удовлетворения их всевозможных потребностей. В тоже время, в зависимости от специфики водопользования и оказания влияния на природные водные объекты выделяются промышленное, коммунально-бытовое, хозяйственно-питьевое, сельскохозяйственное водоснабжение, использование водных ресурсов в целях орошения и др.

Использование водных объектов осуществляется с изъятием (забором воды) или без изъятия водных ресурсов.

В целях удовлетворения различных хозяйственных потребностей было использовано всего 922,14 млн. м³, в том числе на производственные нужды 444,8 млн. м^3, хозяйственно-питьевое водоснабжение 68,7 млн. м³, орошение - 25,0 млн. м³ и прочие нужды - 24,94 млн. м³ [1].

Использование водных ресурсов на хозяйственно-питьевые нужды увеличилось в среднем на 4%, что связано с увеличением потребления воды городским населением [1].

Забор и использование водных ресурсов в разрезе городских поселений неравномерные. Наблюдается тенденция сокращения использования воды и в сельском хозяйстве. Снижение объемов водопотребления на орошение связано с сокращением орошаемых площадей и высоким уровнем износа установок для орошения [2]. Как водопотребитель орошение отличается сезонной неравномерностью. Наибольшая потребность в воде приходится на периоды вегетации. Суточная и недельная неравномерность проявляется не резко. Орошение предъявляет соответствующие требования к качеству воды: содержанию в ней наносов, растворенных солей [5].

В центральных и южных регионах России эффективность и возможности развития сельскохозяйственного производство определяются и уже сдерживаются условиями водообеспечения.

Мелиоративное строительство как составляющая часть водного хозяйства в последние годы характеризуется снижением объемов инвестиций (табл. 2).

Таблица 2. Темпы мелиоративного строительства [2]

Основываясь на принципах взаимосвязанности природных факторов, можно, с одной стороны, оценить значимость водных ресурсов в поддержании равновесия природно-территориальных комплексов, с другой стороны - определить изменение количественных и качественных характеристик водных ресурсов в результате влияния хозяйственной деятельности человека на другие компоненты природы. Этим определяется необходимость охраны лесов, земель, сокращение площадей, загрязнение которых незамедлительно сказывается и на количественных и качественных характеристиках водных ресурсов. Причем, взаимодействие вод с другими компонентами природы происходит на различных стадиях мирового влагоооборота. Значительная концентрация загрязняющих веществ в дождевых каплях вызвана загрязнением атмосферного воздуха; сведение лесов, перевыпас скота и деградация ландшафтов обуславливают перераспределение склонового стока, увеличивая поверхностный и уменьшая подземный стоки и на водосборе в условиях его формирования. При этом наблюдается поверхностный смыв почв, увеличение мутности рек и изменение внутригодового распределения речного стока, ухудшение условий водопользования в маловодные периоды. За счет функционирования хозяйственных объектов, размещение на малых, средних и крупных реках, предъявляющих различные требования к водным ресурсам и качеству вод, происходят дальнейшие сокращения стока и загрязнение вод, которые сопровождаются ухудшением условий водоснабжения предприятий и снижением биопродуктивности водоемов.

Географическая оболочка, включающая в себя живую и неживую материи, представляет собой открытую систему, соответственно ее функционирование происходит через систему внешних связей, отражающих в условиях взаимодействия масштабы изменения водных ресурсов и экологических условий в них.

В зависимости от особенностей влияния хозяйственной деятельности на природные воды в условиях формирования склонового стока на водосборе, с одной стороны, и в водных объектах непосредственно, - с другой, оптимизация водоохранных мероприятий в бассейне реки должна выполнятся с учетом специфических особенностей связях: взаимозависимость и взаимовлияние элементов аквального комплекса, сформировавшегося в конкретных физико-географических условиях, а также отличительные черты их реакции на антропогенез.

На качественное состояние природных вод заметное влияние оказывают также оросительные мелиорации, широко проводимые в пределах степного и лесостепного Предуралья. Интенсификация сельского хозяйства сопровождается расширением орошаемых земель, применением удобрений и ядохимикатов, обусловила вынос значительного количества соединений в составе возвратных вод в реки и водоемы способствовала их загрязнению.

До половины органических соединений поступает со сточными водами животноводческих комплексов. На кислородный режим рек наибольшее влияние оказывают стоки промышленного производства, коммунально-бытового хозяйства и орошаемого земледелия. Зарегулированность стока рек прудами и водохранилищами, а также возникновение вторичных процессов загрязнения заметно ухудшает их экологическое состояние [5].

Сточные воды сельскохозяйственных предприятий, как правило, недостаточно очищены, либо поступают в водные объекты в виде диффузионного стока.

Негативное воздействие земледелия на состояние окружающей среды чаще всего связывают с усилением химизации сельского хозяйства. В России за последние годы произошло резкое снижение количества внесенных удобрений. По сравнению с уровнем 1986-1990 гг. объемы внесения минеральных удобрений сократилось в 8, а органических - более чем в 4 раза. Тем не менее, сельскохозяйственные угодья остаются одним из основных источников поступления в водные объекты загрязняющих веществ [5].

Рис. 2. Скотобойные тропы водоохраной зоне р. Белой в верховьях

При использовании водосборных площадей для выпаса скота заметно увеличивается поступление органических и биогенных веществ, а также патогенной микрофлоры [9].

В системе водного хозяйства сельское хозяйство является крупным водопотребителем. На выращивание 1 т пшеницы требуется за вегетационный период 1500 м³ воды, 1 т риса - более 7000 м^3. Высокая продуктивность орошаемых земель стимулировала резкое увеличение из площади во всем мире - она сейчас равна 200 млн. га. Составляя около 1/6 всей площади посевов, орошаемые земли дают примерно половину сельскохозяйственной продукции [14].

Водная мелиорация - один из основных видов мелиораций, способ, связанный с перераспределением влаги в ландшафте. Свыше 50% поверхности суши занимают аридные и семиаридные земли. Значительная часть этой территории страдает от недостатка влаги. С другой стороны значительная часть земель расположенных в лесной зоне, в поймах рек страдает от избыточного увлажнения. Избыток влаги нередко сочетается с недостатком тепла в воздухе и почве и слабой аэрацией почв. Здесь же в лесной зоне расположены огромные массивы заболоченных земель. Нередко избыток влаги в одни периоды чередуется с недостатком ее в другие периоды. Как избыток, так и недостаток влаги сказывается на продуктивности сельскохозяйственных культур. Кроме того, необходимо отметить, что водные ресурсы Земли распределены крайне неравномерно. Гидрологический режим многих рек неустойчив в течении всего года. Распределение речного стока неблагоприятно для сельского хозяйства [14].

Водные мелиорации (орошение, осушение) - один из основных путей повышения урожайности сельскохозяйственных угодий, занимающих на планете 10% площади суши [1].

Неблагоприятные условия естественного увлажнения сельскохозяйственных земель устраняются проведением двух основных видов гидромелиорации - орошения и осушения.

Основными источниками орошения служат поверхностные воды - реки, водохранилища, озера. Объемы потребляемой воды зависят от естественного увлажнения, наличия источников орошения, технической оснащенности оросительных систем, вида орошаемых культур и других видов. Отличительные особенности использования воды в орошении - большой объем безвозвратных потерь, сезонность водопотребления и пониженные требования к качеству воды по сравнению с промышленным и коммунальным водопользованием

В России и странах ближнего зарубежья площади, охваченные водными мелиорациями, постоянно увеличиваются.

Это ведет к значительному увеличению потребления водных ресурсов. При проведении водных мелиораций ежегодно расходуется до 200 км³ воды в зависимости от степени увлажнения. Освоение новых сельскохозяйственных угодий под орошение часто сдерживается дефицитом водных ресурсов, поскольку этот вид мелиораций характерен в первую очередь для южных районов.

С развитием орошаемых земель увеличивается объем коллекторно-дренажных вод. Коллекторно-дренажные воды - это поверхностная или подземная вода, собираемая дренажным сооружением или отводимая им в другое место [14].

Они образуются в результате периодических поливов, когда отмечается избыточный сток вод, а также при рассолении почв промывкой. В этих случаях повышается минерализация речных вод, и они становятся непригодными для орошения земель. Такие воды, например, в Средней Азии отводят в специальные водоемы (Арнасайские озера, Сарыкамышская впадина - Приложения 1,2). В большом объеме дренажные воды сбрасываются в Амударью. За последние 15 лет минерализация воды в Амударье в связи с этим увеличилась в два раза. Так, только с территории Таджикистана в реку и ее притоки ежегодно направляют 3 км³ коллекторно-дренажных и сбросных вод с минерализацией 1-4 г./л. В результате вода Амударьи в нижнем течении стала непригодной для питьевого водоснабжения без предварительной очистки, так как минерализация ее достигла 2-3 г./л [1].

Для решения этой проблемы необходимо составлять схемы комплексного использования коллекторно-дренажного стока для различных народнохозяйственных целей (обводнение пастбищ, выращивание солеустойчивых и очищающих воду растений, водоснабжений на основе опреснения и т.п.). Нужно существенно уменьшить расход воды при промывке засоленных земель, снизить оросительные нормы, повысить эффективность гидромелиорированных систем, организовать деминерализацию коллекторно-дренажных вод с одновременной очисткой их от вредных примесей [1].

Вырубка и восстановление леса. Вырубка лесов была первым крупным проявлением деятельности человека, оказавшим влияние на сток рек. Главная причина возможного изменения годового стока рек заключается в изменении суммарного испарения в результате вырубки и восстановления леса. Испарение же зависит от характера подстилающей поверхности, в частности от потребления воды лесом, которое различается у лесов разного возраста и состава.

Доказательства изменения испарения и стока привел О.И. Крестовский на примере вырубки и восстановления елового леса (рис. 1).

Рис. 3. Влияние вырубки леса, возраста и состава восстанавливающегося леса на изменение испарения (1) и годового стока (2) в процентных нормах (по О.И. Крестовскому)

Таким образом, сельское хозяйство, являясь крупным водопотребителем, наносит определенный вред на водный режим рек, одним из важнейших является угроза недостатка воды. Воздействие сельского хозяйство на водный режим рек проявляется через забор воды, орошение, поступление загрязняющих веществ с водосборов, используемых в сельском хозяйстве в качестве удобрений.

3. Использование воды на нужды промышленности

Промышленность остается одним из главных водопотребителей и основным источником загрязнения природных вод [1].

Промышленность - это совокупность предприятий занятых производством орудий труда, добычей сырья, материалов, топлива, производством энергии и дальнейшей обработкой продуктов, полученных в промышленности или произведенных в сельском хозяйстве - производством потребительских товаров [16].

Промышленное водоснабжение, обеспечивающее функционирование технологических процессов, является одним из ведущих направлений использования воды [9].

Использование водных ресурсов выражается в качестве продукта питания, сырья, материала, энергоносителя, технологической среды является необходимым условием жизнеобеспечения населения и выполнения большинства производительных процессов.

Вода - один из важнейших факторов, определяющих размещение производительных сил, а очень часто и средство производства. Увеличение расходования воды промышленностью связано не только с ее быстрым развитием, но и с увеличением расхода воды на единицу продукции. Например, на производство 1 т хлопчатобумажной ткани фабрики расходуют 250 м ³ воды. Много воды требуется химической промышленности. Так, на производство 1 т аммиака затрачивается около 1000 м³ воды [1].

Современные крупные теплоэлектростанции потребляют огромное количество воды. Только одна станция мощностью 300 тыс. кВт расходует до 120 м³/ c, или более 300 млн. м³ в год. Валовое потребление воды для этих станций в перспективе возрастает примерно в 9 - 10 раз [1].

Особое место в использовании водных ресурсов занимает водопотребление для нужд населения. На хозяйственно-питьевые цели в нашей стране приходится около 10% водопотребления. При этом обязательными являются бесперебойность водоснабжения, а также строгое соблюдение научно обоснованных санитарно-гигиенических нормативов [6].

Использование воды для хозяйственных целей - одно из звеньев круговорота воды в природе. Но антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опресненной. Другая часть (составляющая, например, при водоснабжении городов и большинства промышленных предприятий 90%) сбрасывается в водоемы в виде сточных вод, загрязненных отходами производства [11].

По данным Государственного водного кадастра, в Российской Федерации суммарный забор воды из природных водных объектов в 1995 г. составил 96,9 км³. В том числе для нужд народного хозяйства было использовано свыше 70 км^3, в том числе на [15]:

промышленное водоснабжение - 46 км³;

орошение - 13,1 км³;

сельскохозяйственное водоснабжение - 3,9 км³;

прочие нужды - 7,5 км³.

Потребности промышленности на 23% удовлетворялись за счет забора воды из природных водных объектов и на 77% - системой оборотного и повторно - последовательного водоснабжения [14].

Наиболее водоемкими производствами являются предприятия черной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, машиностроения.

Водные объекты по условиям функционирования промышленных предприятий и воздействию последних на состоянии вод могут быть подразделены на 3 группы [3]:

а) реки и водоемы, находящиеся в местах сброса сточных водоемкими производствами нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности;

б) водные объекты, расположенные в местах сброса сточных вод предприятиями цветной и черной металлургии;

в) объекты, находящиеся в пределах эксплуатируемых нефтяных месторождений и условиях влияния сельскохозяйственного производства.