Историческая необходимость экономного и рационального использования природных ресурсов. Рост населения Земли, истощение природных ресурсов, отрицательные воздействия человека на окружающую среду, нехватка продуктов питания в ряде стран — вот проблемы, которые волнуют все человечество.
В устойчивых экологических системах всегда наблюдается замкнутый цикл использования основных ресурсов. Продукты жизнедеятельности одного организма являются пищей для другого. В связи с этим не происходит катастрофических загрязнений окружающей среды, биоценозы (совокупность живых организмов, характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды) функционируют достаточно продолжительное время, а все основные ресурсы, как правило, используются комплексно.
Системный подход к комплексному использованию водных ресурсов. Комплексное использование водных ресурсов— синтетическая наука, объединяющая физикохимические, биологические, инженерные и социальные науки. При рассмотрении любого водохозяйственного проекта, кроме решения чисто инженерных вопросов, возникает целый ряд природоохранных и социологических проблем.
Для правильного определения потребностей в воде необходимо иметь прогноз развития всех участникев во-дохезяйственного комплекса (ВХК.) на перспективу (15...20 лет). На этом основывается плановость ведения водного хозяйства. Учитывая, что суммарные объемы воды всегда связаны с объемом продукции, необходимо в первую очередь уметь определять на перспективу тот объем продукции, выпуск которой ожидается в ближайшем и отдаленном будущем.
Для описания общих закономерностей развития народного хозяйства используют математические модели развития. Модель в широком понимании — некий образ объекта, интересующего исследователя. Под моделированием понимают исследование объектов познания не непосредственно, а косвенным путем, при помощи анализа некоторых вспомогательных объектов. Их применяют для анализа исходных основных объектов и называют моделями, которые выбирают (строят) таким образом, чтобы они были значительно проще для исследования, чем рассматриваемые явления. В них воспроизводят лишь некоторые наиболее важные в данном исследовании стороны исходного объекта. Поэтому моделирование позволяет выявить в первую очередь самые существенные факторы, ответственные за те или иные свойства изучаемого объекта.
Место водного хозяйства в общей системе целей и задач, стоящих перед обществом, показано на схеме (графе) (рис. 1.4). Этот граф построен так, что цели самого верхнего (нулевого) уровня являются конечными, а задачи самого нижнего уровня могут решаться на основе имеющихся ресурсов.
Водные ресурсы являются важнейшим компонентом природной среды и играют исключительно важную роль в жизни и деятельности человека. С ростом населения и существенным увеличением производства эта роль постоянно возрастает. В соответствии с расчетами потребность в пресной воде на современном этапе будет удваиваться каждые 15 лет. Это приведет к тому, что водные ресурсы, запасы которых в настоящее время ограниченны, станут ценнейшим сырьем и фактором, сдерживающим экономическое развитие.
Речные воды. Для хозяйственной деятельности человека наибольшее значение имеют интенсивно возобновляемые речные воды (тВозоб = 12 сут). Реки имеют огромную суммарную протяженность и пересекают территории стран, доставляя воду в самые отдаленные районы. Это делает их незаменимыми для хозяйственных целей водными источниками.
Подземные воды — наиболее устойчивый источник пресных вод, пригодных по своей чистоте для питьевого водоснабжения.Несмотря на то что использование подземных вод более сложно, чем поверхностных, широкое распространение их и значительные запасы делают подземные воды незаменимым источником водообеспечения.
Особенности коммунально-бытового водоснабжения и требования к количеству и качеству воды. Доля коммунально-бытового водоснабжения в общем водопотреб-лении невелика. Водоснабжение населения — важнейшая задача любого города или села. Отсутствие чистой питьевой воды — одна из главных причин болезней. Однако почти половина населения Мира не имеет надежных источников питьевой воды. Поэтому 80-е годы объявлены Международным десятилетием питьевого водоснабжения и санитарии. В нашей стране принцип приоритета коммунально-бытового водоснабжения закреплен в Основах водного законодательства и заключается в том, что’ в любых условиях население должно быть обеспечено-водой в первую очередь. В водохозяйственной практике в отношении коммунально-бытового водоснабжения принимают самый высокий показатель обеспеченности (97% по числу бесперебойных лет).
Сельскохозяйственные земли составляют десятую часть суши, из них только шестая часть орошается. Однако с этих площадей в мире получают от 40 до 50 % сельскохозяйственной продукции.Интенсивное развитие орошения как в нашей стране, так и за рубежом все больше и больше сдерживается не отсутствием удобных для орошения земель, а нехваткой водных ресурсов.
Особенности осушительных мелиораций как участника ВХК. По данным Минводхоза СССР, на 1983 г. из из 33 млн. га мелиорированных земель 14,4 млн. осушалось. В среднем по стране каждый осушаемый гектар дает продукции в 1,5 раза больше, чем немелиорирован-ный (орошаемый в 5,8 раза больше). Приросты осушаемых земель в десятой пятилетке составили 2,8 млн. га (0,56 млн. га/год), причем 98% из них приходится на закрытую сеть (0,9 млн. га в 1982 г.). В одиннадцатой пятилетке предусматривалось осушить 3,84 млн. га (0,77 млн. га/год). При этом большая часть земель осушена закрытым дренажем.
Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов. В современных условиях гидроэнергетика— один из важнейших компонентов водохозяйственных комплексов. Она несет основную долю затрат по созданию гидроузлов. Полезный объем водохранилищ действующих гидроэлектростанций составляет 95 % общего полезного объема всех водохранилищ.
Рыбное хозяйство в условиях комплексного использования водных ресурсов. Рыбная продукция составляет существенную долю в обеспечении питания населения земного шара. Основную часть рыбы добывают в открытых морях и водах океана, что составляет в последние годы 80... 100 млн. т в год. Морепродукты дают человечеству почти 20 % потребляемого животного белка.
Водный транспорт в условиях комплексного использования водных ресурсов. В современных условиях водный транспорт самым тесным образом связан с комплексным освоением водных ресурсов. Улучшение и реконструкция водных путей, как правило, оправдывают себя лишь при строительстве каскада комплексных гидроузлов. В свою очередь, включение водного транс-лорта в состав ВХК накладывает свой отпечаток на параметры и компоновку гидроузлов, а также на состояние водных объектов.
Сельскохозяйственное водоснабжение включает хозяйственно-бытовые потребности в воде сельских населенных пунктов, полевых станов, животноводческих ферм и комплексов, машинно-тракторного парка.Особенности водоснабжения сельских населенных пунктов (по сравнению с коммунально-бытовым водоснабжением в городах) следующие: большая часовая неравномерность, большие объемы безвозвратного водо-потребления (из-за меньшего применения канализации), меньшее удельное водопогребление. В перспективе с ростом благоустройства сельских населенных пунктов указанные различия будут снижаться.
С созданием водохранилищ рекреационная ценность природного комплекса обычно возрастает. Повышается также и его рекреационная емкость (число отдыхающих) в результате увеличения длины береговой линии и площади акватории. Изменяются в лучшую сторону климатические условия района. Микроклиматическое влияние водохранилищ особенно сильно сказывается в южных сухих районах — уменьшается сухость воздуха, снижается жара, а следовательно, появляется возможность расширения районов, пригодных для рекреации. Обширные водные пространства оказывают хорошее психологическое воздействие.
До недавнего времени воду как материальный ресурс практически не рассматривали и расходовали нерационально, а существующий учет ее наличия, состояния и использования несоизмерим с учетом наличия и использования других материальных ресурсов. В то же время правильные представления о количестве и состоянии водных ресурсов — важная предпосылка для их рационального использования. Большое значение для такого представления принадлежит водохозяйственному балансу (ВХБ), предусматривающему количественное сопоставление эксплуатационных водных ресурсов с потребностями в воде населения и народного хозяйства рассматриваемой территории. Водохозяйственный баланс способствует составлению согласованных планов использования водных ресурсов, облегчает исследование сложившихся и ожидаемых пропорций в направлениях их использования.
Воздействие на водные ресурсы осуществляют в основном техническими методами (регулирование стока, переброска, использование дополнительных местных ресурсов). В случае, когда суммарный баланс за расчетный период больше нуля, а режим водоисточника таков, что в отдельные периоды воды недостаточно, необходимо лишь перераспределение стока во времени (регулирование). Если же суммарный баланс отрицателен и неудовлетворителен режим водоисточника, то необходимо перераспределение стока как во времени, так и в пространстве (переброска из другого бассейна).
Естественный режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличается большой неравномерностью и находится в резком противоречии с режимом его потребления большинством отраслей народного хозяйства. Из всех возможных способов удовлетворения водой растущих потребностей хозяйства в большинстве регионов земного шара наиболее реальным является регулирование стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток в периоды, когда он превышает потребность и расходуется накопленный запас, а спрос в это время больше притока.
Организацию управления водохозяйственной системой должен осуществлять водохозяйственный комплекс (ВХК), так как использование водных ресурсов в больших масштабах сопряжено с изменением установившихся связей в природе и системе народного хозяйства. Эти изменения затрагивают интересы многих отраслей народного хозяйства, и наряду с положительным эффектом возникают и отрицательные последствия. Минимизация отрицательных последствий возможна в том случае, если рассматривать всю водохозяйственную систему как единый комплекс и проектировать ее на основе долгосрочных прогнозов требований различных отраслей к количеству и качеству воды, реальных природных условий и при этом учитывать возможность их изменения.
В СССР построены десятки комплексных гидроузлов. В зависимости от их места в народнохозяйственном комплексе для каждого из гидроузлов выделяют основного, ведущего участника ВХК. В ряде случаев ведущая роль принадлежит энергетике (Волжский, Камский, Днепропетровский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС). Для районов Средней Азии, Закавказья и юга европейской части СССР ведущая роль в комплексных гидроузлах принадлежит ирригации, а сопутствующая — энергетике.
Классификацию ВХК можно провести по масштабам их распространения, по типам сооружений, по числу участников (рис- 5.2).Так, по масштабам распространения можно выделить глобальные или межгосударственные, государственные, зональные, бассейновые и ВХК части бассейнов.
При проектировании водохозяйственных систем технико-экономические расчеты проводят для определения структуры ВХК; выбора параметров объектов ВХК; определения экономической эффективности принятого варианта ВХК; распределения затрат между отраслями— участниками водохозяйственного комплекса; обоснования эффективности водоохранных мероприятий.
Во всех вариантах- нужно соблюдать условия сош> ставимости, то есть должна быть получена продукция одинакового количества и качества, а затраты должны быть приведены к одному базисному году.
Параметры водохозяйственных объектов, так же как и структуру водохозяйственной системы, выбирают по минимуму народнохозяйственных затрат. Например, при выборе параметров комплексного гидроузла (подпорной ■отметки, вместимости водохранилища) руководствуются ■следующими соображениями.
Сельское хозяйство. В зонах неустойчивого увлажнения орошение — средство повышения урожайности ■сельскохозяйственных культур. Поэтому в качестве заменяемого варианта можно рассматривать строительство ■специальных ирригационных гидроузлов, использование подземных источников воды, орошение сточными водами, усиление мер по более экономному использованию воды и т. д. либо мероприятия по получению эквивалентной сельскохозяйственной продукции в других бассейнах (с учетом транспорта продукции в рассматриваемый район), а также освоение новых земель.
В комплексном гидроузле плотина и образуемое ею водохранилище являются общими сооружениями для всех участников ВХК. Отраслевые сооружения (здание ГЭС, судоходный шлюз, водозабор и т.п.) предназначены для использования водных ресурсов соответствующей отраслью. Для реализации эффекта от использования воды необходимы также сопутствующие сооружения, связывающие водохозяйственный объект с соответствующей отраслью народного хозяйства. Примером сопутствующих сооружений могут служить линия электропередач, оросительный канал, трубопровод, причальные сооружения, флот и т.п. Таким образом осуществляется связь водного хозяйства с энергетической, сельскохозяйственной водно-транспортной системами, с промышленностью, коммунально-бытовым хозяйством и др.
Создание ВХК невозможно без изменения природных условий и сложившейся хозяйственной практики. Значительная часть изменений природных условий является, ожидаемым положительным следствием водохозяйственного строительства, а часть изменений носит негативный характер, как, например, затопление и подтопление-территорий, изменение микроклимата и гидрологического режима нижнего бьефа водохранилищ.
Кроме прямого эффекта от проведения водоохранных мероприятий, можно учитывать косвенный эффект, заключающийся в получении дополнительной продукции в результате извлечения ценных веществ из сточных вод.
Как было показано выше (см. гл. 4), максимальное приспособление режима стока к режиму его потребления возможно, если в составе ВХК имеется водохранилище или каскад водохранилищ, которые являются решающими элементами его управления.
Разработка правил эксплуатации необходима потому, что в условиях неопределенной информации о предстоящем стоке работникам службы эксплуатации гидроузла нужно в каждый конкретный момент принимать решение о величине попуска из водохранилища, который может назначаться равным гарантированному, меньше или больше его. Если величина попуска будет принята ошибочно, то возможно либо недоиспользование стока, либо преждевременное использование запасов воды в водохранилище, что приведет в дальнейшем к нарушению нормальной водоподачи.
Диспетчерские правила закладывают в «Основные положения правил использования водных ресурсов водохранилищ», которые разрабатывают для каждого гидроузла на стадии рабочего проектирования. Основные положения правил согласовывают с заинтересованными организациями и утверждают Минводхозы союзных республик, а по водохранилищам, имеющим общесоюзное и межреспубликанское значения, — Минводхоз СССР.
Управление — это процесс принятия решений и обеспечения их реализации. Оно осуществляется при планировании развития ВХС, их проектировании и эксплуатации. При планировании определяют состав водопо-требителей, их размещение, объемы выделяемых им водных ресурсов, источники водоснабжения, при проектировании — основные параметры и состав водохозяйственных сооружений, при эксплуатации — объемы и режимы водоподачи.
Моделирование — это процесс построения и исследования моделей, отображающих реальную систему.Структура модели может быть числовой (в виде формул), логической (в виде блок-схемы алгоритмов или программ расчетов), графической.
Плановая оптимизация. Плановую оптимизацию водораспределения проводят при разработке проекта водохозяйственной системы и при планировании на некоторый период работы действующих ВХС.В качестве экономического критерия можно принять один из следующих показателей: расчетные затраты участников водохозяйственного комплекса, их эксплуатационные издержки (при планировании работы), прибыль.
Под охраной вод подразумевается деятельность людей, направленная на сохранение, восстановление и улучшение состояния природных запасов воды на Земле.В «Основах водного законодательства Союза ССР и союзных республик» сказано, что все воды подлежат охране от загрязнения, засорения и истощения, которые могут причинить вред здоровью населения, уменьшить рыбные запасы, ухудшить условия водоснабжения и повлечь другие неблагоприятные явления в результате изменения физических, химических и гидробиологических свойств воды, снижение их способности к самоочищению.
Например, из реки Рейна ежегодно выносится в Северное море 24 млн. т отходов промышленного производства, что создает опасность для бесперебойного снабжения питьевой водой населения не только ФРГ, ко и Голландии.
Промышленные стоки. Наибольшее загрязнение природных вод дает промышленность таких отраслей народного хозяйства, как нефтеперерабатывающая, химическая, мыловаренная, целлюлозно-бумажная, текстильная, металлургическая, горнодобывающая и др.
Современное бурное развитие промышленности, сельского хозяйства, транспорта, а также рост городов сопровождаются громадными сбросами загрязненных вод. При отсутствии надлежащих мер по снижению в сточных водах загрязняющих веществ их разбавление в естественных водоемах становится недостаточным. Большие концентрации вредных примесей препятствуют самоочищению воды, и ее загрязнение быстро прогрессирует.
Способность воды к самоочищению — одно из наиболее важных и ценных ее свойств. Процессы самоочищения происходят под влиянием солнечной радиации, деятельности микроорганизмов и водной растительности, других факторов. Наиболее интенсивно они протекают летом.
Один из основных источников пресной воды — реки. Их полноводность определяют притоки, то есть малые реки. В Советском Союзе малых рек длиной более 10 км насчитывается свыше 150 тыс., а более мелких — около 2,8 млн. Их общая протяженность составляет почти 10 млн. км.
Дефицит водных ресурсов наблюдается, как правило, в период летней и зимней межени, поэтому деятельность человека должна быть направлена на обеспечение равномерного поступления воды в реки в течение всего года. Регулировать сток с помощью водохранилищ на малых реках не всегда рационально из-за высокой стоимости плотин и потери земельных фондов под водохранилищами. Здесь более целесообразно использовать естественные природные процессы, способствующие прекращению поверхностного стока и переводу его в подземный. Прекращение поверхностного стока повысит также эрозионную устойчивость склонов и существенно уменьшит попадание в водоемы загрязняющих веществ.
В соответствии с «Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик» Верховными Советами республик приняты постановления об усилении охраны малых рек от загрязнения, засорения и истощения и установлении водоохранных прибрежных полос (зон), представляющих собой территорию строгого ограничения хозяйственной деятельности. Так, в «Положении о водоохранных полосах (зонах) малых рек РСФСР» указывается, что в них запрещаются размещение животноводческих комплексов и ферм, летних лагерей скота, складирование навоза, отходов производства, устройство свалок мусора, складов для хранения ядохимикатов и минеральных удобрений, строительство новых и расширение действующих предприятий, стоянка, заправка топливом, мойка и ремонт автомоторного парка, мочка льна, конопли, кож, проведение без согласования замыва пойменных озер и стариц.
Рациональное использование и охрана водных ресурсов в народном хозяйстве, каждой его отрасли должны осуществляться в соответствии с едиными требованиями и нормами, четкой системой управления. Эти задачи возложены на водное хозяйство страны.
Успешное выполнение всех задач, возложенных на водное хозяйство страны, во многом зависит от системы централизованных органов управления и организации их работы.Переход к централизации управления водным хозяйством СССР начался в 1972 г. после опубликования постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов». Постановление регламентировало права и обязанности различных государственных органов в области водного хозяйства и определило ведущую роль в управлении и охране водных ресурсов страны Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР.
В СССР существует единая система государственного учета и использования водных ресурсов. Система задействует различные предприятия-водопользователи, соответствующие местные и республиканские органы.Основные принципы функционирования системы государственного учета использования водных ресурсов сводятся к следующему.