Москва 2005 1 страница

Заведующий кафедрой

Профессор Рыбкин В.Н.

«___» _____________ 2005 г.

Курс лекций по дисциплине :

«Эксплуатация водохозяйственных объектов и сооружений»

«Эксплуатация природоохранных систем и сооружений»

для студентов 3 курса Экономического факультета,

Специальность ЭУВХ

Составил - Доцент кафедры «Эксплуатации гидромелиоративных систем», к.т.н.

О.В. Каблуков.

Москва 2005

1.1.Формирование отрасли водного хозяйства в рамках социоэкосистемы

Динамичное развитие любого общества, государства, цивилизации, или обобщающего понятия - «социума», связано с рациональным использованием потенциала природных богатств территорий, среди которых одно из важнейших водные ресурсы. В экономиках современных государств вода используется для удовлетворения социальных и производственных нужд населения, промышленного и аграрного производства. Решение задачи водоснабжения возложено на водное хозяйство, являющееся составной частью природоэксплуатирующего сектора. Сложность функционирования этого сектора экономики состоит в том, что источники водообеспечения – реки и другие водные объекты – в естественном состоянии только в некоторой степени могут удовлетворять требования к режиму, объему и качеству их вод. Связующим звеном между потребителем и источником водообеспечения являются водохозяйственные системы и управляющие ими водохозяйственные комплексы (ВХК), обслуживающие нужды субъектов хозяйственной деятельности.

Водохозяйственные системы функционируют в рамках обобщенной структуры «система - общество – природа - геосистема», которая характеризуется понятием «социоэкосистема». Воздействие человека на «социоэкосистему» следует рассматривать как природный и, в тоже время, техногенный процесс, в результате которого социум стремится создать для себя провинцию с благоприятной средой и, следовательно, выступает как внешний фактор. Для социума характерна экспансия по отношению насыщенной и разнообразной экологической среде, результатом чего является упрощение и обеднение геосистемы.

В частности, элементы водохозяйственных комплексов, искусственно встроенных в гидрографическую сеть конкретного ландшафта, оказываются инородными структурами. Сложившаяся за миллионы лет эволюции природная среда стремится отторгнуть эти изменения или модифицировать их, из этого возникает основная проблема при функционировании антропогенных ландшафтов и искусственных водных систем.

Наибольшие изменения от хозяйственной деятельности че­ловека претерпели почвенный покров, растительность и водо­емы суши, а также приустьевые зоны морей. Большие изменения в естественный круговорот веществ, в первую очередь воды, внесло сельскохозяйственное земледелие. Под горо­да, поселки, шахты, предприятия и транспортные магистрали были заняты сотни миллионов гектаров суши различных экоси­стем, что полностью исключило из биосферы главные звенья биогеохимического круговорота элементов — почву и расте­ния. Среди причин глобального сокращения биомассы и продуктивности фотосинтеза - сокращение площадей лесов и болот, эрозия, засоление и опустынива­ние почв. Результаты антропогенной деятельности, в целом, носят локальный характер, но они необратимы, а ввиду их многочисленности приобретают региональное и общемировое значение.

Тем не менее, на современном этапе эволюции не наблюдается масштабного катастрофического снижения интенсивности фотосинтеза и сокращения прироста биомассы. Высокопродуктивное земледелие на месте малопродуктивных лесов и болот прошлого, а также орошаемое земледелие за­сушливых областей, хотя и частично, но возмещает в мировом биогеохимическом круговороте потери, вызванные отчужде­нием и разрушением почв малопродуктивных лесов, степей и пустынь.

Основные энергетические компоненты географической оболочки Земли - гравитационная энергия, внутреннее тепло планеты, лучистая энергия Солнца и энергия космических лучей обеспечивают функционирование сложившихся общепланетарных и региональных био­геохимических циклов. В ходе раскручивания процессов био­геохимических циклов создается закономерная географическая оболочка с характерными вещественными компонентами - картиной климата и перемещения воздушных масс, характером залегания горных пород и распределения на суше типов коры выветривания (с их формой - рельефом), почвенным покровом и биоценозами, скоплениями грунтовых и речных вод различного хи­мического состава, флорой и фауной.

Так создается устойчивый биогеохимический фон местности для формирования «социоэкосистемы», которая, в свою очередь, может быть благоприятной или неблаго­приятной для человека. Социум при этом стремится преобразить и обустроить природу, сделать среду обитания комфортнее и обеспечить себя продуктами питания и средствами их воспроизводства.

«Социоэкосистема» подразумевает, что во взаимодействии с обществом будут действовать законы соотношения части и целого. Разумеется, что целым по отношению к об­ществу будет геосистема в силу того, что преобразующий потенциал общества пока слабо сопоставим с естественными источниками энергии. Но череда техногенных катастроф последнего времени показывает, что реализация комплексного социоэкосистемного подхода по оптимизации водопользования бесперспективна, если не удастся сформулировать и внедрить новые системообразующие принципы. Один из таких основополагающих принципов – обеспечение оптимальной организации производственного процесса, при котором люди от одностороннего пользования ресурсами среды дол­жны перейти к стратегии одновременного ее поддержания и со­хранения, выдвинув эти задачи как приоритетные в своей дея­тельности.

Поскольку в рамках социоэкосистемы идет формирование социоприродного единства во взаимодействии общества и при­роды, то большое значение в обеспечении стратегии социально­го развития приобретает экологически обоснованное управле­ние социальными процессами и их прогнозирование. Быстрый рост промышленности и агропроизводства, сопровождающийся гло­бальным загрязнением окружающей среды, выявил, как наиболее острую, проблему использования природных ресурсов (восполняемых и невосполняемых ). В первую очередь это проблема сохранения ресурсов пресной воды и почвенного плодородия, а также диспропорция при развитии природоэксплуатирующих секторов.

Весомость решения этих проблем возрастает, если учитывать, что практически все свершения, реализуемые обществом для достижения приемлемого уровня жизни, находятся в полной зависимости от состояния водного хозяйства и составляющих его водохозяйственных комплексов (ВХК).

Основная функция, возлагаемая на ВХК, — формиро­вание водных ресурсов — приведение естественных водных ресурсов в форму, необходимую для использования по объему, качеству, режиму. Формирование должно включать регулирование стока (многолетнее и сезонное) и его воспроизводство.

Под воспроизводством водных ресурсов следует понимать увеличение объема естественных водных ресур­сов в пределах бассейна сверх среднего многолетнего за счет других источников: возвратных вод, ледников, осадков, подземных вод и переброска стока рек из бассейна в бассейн как средство ликвидации дефицита.

Следующая функция ВХК — охрана водных ресур­сов. В настоящее время для этой цели создана законодательная база и организационно-правовая структура, в рамках которой действуют специ­альные органы, осуществляющие контроль над сбросами воды по качеству и по количеству, выдающие разрешение на специальное во­допользование, согласовывающие годовые планы по использованию и охране всех вод в стране.

Современные водохозяйственные комплексы создаются для удовлетворения потребности экономики в воде и работают в режиме оказания сервисных услуг. Функционирование этого сектора экономики зависит от развития хозяйств и предприятий водопользователей, их экономических возможностей финансировать предоставляемые услуги. Это обстоятельство вырабатывает основные требования, которым должны отвечать водохозяйственные комплексы и системы, среди которых следующие:

· Водохозяйственные системы должны иметь многоцелевое назначение и комплексное использовать водные ресурсы;

· Водозаборные и водопроводящие части систем должны устраиваться с учетом долгосрочной перспективы, со сроком службы 50 и более лет (иногда водоводы служат столетиями), поэтому основным их свойством должна быть - долговечность;

· В процессе эксплуатации необходимо обеспечивать технологическую и экологическую безопасность, надежность функционирования всех узлов систем;

· Необходимо обеспечивать многоуровневое управление, автоматизацию и телемеханизацию процессов водораспределения, внедрение оперативно-информационных комплексов;

· Необходима организация мониторинга природных и техногенных составляющих водохозяйственных комплексов;

· Необходимо осуществлять мероприятия по минимизации эксплуатационных затрат и разработке эффективной системы финансирования водохозяйственных предприятий;

· Необходимо обеспечивать постоянное развитие комплексов, возможность внедрения новейших образцов технологического оборудования, мозаичный принцип конструирования комплекса;

· Необходимо внедрять ресурсосберегающие технологии и принципы эргономики в производственных процессах;

· Необходимо осуществлять охрану окружающей среды, рациональное использование ресурсов;

· Создавать благоприятную среду обитания на принципах ландшафтной архитектуры и рекреации;

· Проводить почвозащитные и рекультивационные мероприятия на территориях, обслуживаемых системами и др.

Перечисленные требования и задачи ВХК еще раз подчеркивают важность водного хозяйства в системе целей и задач общества и необходимость постоянного внимания общества водному хозяйству.

Основные производственные функции ВХК реализуются в процессе эксплуатации водохозяйственных объектов – целого ряда гидротехнических сооружений, которые долж­ны обеспечивать увеличение водных ресурсов и перерегулирование режима рек в за­данном направлении. К таким сооружениям относятся: все виды водохранилищ сезонного и многолетнего регу­лирования, комплексы каналов, трубопроводов, линейных и сопрягающих сооружений, насосных станций по межбассейновым переброскам стока, объекты по управлению режимом водоподачи и сбросом возвратных вод, а также ре­жимом осадков, стаивания снежников и ледников, скважины крупных централизованных систем водозабо­ров (постоянных или временных) из подземных вод.

Эксплуатация (от франц. exploitation) означает ис­пользование, извлечение выгоды. Эксплуатация водохозяйственных систем — это разработка и использование природных ресурсов, производственная и управленческая деятельность по планированию и оперативному регулированию как водного режима источника, так и мелиоративных режи­мов орошаемых и осушаемых земель, поддержание элементов системы в работоспособном состоянии, их совершенст­вование, проведение инженерного мониторинга.

Эксплуатация водохозяйственного комплекса представляет собой выполнение организационно-хозяйственных, инженерно-технических и финансово-экономических мероприятий с наи­меньшими затратами денежных средств и материально-техниче­ских ресурсов для создания благоприятной для общества «социоэкосистемы» в рамках преобразуемого ландшафта.

Основным объектом управляющего воздействия при эксплуатации гидротехнических сооружений являются водные потоки, которые образуют естественные источники водных ресурсов - реки, подземные и наземные озера. Всестороннее информационное обеспечение о формировании и распределении по территории страны водных ресурсов важное условие оптимального ведения водохозяйственного производства.

Список используемой литературы

1. Бородавченко И.И. и др. Мелиорация и водное хозяйство. Т.5. Водное хозяйство: Справочник – М.Агропромиздат,1988.-399с.

2. Гирусов Э.В. и др. Экология и экономика природопользования: Учебник для вузов.-М.: Закон и право,ЮНИТИ,1998.-455 с.

3. Голованов А.И. Введение в природообустройство. –М: Издательство МГУП, 1998 .- 24 с.

4. Кавешников Н.Т. Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений.-М.: Агропромиздат , 1989.-272 с.

5. Натальчук М.Ф. и др. Эксплуатация гидромелиоративных систем: Учебники и учебные пособия для вузов.- М.:Колос, 1995.-320 с.

6. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России: Учебное и справочное пособие.-3-еизд.-М.:Финансы и статистика,2001. -672 с.

7. Юшманов О.Ю. и др. Комплексное использование и охрана водных ресурсов: Учебники и учебные пособия для вузов.- М.:Агропромиздат, 1985.-303 с.

1.2. Водные ресурсы и водохозяйственные комплексы в России

Из всех видов ресурсов на первом месте по росту потреб­ностей на него и по увеличению дефицита стоит пресная вода. Хотя на первый взгляд воды на земном шаре много (71% всей поверхности планеты занят водой), но пригодной к потреблению воды, т.е. пресной, насчитывается всего 2%. Из них почти 80% составляет вода, находящаяся в ледовом покрове пла­неты. Оставшаяся сравнительно небольшая часть водных ресур­сов (35 тыс. км3) распределена по планете крайне неравно­мерно.

Наибольшее количество пресной воды сосредоточено пока в мало освоенных районах (сибирские реки и озера, бассейн Амазонки), а в большинстве промышленно развитых районов воды уже ощутимо не хватает, и дефицит ее с каждым годом растет. Особенно много воды требуют сравнительно молодые отрасли промышленности, связанные с искусственным синтезом веществ.

В целом на хозяйственно-бытовые нужды изымается 10% речного стока планеты. Из них 5,6% расходуются безвозвратно, отчасти испаряясь, а отчасти химически связываясь (около 100 млн. м3 ежегодно в процессе производства). Если безвозв­ратный забор воды будет и дальше увеличиваться в том же тем­пе, как теперь (4-5% ежегодно), то в краткосрочной перспективе человечество может исчерпать все запасы пресных вод в геосфере. Положение ос­ложняется также тем, что большое количество природных вод загрязняется промышленно-бытовыми отходами — 16% речного стока. Весь загрязненный сток, в конечном счете, попадает в Мировой Океан.

Для контроля водных ресурсов ведется Государственный водный кадастр - систематизированный свод данных учета вод по количественным и качественным показателям, регистрации водопользований, а также данных учета использования вод.

По данным кадастра ежегодно возобновляемые водные ресурсы России немногим превышают 4 тыс. км3, большая часть из них приходится на речной сток. Речной сток в бассейнах рек Российской Федерации по уточнённым данным составляет 4262 км3, а сток маловодного года 95%-ой обеспеченности - 3761 км3.. Сток, формирующийся в пределах РФ, составляет около 4015 куб.км.

Потенциальные эксплуатационные годовые запасы подземных вод оцениваются в 318.8 км3, разведанные составляют около 30.2 км3, из них подготовленные к промышленному освоению - 19.8 км3. Забор подземных вод существенно ниже их эксплуатационных запасов. Перспективный источник воспроизводства водных ре­сурсов, который пока находится в стадии поисков и экспериментальных работ, особенно в бассейнах засуш­ливых зон, — искусственное увеличение стока рек путем активных воздействий на природные процессы, формирующие его.

Безвозвратное водопотребление в сумме с потерями воды (35,2 куб.км), включающими потери на дополнительное испарение с поверхности водохранилищ, составляет менее одного процента от речного стока России. В соотношениях, отнесённых к водным объектам объёмов безвозвратного водопотребления, включая объёмы потерь воды, и ресурсов речного стока в отдельных бассейнах имеются существенные отличия.

В таблицах 1.1, 1.2 по основным 14 водным бассейнам Российской Федерации (Рис.1) представлены показатели водных ресурсов и их использованию

Рис.1 Схема расположения бассейнов основных рек России.

Таблица 1.1. Интенсивность использования водных ресурсов Российской Федерации

*- за период наблюдений для речного стока и за последние 10 лет: для забора, использования и безвозвратного водопотребления;** - минимальный (95%-ой обеспеченности) для ресурсов, максимальный - за последние 10 лет: для забора, использования и безвозвратного водопотребления.

Так, в бассейнах Терека, Кубани, Сулака и Дона эти соотношения достигают в среднем соответственно 35, 31, 30 и 15% от речного стока года. Именно в этих бассейнах требуется осуществление неотложных мероприятий по экономии воды, многолетнему регулированию речного стока, а также по исследованию возможностей использования водных ресурсов соседних речных бассейнов.

В бассейнах рек северного склона (Невы, Сев.Двины, Зап.Двины, Енисея, Лены и Оби) сумма безвозвратного водопотребления и потерь воды не превышает 0.3% от речного стока и проблем с водообеспеченностью практически не существует, а локальные дефициты воды (например, на некоторых малых и средних реках бассейна Оби) могут быть покрыты за счет регулирования или перераспределения речного стока внутри бассейна.

В целом по России суммарный забор свежей воды из поверхностных водных объектов оценивается в 75.4 км3 или 2 % от суммарного речного стока 95%-ой обеспеченности, однако по ряду бассейнов величина водозабора достигает 50 % и более, особенно в бассейне Кубани (75 % от среднемноголетнего и 111% от стока 95%-ой обеспеченности), что свидетельствует о многократности использования воды вдоль по водотокам. Общий забор подземных вод (11.9 км3) составляет 3.8 % от суммарных эксплуатационных запасов и во всех основных бассейнах не превышает 30 %.

Вычисленное по отношению к водным объектам безвозвратное водопотребление (без учета дополнительного испарения с поверхности водохранилищ и прудов) наиболее значительно в бассейнах Волги, Кубани и Терека, а в сопоставлении с речным стоком маловодного года 95%-ой обеспеченности достигает близких к критическим значений в бассейнах Кубани, Терека и Сулака (соответственно 40, 38 и 26 %), что указывает на возможность дефицитов воды в остромаловодные годы и периоды.

Суммарный объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты, оцениваются в 55.7 км3, в том числе: загрязненных без очистки - 6.2 км3; недостаточно очищенных -15.8 км3 и нормативно-очищенных -2.5 км3. Суммарный сброс загрязненных, недостаточно очищенных и нормативно-очищенных сточных вод наиболее значителен в бассейнах Кубани. Дона, Урала, Терека и Волги (от 5до 15 %).

Таблица.1.2. Водные ресурсы основных рек России.