Гидрологическое обоснование водообеспечения урбанизированной территории бассейна реки Пахры Московской области

Во введении обоснована актуальность темы исследования, представлена общая характеристика работы, цель и задачи, а также положения, выносимые на защиту, научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссер- тации. Введение включает в себя также методологию и методы исследования, степень достоверности и апробации результатов.
В первом разделе приведён анализ существующих методов изучения ко- лебаний расходов воды поверхностных и подземных источников с помощью имитационной модели, представлены общие характеристики водопотребления и выбор математических методов для их исследования.
Метод имитационного моделирования для управления водохозяйственны- ми системами использовали Великанов А.Л., Коробова Д.Н., Пойзнер В.И., Во- ропаев Г. В., Исмайылов Г.Х., Федоров В. М., Дружинин И.П., Пряжинская В.Г., Рыскулов Д.М., Бусалаев И.В., Косолапова А. Е., Шустова В.Л., Семенова- Ерофеева С.М., Кумсиашвили Г.П., Клюквин А.Н., Дунин-Барковский Л. В., Моисеев Н. Н., Раткович Л.Д.
Вопросам учёта стохастичности и неопределенности водопотребления при проведении гидравлических и технико-экономических расчётов подземных ис- точников водоподачи, а также других напорных гидравлических систем (НГС) и оценки их надёжности, посвящены работы Карамбирова С.Н.
Вопросами совместного использования подземных и поверхностных вод занимались Минкин Е.Л., Ковалевский В.С., Язвин Л.С., Пашковский И.П., Ве- ликанов А.Л., Клёпов В.И., Зекцер И.С., Джамалов Р.Г., Кумсиашвили Г.П., Штенгелов Р.С. За рубежом Young R.A., Maknoon R., Downing R.A., Perez A. I., Law F., Owen M., Welsh W.D., Vaze J., Micevski T., Lerat J., Kavetski D., Zheng Y., Tian Y. и др.
Второй раздел посвящен исследованию сложных скважинных систем с использованием метода имитационного моделирования.
Предлагается методика выбора параметров скважинных систем на основе имитационной модели их работы учитывает стохастический характер водопо- требления с предварительным гидравлическим расчётом.
Во втором разделе при моделировании работы резервуара решались сле- дующие задачи:
 Определение наиболее экономной схемы скважинной системы с опти- мальным количеством скважин и объёмом резервуара. Оптимизируемым критерием при этом является величина интегральных дисконтированных затрат на строительство и эксплуатацию исследуемой системы за расчёт- ный срок службы.
 Обоснованный выбор оптимального варианта параметров подземного во- дозабора при проектировании, а также проведение машинного экспери- мента для выбранного проектного варианта.
В данной работе, в соответствии с имитационным методом, воспроизво- дятся ситуации, в которых в будущем может оказаться скважинная система.
Резервуар, находящийся на расстоянии от водозабора, соединяется со
скважинами системой водоводов. Затем вода из резервуара с помощью насосов второго подъема поступает водопотребителям.
Узловые отборы воды потребителями моделируется с применением слу- чайных чисел. Подачи насосов регулируются задвижками. Расчётный дебит скважин Qcкв, включает среднесуточное водопотребление снабжаемых водой объектов Qпот. При нехватке воды в резервуаре, если недостаточно подачи ос- новных скважин, включаются резервные скважины.
Уровнями опустошения и переполнения резервуара условно считаются из- вестные заданные величины, соответственно, отметка его дна и высота бака. В результате расчёта скважинной системы определяем суммарную подачу в ре- зервуар Qскв, которая может не быть равной требуемой Qтр.
Выходные характеристики, получаемые в результате стохастического мо- делирования работы скважинной системы: уровни воды в ёмкости, общее время функционирования и простоя каждой скважины и длительность ее работы с не- допустимым понижением. Определяется дефицит объёма резервуара при отка- зах, общий его недостаток за весь период моделирования, время функциональ- ных отказов скважинных насосов.
Для выбора параметров скважинных систем был разработан пакет при- кладных программ, позволяющий проводить машинный эксперимент с иссле- дуемыми объектами.
Анализ результатов расчёта показал, что рассчитанный стандартными ме- тодами объём резервуара является избыточным. Например, снижение регули- рующего объёма в 7-8 раз при предложенной схеме его регулирования не при- водит к отказу системы, т. е. к отключению потребителя. Этот вывод даёт осно- вание при проектировании системы включить в ряд её альтернативных вариан- тов систему с отсутствием регулирующего объёма или с минимальным регули- рующим объёмом. При этом для каждой конкретной проектируемой скважин- ной системы необходимо определить экономически оптимальное соотношение между количеством резервных скважин и увеличением объёма резервуара.
При предлагаемой схеме эксплуатации скважинной системы необходимые из условия повышенной категории надёжности систем водоснабжения резерв- ные скважины будут использоваться в часы с пиковым водопотреблением с од- новременным снижением затрат на строительство и эксплуатацию резервуаров больших объёмов.
Рисунок 1 – Схема исследуемой скважинной системы
Третий раздел посвящён вопросам исследования экспериментальных дан- ных расходов воды системы подземных водозаборов г. Подольска и реки Пахры с использованием временных рядов и кластерного анализа.
В третьем разделе приведены результаты изучения закономерностей водо- потребления методами анализа временных рядов
Исходными данными для обработки являются суммарные подачи по часам суток для трех водозаборных скважин Плещеевского водозаборного узла горо- да Подольска. Потребителями являются: цементный завод, котельные, жилой сектор. Число жителей — около 4000 человек. Здания жилого сектора имеют 5 этажей и централизованное горячее водоснабжение.
Определим основные характеристики изменения подач скважин методами анализа временных рядов. Графики автокорреляционных функций R и спек- тральных плотностей g (рис. 2) выявили наиболее характерный период колеба- ний расходов – 24 часа.
Исходный ряд был разделен на детерминированную и случайную компо- ненты. Детерминированная часть представляет ступенчатый график подач скважин в каждый час, усреднённый за период наблюдений (математическое ожидание случайной функции). Разность между исходным рядом и этой функ- цией представляет собой случайную компоненту Pt, которая вычислялась с по- мощью методов анализа временных рядов.
а) б)
Рисунок 2 – Графики автокорреляционной функции (а) и спектральной плотно-
сти подач скважин (б)
Случайная составляющая была описана линейной моделью авторегрессии
второго порядка:
PKP KPa, (1) t 1 t1 2 t t
где at – белый шум; K1 и K2 – соответствующие коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.

Следующим шагом было взятие первой и второй разностей U  P  P , что
t t1 t позволило описать поведение ряда процессом скользящего среднего. Данные исследования могут быть использованы для моделирования и прогнозирования
величин подач скважин.
Также в третьем разделе рассматривались вопросы нечёткого управления
забором подземных вод. Подземный водозабор состоит из семи основных и двух резервных скважин. Дебит каждой скважины примерно равен 30 м3/час. В таблице 1 представлен идеальный случай детерминированного водопотребле- ния при использовании этого водозабора, которое в реальных условиях носит стохастический характер. Здесь для каждого часа суток приводятся: общее во- допотребление; ожидаемые подачи погружных насосов; поступление (отдача) воды регулирующей ёмкостью; остаток воды в баке. Отклонение фактического остатка воды в резервуаре для каждого часа от расчетного может привести как к отказу, связанному с дефицитом регулирующего объема, так и к сбросу воды через переливную трубу при переполнении резервуара.
С целью минимизации рассогласования между расчётным и фактическим объёмами воды в резервуаре для каждого часа можно применить регулирование подачи подземного водозабора для режима максимального водопотребления, приведенного в таблице 1, с помощью системы нечёткого вывода. Для этого был использован пакет Fuzzy Logic Toolbox вычислительной среды MATLAB.
Основной входной переменной задачи является разность между фактиче- ским и расчётным объемом воды в резервуаре. Эта величина легко пересчиты- вается в уровень воды. Будем считать эту переменную – «Объём» – лингвисти- ческой, заданной своими значениями (термами) — дефицитный, средний, из- быточный с помощью соответствующих функций принадлежности (рис. 3 а). В данном случае использованы гауссовы функции принадлежности с параметра- ми, диктуемыми данными таблицы 1.
В отличие от детерминированного подхода, фактический объём может принадлежать одновременно всем трём значениям лингвистической перемен- ной с разной функцией принадлежности, что позволяет делать процесс управ- ления более гибким. Аналогично строятся функции принадлежности лингви- стической переменной «Подача», которая принимает значения – малая, средняя и большая. Соответствующие функции принадлежности приведены на рисунке 3 б.
Таблица 1 – Расчётный режим подачи – потребления воды
В соответствии с системой нечёткого вывода будем использовать следую- щие правила: если Объём = Избыточный, то Подача = Малая; если Объём = Средний, то Подача = Средняя; если Объём = Дефицитный, то Подача = Боль- шая. Суть алгоритма иллюстрирует рисунок 4 а.
Цифрами 1, 2, 3 обозначены функции принадлежности объемов (рис. 4 а) и соответствующих подач (рис. 4 б).
Варьируя величиной объема воды, получим зависимость «вход – выход» для нечеткого управления подземным водозабором (рис. 4 б). Регулирование подач насосов может осуществляться, например, с помощью задвижек, уста- новленных на напорных линиях.
При расчёте суммарной подачи в резервуар Qскв велика вероятность того, что она не совпадет с требуемой величиной Qтр При Qскв > Qтр поступление лишнего объёма воды можно убрать регулированием задвижками на участках скважин с повышенным напором. При расчёте задвижки заменяются участка- ми, длина которых принимается равной нулю.

а) б) Рисунок 3 – Функции принадлежности:
а) переменной «Объём»; б) переменной «Подача»
а) б)
Рисунок 4 – Иллюстрация работы системы нечёткого управления в пакете
MATLAB при заданном объеме воды в ёмкости:
а) результирующая функция нечёткого управления зависимость;
б) «вход – выход» для нечеткого управления подземным водозабором
В данном разделе был рассмотрен метод кластеризации для водозабора подземных вод городского округа Подольск Московской области с использова- нием алгоритма кластеризации методом нечётких с-средних, при котором дан- ные не относятся к какому-либо кластеру, а определяются к каждому с некото- рой степенью принадлежности. Анализ данных проводился с использованием программы Clustering (кластеризация) пакета Fuzzy Logic Toolbox вычисли- тельной среды MATLAB, использующая этот метод. Особенностью метода яв- ляется то, что известно предполагаемое число кластеров. В работе рассмотрены три градопромышленных агломерации: Подольская, Троицкая, Щербинская.

Были построены графики результатов кластерного анализа, которые харак- теризуют состояние водозаборов.
Кластеризация дебита скважин при обследовании от года бурения приве- дена на рисунке 5 а. Из графика видно, что дебит слабо зависит от года буре- ния. Исключение составляет центр кластера с координатами (1974; 27), где де- бит увеличился более чем в 2 раза. Возможно, это связано с увеличением чис- ленности населения и строительством промышленных предприятий. В начале 90-х годов наблюдается спад водопотребления, что объясняется стагнацией производства. В целом наблюдается тенденция увеличения дебита со временем.
Следующей парой признаков для кластерного анализа скважин является дебит и понижение (рис. 5 б). В данном случае центры кластеров группируются на двух прямых, что говорит о различных режимах работы скважин. Первая, параллельная оси дебитов, при относительно малых понижениях (около 2,5 м), охватывает основную долю скважин. Вторая, с меньшим числом скважин, наклонена к оси абсцисс примерно на 45°, достигает понижения 40 м и более. В большинстве случаев дебит существенно меняется в широком диапазоне при относительно небольших понижениях, что можно объяснить высокой водопро- водимостью водоносного горизонта.
Кластерный анализ признаков удельный дебит при строительных откачках – удельный дебит при обследовании приведен на рисунке 5 в. Центры класте- ров разделены на две группы. В первой группе удельный дебит возрастает, или, по крайней мере, не убывает со временем, что может быть связано с подпиткой от поверхностных источников и изменением гидрогеологических условий. Во второй группе наблюдается тенденция снижения удельного дебита при обсле- довании по сравнению со строительными откачками, что можно объяснить по- нижением уровней в водоносном горизонте и кольматацией.
а) б) в)
Рисунок 5 – Кластерный анализ (кружками обозначены скважины, а центры
кластеров — точками):

а) год бурения – дебит при обследовании, б) дебит – понижение при обследова- нии;
в) кластерный анализ удельный дебит при строительной откачке – удельный де- бит при обследовании
Изучение показателей гидрологического ряда во времени для проведения спектрального анализа ряда и выделения из него сезонной и случайной компо- нент, позволит создать в дальнейшем математические модели, которые дадут возможность использовать расчётные характеристики исследуемой системы в водохозяйственных расчётах. Для этого необходимо решить следующие задачи: статистический анализ исходного гидрологического ряда; выделение для сред- негодовых и среднемесячных расходов детерминированной и стохастической компонент; построение модели периодических колебаний исследуемого пара- метра.
При проведении анализа расходов воды реки Пахры за 68 лет по данным Московского областного института «Гидропроект» были использованы методы исследования временных рядов.
Для определения однородности ряда разделяем исходный ряд на два: n1 =
51год;n2 =17лет.Среднеедля1и2ряда: Q1 4,81; Q2 5,80.Среднеквадра-
тическое отклонение: σ1 = 1,51; σ2 = 1,01. Коэффициенты вариации: Cv1 = -0,12; Cv2 = 0,17. Коэффициенты асимметрии: Cs1 = 0,82 (ряд симметричный); Cs2 = – 1,38 (ряд асимметричный). Проверим однородность ряда с помощью критериев Фишера (F) и Стьюдента (t). Так как F = 2,24 < F* = 2,47, то гипотеза об одно- родности ряда по дисперсиям не отвергается. Статистика критерия Стьюдента t  2,46  t*  2,00 , поэтому ряд по t-статистике Стьюдента является неоднород- ным. Репрезентативность ряда наблюдений определяем с помощью сокращён- ной интегральной кривой (рис. 8 б). Так как на графике можно выделить три цикла (маловодные и многоводные фазы), то ряд является репрезентативным Результаты расчётов коэффициентов Cv и Cs ряда среднегодовых расходов реки Пахры у деревни Данилово методом моментов, среднеквадратических ошибок  Q , εCv , εCs приведены в таблице 2. Таблица 2 – Результаты расчётов достаточности ряда наблюдений для опреде- ления коэффициентов Cv и Cs Cv Cs Cs/Cv r Q εCv εCs 0,29 0,45 1,56 0,28 4,68 9,36 68,5 Таким образом, ряд наблюдений для определения нормы годового стока Q и Cv является достаточным (εCv и Q < 10 %). Среднеквадратическая ошибка ко- эффициента Cs больше допустимого значения εCs > 10 %.
Исходный временной ряд среднегодовых расходов приведен на рисунке 8.
На этом же рисунке показана линия тренда (линия полиномиальной регрессии 2 порядка), анализ которой показал плавное снижение к середине, а затем такое же плавное возрастание среднегодовых расходов к концу рассматриваемого временного периода.

Значения среднегодовых расходов представим как сумму детерминиро- ванной и случайной составляющих. В качестве детерминированной величины может выступать тренд (детрендированный ряд показан на рисунке 6) или среднемноголетняя величина рассматриваемого параметра. Как видно на ри- сунке, амплитуда колебаний расходов, в основном, лежит в пределах ± 2 м3/с.
Автокорреляционная функция исходного ряда показывает, что значимая корреляция (выше 0,3) среднегодовых расходов отсутствует. Этот вывод согла- суется с результатами исследования других авторов.
Гораздо более значительный интерес для анализа и прогнозирования пред- ставляет временной ряд среднемесячных значений расходов.
Сезонные колебания показывают периодические изменения значений, по- вторяющиеся из года в год. Выделение сезонной компоненты производится различными методами, одним из которых является метод сезонных индексов. Различными авторами предлагаются также другие методы выделения сезонной составляющей: с использованием гармонического анализа, с помощью анализа коррелограмм – графиков автокорреляционной и частной автокорреляционной функций.
Рисунок 6 – Исходный временной ряд среднегодовых расходов реки Пахры, линия тренда и детрендированный ряд
Согласно рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации, при анализе многолетних гидрологических рядов, для прогнозирования павод- ков является обнаружение изменений ряда — проверка наличия тренда. Одним из предлагаемых методов для этой цели является метод повторной выборки. Первоначально определяется тестовая статистика исходного ряда, затем данные многократно перетасовываются и в каждом случае определяются значения это- го параметра. Весомое отличие начальной тестовой статистической величины

от большинства полученных значений показывает существование тренда.
Так как исходный ряд имеет ярко выраженную сезонную компоненту, по- вторные выборки образуются многократным переупорядочиванием годовых блоков, оставляя без изменения внутригодовые последовательности данных. В качестве тестовой статистики для определения существования тренда был вы- бран градиент экспоненциальной регрессии. Так уравнение регрессии исходно- го ряда y = 2,15·e0,0005x со значением R2 = 0,0118 значительно отличается от ана- логичных уравнений для повторных выборок, что говорит о наличии тренда
среднемесячных стоков реки Пахры.
Основными методами выделения тренда являются методы:
 с использованием сглаживания, например, методы скользящего среднего;  подбором функции, например, методами регрессионного анализа.
Автором были использованы оба эти метода.
На рисунке 7 приведены: исходный ряд, центрированное скользящее сред- нее и экспоненциальная регрессия (y = 2,15·e0,0005x).
Сглаживание ряда производилось на основе простого скользящего средне- го по двенадцати точкам с последующим центрированием. База для процедуры скользящего среднего принималась 12 – равной периоду сезонных колебаний 12 месяцев. Приведенные данные, наряду с сезонными составляющими, полу- ченными методами, описанными выше, могут быть использованы для создания математических моделей с целью прогнозирования стоков реки Пахры.
После выделения детерминированной компоненты, можно выделить слу- чайную составляющую ряда Y(t) с использованием аддитивной модели:
Y(t) = T(t) + S(t) +C(t), (2)
где T(t) – тренд; S(t) – сезонная компонента; C(t) – случайная составляющая.
Анализ автокорреляционной функции исходного ряда позволяет сделать вывод о том, что наиболее характерными периодами сезонных колебаний рас- ходов является 12 и 6 месяцев.
Построим модель периодических колебаний исследуемого параметра, предварительно детрендировав исходный ряд. Для составления модели исполь- зуем гармонический анализ ряда гидрологических данных, приняв число наблюдений N = 512.
С использованием функции «Анализ Фурье» Microsoft Excel и известных формул для определения гармонических коэффициентов и дисперсий на опре- деленных частотах построим периодограмму для детрендированного ряда. Анализ периодограммы показал наличие ярко выраженных периодов в 12 и 6 месяцев. Периодограмма показывает также заметные декадные (3 месяца) и внутридекадные пики, самым значимым из которых является 1,2 месяца.
Рисунок 7 – Выделение тренда методами регрессионного анализа и методом скользящего среднего
В четвёртом разделе результаты экспериментальных исследований режи- мов функционирования водохозяйственной системы в бассейне реки Пахра.
Для того чтобы предотвратить сработку и загрязнение используемого для водоснабжения водоносного горизонта в районе города Подольска, а также в связи с проблемой загрязнения подземных вод необходимо использовать ре- зервный источник водоснабжения. В городском округе Подольск Московской области это приводит к загрязнению подольско-мячковского водоносного гори- зонта, из которого осуществляется водоснабжение подземными водами. При этом происходит увеличение жёсткости подземных вод, превышающей ПДК (7 ммоль/л), также качество подземных вод не соответствует СанПиН по железу, и в отдельных случаях по литию.
В этом случае приоритетное значение приобретают поверхностные водные ресурсы, а также возможности совместного использования поверхностного и подземного стока в целом в Московском регионе и, в частности, в бассейне ре- ки Пахры.
Так как рядом с городом Подольском отсутствуют крупные реки и постро- енные на них водохранилища, осуществлять переброску стока из других регио- нов экономически нецелесообразно. Поэтому предлагается для водоснабжения городском округе Подольск Московской области наряду с подземными водо- источниками использовать ресурсы поверхностных вод. Для этого необходимо построить систему водохранилищ на реке Пахре выше города Подольска.
Проект регулирующего гидроузла на реке Пахре был разработан в матери- алах технического проекта Московского областного института «Гидропроект». Его строительство началось в 1980 году, но из-за прекращения финансирования было остановлено в 1990 г. Подольское водохранилище образуется плотиной на реке Пахре выше посёлка Дубровицы. В проекте были предусмотрены следую- щие основные параметры водохранилища: полный объем водохранилища – 47,0
млн. м3 воды, полезный – 40 млн. м3, НПУ на отметке 144,0 м, УМО на отметке 135,0 м, площадь водохранилища – 830,0 га. Створ Подольского гидроузла должен был располагаться при слиянии рек Пахра и Моча.
В качестве исходных данных был использован ряд среднегодовых расхо- дов реки Пахры у деревни Данилово за 68 лет.
В соответствии с этими данными была построена кривая обеспеченности годовых значений расходов воды реки Пахры в створе Подольского водохрани- лища. Эта кривая представлена на рисунке 8 а. В результате этого были полу- чены исходные данные для соответствия расходов воды их расчетным обеспе- ченностям. По результатам построения были определены расчетные обеспечен- ности расходов воды. Например, обеспеченности 95 % соответствует значение 2,6 м3/с, что подтверждается проектными материалами.
Построим сокращённую интегральную кривую годового стока (рис. 8 б),
по которой можно судить о цикличности в колебаниях годового стока реки
Пахры в створе Подольского водохранилища. Вычисляем среднеарифметиче-
ский среднегодовой расход по формуле:
n
i
 Q 342,94
Q  i1  5,04, n 68
(3)
где Qi – среднегодовые расходы воды, м3/с; n – число лет наблюдений.
3 2 1 0 -1 -2 -3
а) б)
Рисунок 8 – Кривая обеспеченности среднегодовых расходов воды (м3/с)
р. Пахры (а) и сокращенная суммарная кривая годового стока р. Пахры у пло- тины Подольского водохранилища (б)
По этой кривой (рис. 8 б) определены циклы водности, включающие мно-
1926 1929 1932 1935 1938 1941 1944 1947 1950 1953 1956 1959 1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992
Σ(Ki – 1)
говодные и маловодные фазы. На данном графике выделяем три цикла: 26 лет, 24 года и 17 лет
Для построения графика зависимости дефицита гарантированной водоот- дачи от гарантированной водоотдачи были найдены дефициты для значений га- рантированной водоотдачи 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4 м3/с. Минимальное зна- чение гарантированной водоотдачи принято таким, при котором дефицит га- рантированной водоотдачи за рассматриваемый период 68 лет равен нулю, мак- симальное значение — при водоотдаче, превышающей заданной проектом ве- личину на 30-40%. В результате расчётов были получены суммарные значения дефицитов гарантированной водоотдачи за 68 лет, которые изменяются от 0 млн. м3 (для 2,2 м3/с) до 563,3 млн. м3 (для 3,4 м3/с). По этим данным был по- строен график зависимости дефицита гарантированной водоотдачи от значения гарантированной водоотдачи в выбранном диапазоне исследования (рис. 9).
Рисунок 9 – График зависимости дефицита гарантированной водоотдачи от значения гарантированной водоотдачи Подольского водохранилища на реке Пахра
В пятом разделе рассмотрены основные проблемы при совместном ис- пользовании поверхностного и подземного водозаборов, совместное использо- вание поверхностного и подземного стока для регулирования Подольского во- дохранилища.
В настоящее время эксплуатационные запасы подземных вод многих водо- заборов России находятся на грани истощения. В результате интенсивной экс- плуатации водоносных горизонтов срабатываются напоры подземных вод, об- разуются региональные воронки депрессии. Это может привести к загрязнению водоносных горизонтов поверхностными водами. Таким образом, возникает проблема поиска новых источников водоснабжения для городского округа По- дольск Московской области. Для решения этой проблемы будем использовать системы совместного использования поверхностных и подземных вод.
Для этого необходимо построить водохранилища на реке Пахре выше го- рода Подольска. В диссертации рассмотрим вариант с использованием Подоль- ского водохранилища, которое можно использовать для водоснабжения населе- ния, промышленности, сельского хозяйства. В маловодные периоды будем ис- пользовать основной и компенсационный подземные водозаборы, используе- мые для погашения дефицитов в поверхностном стоке и водоснабжения потре-

бителей. В многоводные периоды происходит восстановление сработанных за- пасов подземных вод, используется основной водозабор и водохранилище. Во- дозабор осуществляется из водохранилища и подземных водоисточников. Вода из скважин, расположенных выше водохранилища (компенсационный водоза- бор), сбрасывается непосредственно в водохранилище или в реку.
Определим показатели надежности гарантированной водоотдачи: макси- мальную глубину перебоя; обеспеченности по числу бесперебойных лет Pл, длительности бесперебойных периодов Pп, объёму доставленной пользователю воды Pо.
Для обоснования совместного использования поверхностных и подземных вод в бассейне реки Пахры были рассчитаны: дефициты гарантированной водо- отдачи, продолжительности дефицита, максимальные месячные дефициты га- рантированной водоотдачи по годам, месяцы дефицита, диапазон изменения глубины сокращения гарантированной водоотдачи Подольского водохранили- ща в обычном режиме работы и при совместном использовании поверхностных и подземных вод за 1936/37-1940/41, 1964/65-1969/70 годы, в которых возникал дефицит водоотдачи. Также был построены график зависимости дефицита га- рантированной водоотдачи от значения гарантированной водоотдачи (рис. 10).
Рассчитаем показатели надёжности гарантированной водоотдачи за период 68 лет. Результаты расчётов представлены в таблицах 3, 4.
Сравним показатели надёжности при совместном использовании поверх- ностных и подземных вод (табл. 4) и без совместного использования (табл. 3). Увеличился нижний предел водоотдачи с 2,4 до 2,8 м3/с. Максимальная глубина перебоя гарантированной водоотдачи 2,8-3,4 м3/с изменяется в диапазоне 6,3- 25,7 % (уменьшается в 3,6-8 раза по сравнению с табл. 3). Обеспеченность га- рантированной водоотдачи по числу бесперебойных лет изменяется от 62,3% до 94,2 % (увеличивается в 1-1,4 раза по сравнению с табл. 3). Обеспеченность по длительности бесперебойного периода возрастает более плавно – от 63,2 % до 95,6 % (увеличивается в 1-1,4 раза по сравнению с табл. 3), чем обеспеченность по числу бесперебойных лет. Обеспеченность по объему воды изменяется от 99,5 % до 100,0 % (незначительно увеличивается по сравнению с табл. 3). При совместном использовании подземных и поверхностных вод надёжность водо- снабжения потребителей повышается.
3,5 3,4 3,3 3,2 3,1
3 2,9 2,8 2,7
2,6
0,00 5,00
10,00 15,00
20,00 25,00
D, млн. м3
30,00 35,00
40,00
Рисунок 10 – График зависимости дефицита гарантированной водоотдачи от значения гарантированной водоотдачи при совместном использовании подзем- ного и поверхностного стока
Q, м3/с
Таблица 3 – Показатели надёжности гарантированной водоотдачи
Водоотдача, Максимальная глубина Обеспеченность, % м3/с перебоя
м3/с % Pл Pп Pо
3,4 3,1 3,2 2,9 3,0 2,6 2,8 2,4 2,6 2,0 2,4 1,4
92,4 43,5 91,9 44,9 86,9 50,7 86,0 73,9 76,5 82,6 58,0 92,8
44,1 91,6 45,6 94,0 51,5 96,3 75,0 98,3 83,8 99,3 94,1 99,9
Таблица 4 – Показатели надёжности гарантированной водоотдачи при совмест- ном использовании подземных и поверхностных вод
Водоотдача, м3/с
Максимальная глубина пе- Обеспеченность, % ребоя
м3/с % Pл Pп Pо
3,4 0,83 3,2 0,82 3,0 0,62 2,8 0,18
24,5 62,3 63,2 99,5 25,7 79,7 80,9 94,2 20,8 88,4 89,7 99,9
6,3 94,2 95,6
100,0
Эксплуатационные запасы подземных вод Подольского района Москов- ской области составляют 307426 м3/сут. Всего по промышленным категориям «А»+«В» (МУП Водоканал гг. Подольска, Щербинка, Троицк, предприятие «Тринити» и др.) эксплуатационные запасы равны 171759 м3/сут. Таким обра- зом, для водоснабжения можно использовать эксплуатационные запасы под- земных вод, равные 171759 м3/сут.
Для покрытия дефицитов водопотребления в маловодные годы предлага- ем использовать совместное использование поверхностных и подземных вод. Из подземных водозаборов, расположенных рядом с рекой вверх по течению до Подольского водохранилища, подземные воды поступают в трубопровод и сбрасываются в реку, или в водохранилище, если водозабор находится рядом с водохранилищем. ВЗУ, расположенные далеко от реки, будут подавать воду непосредственно потребителям или в водохранилище через трубопроводную сеть.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ имитации работы скважинной системы позволил выяснить, что вычисленный стандартными методами регулирующий объём резервуара может быть значительно снижен без ущербов у потребителя. Это показывает реальный экономический эффект от применения данной методики. При проек- тировании системы можно включить в ряд её альтернативных вариантов систе- му с минимальным регулирующим объёмом или без него.
2. На основании анализа гидрологических данных (временных рядов) дана оценка временных показателей, включающих в себя тренд, показатели се- зонности и характеристики случайной составляющей временного ряда. Прове- денные расчёты показали отсутствие значимой корреляции среднегодовых рас- ходов. Полученные результаты могут быть использованы для создания имита-
ционной математической модели с целью перебора всех возможных сценариев стока реки Пахры.
3. Большой разброс экспериментальных точек для параметров водоза- борных скважин не позволяет непосредственно применить к ним методы ре- грессионного анализа. Для получения возможной в этих условиях информации был применён кластерный анализ и выявлены закономерности для центров кла- стеров, как представителей большого числа данных. Результаты кластерного анализа скважин позволили выявить ряд тенденций, характерных для парамет- ров скважинных систем.
Нечёткое управление забором подземных вод обладает рядом преиму- ществ перед детерминированным. Оно обеспечивает более плавное изменение управляющих расходов. В вычислительной среде MATLAB была разработана система нечёткого вывода по управлению подачами погружных насосов с це- лью приближения фактических режимов воды к расчётным для режима макси- мального водопотребления. Предложено применить нечёткую логику для регу- лирования уровня воды в Подольском водохранилище при заборе воды из него для водоснабжения города Подольска при совместном использования поверх- ностных и подземных вод.
4. Для решения проблемы истощения подземных вод городского округа Подольск Московской области предлагается построить систему водо- хранилищ на реке Пахре выше города Подольска (в диссертации рассматрива- ется Подольское водохранилище) и в маловодные периоды для покрытия дефи- цитов гарантированной водоотдачи применять совместное использование по- верхностных и подземных вод.
По разностной интегральной кривой осадков и сокращённой суммарной кривой годового стока р. Пахры были определены маловодные и многоводные годы. Построена кривая обеспеченности среднегодовых расходов воды реки Пахры в створе Подольского водохранилища, по которой были определены расчётные обеспеченности этих значений. Обеспеченности 95 % соответствует значение 2,6 м3/с, что соответствует проектным материалам.
Определены дефициты гарантированной водоотдачи, продолжительности дефицита, максимальных месячных дефицитов за год, месяцев дефицита, диа- пазона изменения глубины сокращения гарантированной водоотдачи за 68 лет в
обычном режиме работы водохранилища и при совместном использовании по- верхностного и подземного стока. Также были построены графики дефицита Подольского водохранилища, график зависимости дефицита гарантированной водоотдачи от значения гарантированной водоотдачи.
5. Рассчитаны показатели надёжности гарантированной водоотдачи (максимальная глубина перебоя, обеспеченности по числу бесперебойных лет Pл, длительности бесперебойных периодов Pп, объёму доставленной пользова- телю воды Pо), за 68 лет в обычном режиме работы водохранилища и при сов- местном использовании поверхностного и подземного стока. При совместном использовании подземных и поверхностных вод надёжность водоснабжения потребителей повышается.
Максимальный годовой дефицит при заданной проектом обеспеченности гарантированной водоотдачи 2,6 м3/с возникает в 1965/66 гг., длится 5 месяцев и равен 11,48 млн. м3, а максимальный месячный дефицит – в феврале 1968/69 гг. и равен 4,81 млн. м3. Для покрытия дефицитов гарантированной водоотдачи при совместном использовании подземных и поверхностных вод будем исполь- зовать эксплуатационные запасы подземных вод в объёме 171759 м3/сут (1,99 м3/с). Дефициты компенсируются в месяцы их возникновения, например для февраля 1969 г. подаётся дополнительно из подземных водоисточников 4,81 млн. м3. Дефициты за период с 1929/30 по 1992/93 равны нулю. Таким образом, эксплуатационных запасов действующих подземных водозаборов Подольского района Московской области хватает для погашения дефицитов при заданной проектом обеспеченности гарантированной водоотдачи 2,6 м3/с.
При совместном использовании поверхностного и подземного стока при увеличении диапазона водоотдачи до 2,8-3,4 м3/с максимальный месячный и годовой дефициты равны соответственно 2,07 и 5,71 млн. м3 в 1968/69 г. при водоотдаче 3,4 м3/с. Таким образом, эксплуатационных запасов подземных вод для диапазона водоотдачи 2,8-3,4 м3/с не хватает для покрытия дефицита.