ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС

Дифракционная электронная микроскопия включает совокупность экспериментальных и теоретических приемов получения, расчета и толкования электронных изображений и микродифракционных картин. При использовании данных о кристаллографии объекта и привлечении выводов теории дефектов в кристаллах это позволяет предсказать контраст в определенных условиях дифракции и сопоставив его с наблюдаемым, сделать выводы о характере реальной структуры объекта.

Рассмотрим подробнее механизм возникновения дифракционного контраста. Для простоты п роследим сначала контраст на темнопольном изображении. Рассмотрение контраста в кинематическом приближении без учета поглощения ограничи- вается тонкими кристаллами при достаточно больших отклонениях плоскостей, дающих рассматриваемое отражение, от брегговского положения, когда отраженный пучок существенно слабее первичного.

Контраст, как было показано выше, определяется распределением локальных условий дифракции. Рассмотрим степень влияния условий дифракции на локальное распределение интенсивности на выходе из кристалла, то есть в плоскости объекта (2), сопряженной с плоскостью (5) (см. рис.6). Разберем простейший случай. Пусть на электронограмме путем со-ответствующих поворотов монокристаллического образца остается кроме нулевого еще один рефлекс, отражение от остальных плоскостей существенно слабее. Поэтому при качественном рассмотрении контраста в дальнейшем ограничимся так называемым двухлучевым приближением. При этом полагаем ,что дифракционный контраст формируется за счет отражения только от одной системы плоскостей. Интенсивность, отраженную остальными плоскостями считам пренебрежимо малой. В двухлучевом приближении в точку Р (рис.8а) приходят потоки энергии в угловом интервале не большем, чем . Это отвечает поверхности, лежащей между точками АВ. Колонковое приближение состоит в том, что условия дифракции внутри колонки сечением АВ определяет интенсивность дифрагированных пучков (темнопольное изображение) или прошедших (светлопольное), которая не зависит от условий дифракции вне этой колонки.Так при толщине фольги ~100 нм и рад размер АВ 1 нм. Это дает основание разбить кристалл на колонки диаметром АВ и рассматривать распределение интенсивности в сечении освещенной части образца, как распределение, отвечающее условиям дифракции в отдельных колонках. При этом допускают, что условия дифракции в сечении каждой колонки одинаковы для всего сечения и могут изменяться лишь вдоль оси колонки.

Возможен другой подход. Пусть волна, отраженная от какой либо системы плосктей, почти перпендикулярной поверхности образца, попадает в точку Р на нижней поверхности образца (рис.8 б). Для расчета контраста необходимо оценить с какого участка образца изллучение приходит в эту точку. Разделим кристалл на ряд слоев, параллельных поверхности. Воспользуемся построением Френеля для волны, рассеивающейся на слоях и распространяющейся вдоль ОР. Допустим, что практически весь вклад в амплитуду этой волны определяется первыми десятью зонами Френеля. При толщине фольги X ~100 нм первые десять зон для верхнего слоя можно оценить следующим образом. Радиус первой зоны

,

где - длина волны, Х- расстояние от верхнего слоя до точки Р.

Радиус первых десяти зон равен 3R. При длине волны при рабочем напряжении 200 кВ равной 0,0025 нм радиус десяти зон равен 3R=1,5 нм. Выделим в фольге цилиндрическую колонку радиусом 3R c осью, проходящей через точку Р. Так как углы дифракции малы, то длина колонки приблизитель-но равна толщине фольги. Амплитуда волны в точке Р определяется только излучением, рассеянным кристаллическим объемом, лежащим внутри этой колонки, и не зависит от условий дифракции в соседних колонках. И в первом и во втором случаях независимо от подхода, очевидно, что при анализе контраста можно рассматривать интенсивности дифрагированных пучков в отдельных колонках. Поскольку полагают, что в сечении колонки условия дифракции одинаковы, очевидно, для расчета амплитуд можно рассматривать в каждой колонке столбик ячеек, длине колонки.

При симметричной дифракции электронов по схеме Лауэ в непоглощающей фольге толщиной Х интенсивность дифрагированной волны описывается формулой

, (4)

где - экстинкционная длина;

- обратная экстинкционная длина;

s-вектор, характеризующий отклонение отражающих плоскостей от брегговского положения.

Для тонкой фольги вектор s перпендикулярен ее плоскости и параллелен Х. При s=0

I_H~sin²( .

Если sL_Э>>1, то выражение принимает вид:

I_H=I_{0 ,} (4а)

что с точностью до константы совпадает с формулой, справедливой в кинематическом приближении. Используя формулы (4) можно вычислить амплитуды пучков дифрагированных и прошедших I_светл.=I₀-I_H в каждой колонке совершенного не поглощающего кристаллафольги. Отсюда очевидно, что контраст на светлопольном и темнопольном изображениях в двухлучевом приближении, если не учитывать поглощения, является взаимно обратным или взаимно дополняющим. Для качественного анализа контраста удобно пользоваться формулой (4а). В частности, зависимость величины амплитуды дифрагированной волны от условий дифракции (Х и s) хорошо иллюстрируется с помощью амплитудно фазовой диаграмы. Пусть имеется колонка длиной Х. Если все элементы колонки рассеивают в олной фазе (s=0), то амплитуда пропорциональна длине колонки Х (рис.9 а). Если условия дифракции таковы, что вектор s не равен нулю, то элементы колонки на расстоянии dx рассеивают с разницей фаз .В этом случае амплитудно-фазовая диаграмма, изображающая сумму всех элементов dx, представляет окружность радиусом или ее часть в зависимости от длины колонки Х и величины s . Результирующая амплитуда изобразится отрезком ОР₁. Длина этого отрезка в соответствии с (4а) равна . Рассмотрим два простейших примера. Пусть есть в фольге два рядом расположенных зерна-кристаллита. Вследствие изменения ориентации решетки при переходе от одного зерна к другому аплиту ды дифрагированных пучков из за разных значений параметра s различны. Соответственно освещенность изображений зерен разная. На участке, соответствующем изображению высокоугловой границы этих зерен, получим систему темно-белых полос, параллельных линии пересечения границы зерен с поверхностью фольги. Положим для простоты, что амплитуда дифрагированного пучка в первом зерне сущкственно больше, чем во втором. Тогда контраст на границе определяется дифракцие только в первом зерне, край которого представляет для наклонной границы клин (рис.10). В этом случае для колонок разной длины амплитуда в соответствии с формулой (4а) осциллирует. Эпитаксиальные слои часто содержат микродвойники. На изображениях фольги двойники имеют вид прямых пластин с периодическим контрастом по краям, обусловленным переменной толщиной матрицы при наклонном расположении двойниковой пластинки.

Другой пример. Пусть участок исследуемой фольги имеет постоянную толщину, но разную локальную ориентацию (параметр s из-за изгиба фольги меняется). С ее изменением изменяется радиус окружности амплитудно-фазовой диаграммы, и в соответствии с формулой (4а) меняется амплитуда. Это вызывает появление так называемых изгибных или экстинкционных контуров. Основной контур возникает в тех участках кристалла где s=0. При определенных условиях, если позволяет расходимость пучка, на экстинкционном контуре может наблюдаться тонкая структура, то есть могут быть видны дополнительные параллельные контуры, отвечающие дополнительным максимумам функции . По расстоянию между ними можно определять толщину фольги. При покачивании образца изгибные контуры перемещаются через поле зрения.

Дифракционный контраст в несовершенных кристаллах (кинематическое приближение).

Контраст, связанный с особенностями микроструктуры несовершенных кристаллов, возникает из-за локальных изменений условий дифракции, вызванных различного рода несовершенствами .Влияние дефектов решетки на условия дифракции можно рассматривать с помощью векторов полей смещений ячеек вокруг дефектов. Пусть вектор рассеяния , вектор, характеризующий положение ячеек в идеальном кристалле , а вектор задает смещение j-ой ячейки, определяемое полем смещений дефекта. Тогда для амплитуды волны, рассеянной какой либо колонкой, можно записать:

.

В колонковом приближении допускается , что величины и в сечении колонки постоянны и меняются только по длине колонки. Так как -целое число и , а суммирование по всем ячейкам колонки можно заменить суммированием по ячейкам столбика из элементарных ячеек параллельного ,умножив сумму на число столбиков в сечении колонки – N_s, получим:

.

Или, заменив суммирование интегрированием, учитывая, что (где z – проекция

на нормаль к поверхности фольги) приходим к выражению:

, (5)

где Z- толщина фольги.

Из формулы (5) видно, что наличие дефекта добавляет дополнительную разницу фаз между волнами рассеянными элементами колонки. Без дефекта эта разница фаз есть , а дефект добавляет еще . В результате в подинтегральном выражении появляется множитель , влияющий на амплитуду дифрагированной волны, следовательно, на контраст. Удобно фазовый множитель представить в иной форме. Учитывая очевидное равенство , где -векторы ОР и решетки не искаженного кристалла, а -локальный вектор ОР и вектор решетки искаженного кристалла, причем . Заменив , получим . Следовательно, . При использованных выше допущениях векторы и зависят только от z . Очевидно, что , где - компоненты вектора вдоль осей Х_,Y,Z , а -проекция вектора на . Отсюда , и так как при дифракции быстрых электронов практически перпендикулярен оси Z, то локальный поворот отражающих плоскостей . Изменение межплоскостных расстояний определяет изменение (ось Х направлена вдоль H). Проекция этой компоненты на s равна . Теперь окончательно в искаженной решетке локальный параметр равен:

(6)

Существенным выводом из уравнения (5), необходимым для идентификации дефектов, является условие:

(7)

При выполнении этого от условия контраста, вызванного полем смещения дефекта, нет, так как в колонках, искаженных им, амплитуда не отличается от амплитуды совершенного кристалла. Из (6) очевидно, что из-за малых значений брегговских углов локальные изменения межплоскостных расстояний влияют на величину дополнительного фазового множителя , а, следовательно, и на контраст гораздо слабее, чем локальные повороты решетки вокруг оси, перпендикулярной лучевой плоскости.

В общем случае дефекты характеризуются сильно анизотропными полями смещений, Знание поля смещений позволяет предсказать возможный контраст, связанный с тем или иным типом дефектов, и наоборот, по характеру контраста можно идентифицировать тип наблюдаемых дефектов. На этом и построено электронно-микроскопическое изучение дефектов кристаллов на основе дифракционного контраста.

Дислокации. Основные особенности контраста при изображении дислокаций удобно рассмотреть на примере винтовой дислокации, параллельной плоскости фольги. Пусть вектор Бюргерса направлен вдоль оси Y (рис.11).Тогда поле смещений вокруг дислокации задается уравнением , x –расстояние от оси дислокации (направление осей показано на рис.11).Тогда для колонки, расположенной на расстоянии x от оси дислокации, дополнительный фазовый множитель

При n=0 очевидно , что контраста нет, то есть дислокация невидима. Условие означает, что вектор параллелен отражающим плоскостям и смещения так же им параллельны.

На рис.12 хорошо видно исчезновение части дислокаций, для которых выполняется условие при формирующем изображение рефлексе 311, которые видны при использовании рефлекса 202.

Поле смещений винтовой дислокации характеризуется отсутствием смещений , приводящих к изменению межплоскостных расстояний. Поэтому в уравнении (6) локальный параметр отклонения содержит лишь два слагаемых

Очевидно, что по разные стороны от оси дислокации при заданном в зависимости от знака второго слагаемого величина может по абсолютной величине уменьшаться или возрастать .Соответственно поле смещений в зависимости от знака n и х так разворачивает решетку кристалла, что она или удаляется или приближается к брегговскому положению по мере движения в колонке к z =0. Очевидно, при z>>x кривизна амплитудно-фазовой диаграммы определяется первым слагаемым, как это видно из рисунка ( рис.13)

Очевидно, что при s >0 в колонке, расположенной на расстоянии х₁>0 от оси дислокации , а в колонке х₂<0 _, . Соответственно и амплитуды дифрагированного луча для колонок , где х₂=const вдоль оси дислокации больше чем с противоположной стороны.

Очевидно, что изображение дислокации там, где амплитудно-фазовая диаграмма имеет вид развернутой спирали (рис.13).Очевидно, что светлопольное и темнопольное изображения дислокаций. Очевидно при пересечении линией дислокации экстинкционного контура (s=0), по обе стороны от которого параметр s имеет разные знаки, изображение дислокации располагается по разные стороны от оси дислокации. Изображение же дислокаций с противоположными направлениями вектора Бюргерса, смещены в противоположные стороны от их осей и при изменении знака s при покачивании к кристалла изображении дислокаций смещаются в противоположные стороны. Величина должна быть достаточно большой, чтобы различие амплитуд искаженной и не искаженной колонок было не менее ~10% и контраст был заметен. Например, условие для обнаружения дислокаций . С ростом величины контраст обычно усиливается. При больших значениях (например ) профиль изображения кроме основного может иметь и слабый побочный максимум (изображение как бы раздваивается). Обычно, ширина изображения близка по величине по величине его смещению от оси дислокации (рис.14) и составляет величину порядка 10-20 нм. Радиус амплитудно-фазовой диаграммы, а, следовательно, и величина амплитуды пропорциональна s^-1. Поэтому дислокации лучше всего видны вблизи главных экстинкционных контуров (s ). В этом случае максимальна и ширина их изображений, хотя для количественных оценок контраста кинематические представления неприменимы и необходимо использовать динамическую теорию. Винтовая дислокация, расположенная наклонно к плоскости фольги имеет характерный осциллирующий контраст (рис.15). Причем в сравнительно толстых фольгах осцилляции сохраняются для наклонных участков лишь вблизи поверхности фольги. Для объяснения этого эффекта лучше использовать представления динамической теории. Осцилляции интенсивности на изображениях могут возникать благодаря тому, что дислокация располагается в области биения двух блоховских волн ( поля №1 и №2), интерференция которых и приводит к осцилляциям. Период осцилляций определяется экстинкционной длиной. Вблизи середины сравнительно толстой фольги, остается одна слабо поглощающаяся волна и осцилляции не видны.

При рассмотрении контраста от дислокаций произвольного типа, поле смещений которой задано формулой :

,

(где -полярные координаты, -вектор Бюргерса и его краевая компонента, пропорциональная ( -единичный вектор, задающий направление оси дислокации), -компонента поля смещения, перпендикулярная плоскости скольжения), следует учесть, что на контраст влияют проекции всех трех компонент поля смещений на плоскость, параллельную вектору дифракции и перпендикулярную первичному пучку. Ясно, что изображение дислокации не «гаснет» даже если . Вектор Бюргерса определяют ,обычно. путем нахождения рефлекса, в котором изображение дислокации полностью или в существенной мере «гаснет». Не полное «гашение» изображения вызвано, при выполнении условия (Hb) =0 составляющим поля смещений u₂ и u_3. Если дислокация лежит в плоскости скольжения, нормальной первичному пучку, то только компоненты u₁ и u₂ влияют на контраст .В этом случае дополнительный фазовый сдвиг

.

В частности, для краевой дислокации и изображение примерно вдвое шире , аналогично расположенной винтовой дислокации.

В принципе, если для краевой дислокации , то контраст может быть обусловлен компонентой u₃ . В этом случае дополнительный фазовый сдвиг не зависит от знака х и поэтому положение изображения симметрично относительно линии дислокации Так, если призматическая дислокационная петля образуется при ассоциации точечных дефектов в плоскости, параллельной плоскости фольги, то для нее выполняется условие и контраст вызван только компонентой u₃. Радиус петли в этом случае равен радиусу ее изображения и может быть использован для оценки количества точечных дефектов, образовавших петлю. Однако, поскольку вдоль линии петли меняется, а там где контраст уменьшается до нуля (рис.16). Для частичных дислокаций произведение может быть и не целым числом. Так в кристалах с гранецентрированной кубической решеткой имеются дислокации Шокли с вектором Бюргерса типа и Франка с .В этом случае величина может иметь значения , где n=0 , 1 ,2 …. Расчеты показали, что при не видны как винтовые, так и краевые дислокации ( если компонента u₃ не существенна). В случае при малых отклонениях от условий Брега ( sL_э ) и дислокации Шокли и дислокации Франка видны, но при sL_{э ,} если (Hb)=-2/3, изображение дислокаций исчезает.

Выше было сказано, что дислокации лучше всего выявляются при не слишком больших отклонениях от условий Брега. Но при этом и ширина их изображений достаточно велика, что и определяет разрешение метода ПЭМ при изучении дислокационного строения кристаллов с большой плотностью дислокаций. Увеличить разрешение метода и тем самым опираться на существенно более высокое разрешение самого микроскопа можно используя так называемый метод слабых пучков. В таких задачах как определение положения дислокаций при выявлении расщепления дислокаций для изучения механизма упрочнения и энергии дефектов упаковки, выявление дисперсных выделений в упругом поле дислокаций, изучение парных дислокаций в сверхструктурах или дислокационных диполей т.д. необходимо иметь меньшую ширину изображения и соответственно меньшие смещения изображений от истинного положения линий дислокаций. Метод слабых пучков может быть реализован в микроскопах с высоким разрешением темнопольных изображений, получаемых при больших значениях вектора s, например , (при (Hb)<2) или sL_э>5.

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС

Водохозяйственный баланс - сопоставление располагаемых водных ресурсов с требуемыми объемами и режимом водопотребления, с целью удовлетворения потребностей в воде населения и отраслей народного хозяйства.

Водохозяйственный баланс (ВХБ) является основой планирования использования водных ресурсов и предназначен для целей:

Ø научно-обоснованного планирования использования водных ресурсов;

Ø оперативного управления водными ресурсами;

Ø определения водохозяйственных мероприятий по удовлетворению потребностей в воде населения и народного хозяйства.

7.1 Водохозяйственный баланс и водный баланс территории

Водохозяйственный баланс следует отличать от водного баланса территории, который служит средством анализа природного и антропогенного круговоротов воды, с целью:

v уточнения располагаемых водных ресурсов;

v определения влияния на них антропогенной деятельности;

v раскрытия закономерностей формирования вод суши;

v выявления соотношений между приходом и расходом влаги на территории.

Таким образом, водный баланс позволяет определить количество располагаемых водных ресурсов и режим их стока, а водохозяйственный баланс использует эти данные в качестве основной приходной статьи.

Различают водный баланс:

поверхностных вод DWпов. = Ос – Е - В + П – О ,

где Ос - количество выпадающих осадков;

Е - суммарное испарение;

В - впитывание воды в почву;

П - поверхностный приток воды,

О- поверхностный отток воды,

(DWпов.> 0 приводит к появлению поверхностной воды в виде луж, прудиков или увеличению уровня воды в озерах, болотах и т.п.)

почвенных вод DWпочв. = В ± g,

где ±g - водообмен почвенных и грунтовых вод (+ подпитывание почвенных вод, - подпитывание грунтовых вод);

В - впитывание воды в почву;

(DWпочв.> 0 означает увеличение влажности почвы выше среднемноголетнего уровня).

грунтовых вод DWгр. = g + П – О,

где П - подземный приток воды,

О - подземный отток воды,

(DWгр. > 0 означает подъем уровня грунтовых вод).

общий баланс толщи почво-грунтов (рис.7.1)

DW = Ос - Е + (П + П) – (О + О) ± Р ,(7.1)

где ±Р - водообмен грунтовых вод с нижележащими подземными водоносными горизонтами.

Поверхностный и подземный отток воды с территории идут на формирование объема речного стока: Wр. = О + О

7.2 Виды ВХБ

Различают следующие виды водохозяйственных балансов: отчетный, оперативный, плановый и перспективный.

Отчетный ВХБ составляется по данным за прошедший год и предназначен для анализа водохозяйственной деятельности, выявления непроизводительных потерь воды, путей экономии водных ресурсов.

Оперативный ВХБ предназначен для целей оперативного управления гидроузлами и составляется на ближайший период времени: год, квартал, месяц, декаду.

Плановый ВХБ является промежуточным звеном между отчетным и перспективным периодом, что позволяет планировать поэтапность достижения результатов перспективного баланса.

Перспективный ВХБ предназначен для разработки планов использования водных ресурсов, обеспечивающих плановое развитие экономики и составляется на срок 5…20 лет.

Рис.7.1 Составляющие водного баланса территории между створами 1-2.

7.3 Водохозяйственный баланс и его составляющие

ВХБ составляется для бассейнов рек (рис.7.2), их участков, отдельных территорий, на которых расположены водохозяйственные комплексы.

Рис.7.2 ВХБ для участка реки расположенного между створами 1-1 и 2-2.

Уравнение водохозяйственного баланса

ВХБ = Wр + DWр +Wп.в. ± Wпер. + - - Wпоп. -

- a* Wп.в ± D Wа ± Wвод. - Wи – Wгр ±Wл – Wфил., (7.2)

где Wр - объем стока реки формирующийся на вышележащей территории,

DWр - объем стока реки формирующийся на рассматриваемой территории,

Wп.в. – объем водопотребления из подземных водоносных горизонтов,

Wввi - объем возвратных вод i-го участника ВХК,

Wi - объем водопотребления i-м участником ВХК,

Wпоп.- объем попусков на ниже лежащий участок реки,

a* Wп.в – ущерб речному стоку за счет использования подземных вод гидравлически связанных с рекой;

a - коэффициент, учитывающий гидравлическую связь речных и подземных вод,

DWа - изменение стока реки за счет деятельности человека на водосбор- ной площади,

Wвод.- изменение объема речного стока при сработки (+) водохранилища или первоначальном наполнении (-) ,

Wи - дополнительные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища,

Wгр. - объем воды идущий на пополнение запасов подземных вод после создания водохранилища,

Wл – потери воды при оседании льда на берега во время зимней сработки водохранилища (-), возврат воды в результате таяния льда весной (+);

Wфил. - фильтрационные потери из водохранилищ в пределах расчетного ВХУ;

n - количество водопотребителей в составе ВХК.

Объем стока реки, поступающий на рассматриваемый участок с выше лежащей территории (Wр) представляет собой сток, сформированный на водосборной площади F₂ подвешенной к створу 2-2 (рис.7.1). Зная модуль стока воды с данной территории (q₂) можно определить объем Wр за расчетный период времени (t) величина притока воды по реке на рассматриваемый участок составит:

Wр = q₂ * F₂ * t (7.3)

Объем стока (DWр) формируется на площади F_1-2 и при известном модуле стока (q_1-2 ) определяться по формуле:

DWр = q_1-2 * F_1-2 * t (7.4)

Объем переброски стока предназначен для устранения дефицита воды.

Wпер. < ( ВХБ < 0) (7.5)

В уравнении ВХБ (+Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-приемником, в которую поступает определенный объем переброски стока из бассейна другой реки (реки-донора). Величина (–Wпер) означает, что рассматриваемая река является рекой-донором.

Водозабор из подземных вод учитывается величиной (Wп.в). Подземные воды могут дренироваться рекой, т.е. быть с ними гидравлически связанными. Часть подземных вод a*Wп.в, которая забирается из подземных водоносных горизонтов, перестает участвовать в формировании стока реки. Происходит косвенное истощение реки, то есть ущерб речному стоку за счет использования подземных водоносных горизонтов гидравлически связанных с рекой. Коэффициент гидравлической связи изменяется в пределах a=0…1. (совершенная гидравлическая связь грунтовых вод и речных вод a=1, отсутствие связи подземных и поверхностных вод a=0).

Значения коэффициента гидравлической связи могут быть приняты в зависимости от гидрогеологических условий и условий водозабора (рис.7.3). Например: если идет отбор подземных вод из аллювиальных отложений речной долины, то a = 1. Если водозабор осуществляется из подземных горизонтов изолированных от контакта с поверхностными водами покровным водоупором, или из скважин расположенных на значительном удалении от реки то значение коэффициента принимается равным 0 (a = 0). В других случаях значение a принимается в пределах от 0,7 до 0,3

a=1 a=0.7 a=0 a=0.3 a=0

Рис.7.3 Схема для выбора значения коэффициента гидравлической связи

подземных и поверхностных вод.

В случае совершенной связи подземных вод с рекой и однородном водоносном горизонте коэффициент гидравлической связи поверхностных и подземных вод можно определить по формуле:

a= erfc( ) , (7.6)

где erfc -специальная табулированная функция; l -расстояние от скважины до реки по линии тока подземных вод, м; а - коэффициент уровнепроводности (безнапорные подземные воды: a = kф*h₁/m) или пьезопроводности (напорные воды: a=kф*h₂ /m), м²/сут; kф- коэффициент фильтрации грунтов, м/сут; m -коэффициент водоотдачи; h₁, h₂ – мощность водоносного горизонта, м (рис.7.4); t -время с начала работы водозаборной скважины, сут.

Рис.7.4Схема определения мощности водоносного горизонта

А – безнапорный; Б - напорный

Годовой объем попусков определяется как сумма максимальных по месяцам объемов воды, необходимой для водопотребителей:

Wпоп.= мах{w^гэсi, w^втi, w^лi, w^эколi, w^рхi} , (7.7)

где w^гэсi - объем воды в i-ый месяц необходимый для выработки электроэнергии на ГЭС;

w^втi - объем воды в i-ый месяц для водного транспорта;

w^лi - объем воды в i-ый месяц для лесосплава;

w^эколi - минимально допустимый объем экологического стока в i-ый месяц (объем воды не используемый для водопотребления но необходимый для поддержания экологического равновесия водной экосистемы);

w^рхi - объем воды, необходимый для обеспечения нормальных условий обитания рыб в водном объекте (провода проходных рыб из одного бьефа гидроузла в другой во время нереста, создание необходимых мелководных зон для развития молоди и т.п.).

При определении объемов попусков следует учитывать, что выбирая наибольший объем воды, должны удовлетворяться требования всех других водопользователей. Например, если в составе гидроузла имеется ГЭС и судопропускные шлюзы, то необходимо дать попуск, обеспечивающий и работу ГЭС (w^ГЭСi) и условия судоходства в нижнем бьефе (w^втi) и пропуск судов по шлюзу (Dw^втi) (рис. 7.5 а).

Wпоп = мах{w^ГЭСi+Dw^втi, w^втi} (7.8)

В случае, если водопользователи расположены на главой реке и ее притоке, то необходимо обеспечить нормальную работу каждого ( рис.7.5 б):

Wпоп = мах {w^гэс1i, w^вт1i} + мах{w^гэс2i, w^вт2i} (7.9)

Рис.7.5 Схемы для определения объемов попусков:

а.- наличие судоходного шлюза в составе гидроузла;

б.- наличие двух гидроузлов в бассейне реки.

Изменение стока реки в результате антропогенной деятельности, осуществляемой на водосборной площади (±DWа), является результатом вырубки или посадки лесов, использования земель для выращивания сельскохозяйственных культур, урбанизации территории, строительства прудов.

Вследствие интенсивного использования малых рек и антропогенной трансформации ландшафтов их водосборов в прошлое столетие в Центральном регионе РФ исчезло около 30% малых рек.

Вырубка лесов и лесопосадки приводят к перераспределению составляющих: поверхностного и подземного стоков, идущих в реку с водосборной площади. Лесные массивы увеличивают долю подземного стока и снижают долю поверхностного, это приводит к снижению максимальных расходов половодья и увеличению расходов воды во время меженных периодов (рис.7.6).

Рис. 7.6 Изменение годового стока малых рек (DWа) зоны смешанных лесов ЕТР в зависимости от залесенности водосбора (а) и обеспеченности (б) годового стока рек (расчетные данные).

Величина (-Wвод) учитывается в период первоначального наполнения водохранилища до проектной отметки (например, до отметки уровня мертвого объема, УМО). Если наполнение до данной отметки происходит в течение нескольких лет (t_нап), то при составлении ВХБ для конкретного года этого периода (i), в уравнении ВХБ учитывается объем наполнения водохранилища в данный год (DVi, если эти потери связаны с заполнением мертвого объема Vмо, то åDVi=Vмо).

Величина (+Wвод.) учитывается в годы аварийной сработки водохранилища или проведения планового ремонта (рис.7.7), требующего холостого опорожнения до отметки ÑВБ_сраб..

Wвод =Vсраб.

УВБ – отметка воды в водохранилище

на момент начала сработки

Рис.7.7 Схема определения объема сработки

водохранилища для проведения

ремонтных мероприятий.

Потери воды на дополнительное испарение с водной поверхности водохранилища определяются по формуле:

Wи = Fср*[hв - (hос - hст)], (7.10)

где Fср – средняя площадь зеркала водохранилища за расчетный интервал времени. Определяется как площадь водохранилища минус площадь водной поверхности до создания водохранилища (f): Fcp=Fв-f; hв - слой испарения с водной поверхности; hос - слой осадков на водную поверхность; hст - слой стока на той же площади до создания водохранилища.

Рис.7.8 Схема для расчета дополнительных потерь воды на испарение с поверхности водохранилища. (Fв – площадь водохранилища, f-площади естественного зеркала реки).

При первоначальном наполнении водохранилища часть воды (Wгр) идет на насыщение толщи почво-грунтов (рис.7.9). Насыщение водой происходит на прилегающей к водохранилищу территории, в течение нескольких лет (10-20лет). Каждый год периода насыщения почво-грунтов происходят потери определенного объема воды Wгрi. В результате на данной территории поднимается уровень грунтовых вод (Dh). Зона, в пределах которой отмечается достоверный (превышающий ошибку определения d»10-20см) подъем уровня грунтовых вод, называется зоной влияния водохранилища (Dh³d). Объем Wгрi определяется площадью распространения воды за конкретный год (Fвл.i) и величиной подъема уровня грунтовых вод за данный период (Dhi):

Wгр.i = Dhi * Fвл.i * (n – w), (7.11)

где n -пористость почво-грунтов, w – влажность толщи почво-грунтов зоны подъема уровня грунтовых вод; Dhi – величина подъема уровня подземных вод.

Рис.7.9 Схема определения объема потерь воды на насыщение

почво-грунтов (Wгр.).

Фильтрационные потери воды из водохранилищ складываются из фильтрации через тело плотины, ее основание и в обход плотины. Потери на фильтрацию через тело, основание и в обход плотины определяются по данным натурных наблюдений (за существующей плотиной или ее аналогом) или на основе расчетов, например по формуле:

W_{ф плот}= (7.12)

где: H₁ , H₂ – соответственно, расстояние между уровнем воды в верхнем, нижнем бьефе и водоупором (рис.7.10), м; l_ур - расстояние между линиями уреза воды в верхнем и нижнем бьефах, м; К_ф - коэффициент фильтрации грунта и основания плотины, м/c; L_п – длина плотины, м; t – период времени, за который рассчитывается фильтрация, с.

Рис.7.10Схема для расчета фильтрационных потерь воды через тело и основание грунтовой плотины.

Во время зимней сработки водохранилища, образовавшийся лед оседает на берегах, что приводит к потере воды, заключенной в осевшей ледяной массе. Данные потери воды рассчитываются по формуле (-Wл):

W_л= h_л (F_н - F_к) ,(7.13)

где: r_в/r_л – отношение плотности воды и льда (обычно принимается равным единице); h_л – средняя толщина льда за расчетный интервал; F_н и F_к - площадь зеркала водохранилища соответственно в начале и в конце расчетного интервала времени.

Лед, осевший зимой на берега водохранилища, возвращается в него при таянии в течение первого теплого весеннего месяца (+Wл). Потери воды на льдообразование являются полностью возвратными –Wл=+Wл.

7.10 Оценка качества воды водных объектов при проведении воднобалансовых расчетов

Использование водных ресурсов (связанное с забором воды из источника водоснабжения и сбросом в него загрязненных стоков) сказывается на экологическом состоянии водных объектов и приводит к истощению, изменению гидрологического режима и качества вод. Поэтому при решении водохозяйственных задач необходимо учитывать загрязненность сточных вод, и их вклад в формирование качества воды поверхностных водных объектов. Сделать это можно с помощью безразмерного коэффициента предельной загрязненности (Кпз), или в виде показателя предельной загрязненности, выраженного в единицах объема воды.

Дане показатели получены на основе решения уравнений водного баланса с учетом гидрохимической составляющей. Расчетная схема представлена на рис.7.17. К створу 1-1 поступают загрязненные воды реки. Объем загрязняющих веществ определяется произведением W1*C1. Добавим к нему некоторый объем вод W’ c фоновой концентрацией загрязняющего вещества в реке Ср. Величина W’ представляет собой некоторый виртуальный объем чистой воды, который позволяет довести концентрацию загрязняющих веществ (C₂) в створе 2-2 реки до ПДК (предельно-допустимой концентрации). Запишем выражение баланса веществ для створа 2-2:

W₂*C₂ + W’*Сp = (W₂ + W’)*ПДК (7.29)

Решим уравнение относительно виртуального объема W’:

W’= W₂*(C₂ –ПДК)/(ПДК – Ср) (7.30)

Соотношение, стоящее в правой части выражения (7.30) представляет собой показатель предельной загрязненности воды i-м веществом (Wпзi= W₂*(Ci –ПДКi)/(ПДКi – Срi)), который определяется как произведение фактического объема речного стока в расчетном створе на коэффициент предельной загрязненности реки i-м веществом (Кпзi).

Wпзi = W₂*Kпзi

Кпзi.= (7.31)

Рис.7. 17 Расчетная схема для определения показателя загрязненности водных ресурсов.

Без существенной потери точности коэффициент предельной загрязненности можно рассчитывать по формуле:

Кпзi.= (7.32)

В речной воде содержится несколько загрязняющих веществ, что учитывается с помощью среднего значения коэффициента предельной загрязненности.

или (7.33)

где N- количество загрязняющих веществ, используемых для оценки качества воды, рекомендуется принимать от 5 до 20 веществ, среди которых обязательно используются: растворенный кислород, БПК, рН.

Как видно из формулы (7.33) коэффициент предельной загрязненности представляет собой модификацию, применяемого в практике оценки качества вод, индекса загрязнения воды (ИЗВ), что позволяет использовать разработанную для ИЗВ методику и классификационную шкалу (табл.7.4).

Коэффициент предельной загрязненности воды позволяет сделать оценку качества воды в водном объекте на основе классификации (таб.7.4). Следует отметить, что отрицательные значения коэффициентов предельной загрязненности показывают, что загрязненность воды отвечает требованиям нормативов ПДК.

Табл.7.4

Классификация качества воды по коэффициенту предельной загрязненности.

Дата добавления: 2014-07-30; просмотров: 724; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!