Как было отмечено выше, природные источники могут быть рассмотрены как элементы системы водоснабжения [1]. От надежности поступления воды из реки, озера, подземных источников зависит ус­пешное выполнение функций системы водоснабжения по удовлетворению требований потребителей . Отказ источника может повлечь полное прекращение подачи воды в расчетную точку. Это может произойти в результате недопустимого снижения его дебита, повышения уровня воды, что может вызвать затопление водозаборных и очистных сооружений. Непредвиденное и резкое ухуд­шение качества воды источника, например в результате природных катастроф, сброса сточных вод промышленными объектами, также может обусловит отказ системы водоснабжения.  

В оценке на­дежности природных источников заинтересованы такие отрасли как: гидроэнергетика, водный транспорт, орошение, дорожное и мосто­вое строительство, все виды промышленности и городского хо­зяйства. В нашей стране наблюдения за режимом и состоянием поверхностных водоемов осуществляются в основном учреждениями "Росгеология" , которая создана на базе одного из старейших геологоразведочных предприятий Росиии - "Центргеологии". Этим ведомством разработаны также методики обработки получаемых статистических данных о водоемах и оценки надежности источника [20]. Наличие статистических данных по многим источникам и соз­дание единой методики их обработки значительно облегчают воз­можность получения оценок надежности ис­точников, используемых для водоснабжения.

Режим реки, т. е. изменение ее расходов и уровней воды во времени, обусловливается сочетанием мно­гих факторов: характером чередования и длительностью периодов различных метеорологических условий, сезонов года, изменениями температуры, количеством выпадающих атмосферных осадков, режимом таяния снегов, характером водосборного бассейна (площадь рельеф, растительный покров, грунты). Так как четкая, численно выраженная функциональная зависимость показателей стока реки от всех перечисленных факторов практически не может быть по­лучена, наблюдаемые различные значения расходов и уровней ре­ки могут рассматриваться как случайные события. 

Наблюдения за режимом реки и первичная обработка получен­ных данных производятся водомерными постами, расположенными в различных по течению створах реки. Непосредственно замеряются уровни воды. Замеры уровней воды производятся системати­чески, обычно 2 раза в сутки и более часто в периоды паводков для возможности регистрации мгновенных высоких уровней. Ис­пользуются также автоматические приборы - лимнографы, позво­ляющие вести непрерывную запись отметок поверхности потока. Все замеряемые уровни привязываются к «нулю поста», имеющего известную геодезическую отметку. Каждому уровню воды в дан­ном створе реки, очевидно, соответствует единственно возможное значение расхода (величины стока) реки при условии неизменного состояния русла.

Объем стока в единицу времени (расход) рассчитывается по формуле:

Q = ,                         (6.1)

где J _i — средняя скорость течения воды в пределах площади w _{i .}

Первичные статистические материалы дают возможность полу­чить значения максимальных и минимальных уровней воды в реке, необходимых для определения отметок рас­положения водозаборных, очистных сооружений систем водоснабжения. Характер измене­ния расхода реки Q за длительные сроки, например за год, представ­ляется кривой, называемой гидрографом (рис. 6.1).

Рис. 6.1. График изменения расхода реки за год

 Методика обработки статистических материалов, поступающих от водомерных постов, имеет определенную специфику, отражаю­щую традиции и опыт гидрологической практики (применяемый в течение многих лет для оценки безопасности гидротехнических и дорожных сооружений). Для вероятностной оценки расходов и уровней строятся так называемые кривые обеспеченности (см. рис. 6.2).

       В отличие от кривой, выражающей интегральный закон распределения, ордина­ты кривой обеспеченности (рис. 6.2) выражают вероятности превышения (х > x _i). Величины вероятности превышения могут находиться и по кривой закона распределе­ния случайной величины х (уровня воды в реке).

Рис. 6.2. Зависимость распределения обеспеченности уровня воды в водоеме [1 ]

       При использовании кривой плотности вероятности f (х) вероят­ность превышения Р ( х > х _i ), т. е. обеспеченность, выражается площадью кривой, расположенной вправо от абсциссы х _i . Пло­щадь кривой, расположенная влево от х _i  дает величину F (х) =  Р ( х _i -х ₎ - гарантийной обеспеченности. Очевидно, сумма F (х) и Р ( х > х _i ) равна 1.

       Построение кривой повторяемости (кривая 1 на рис. 6.3) аналогично построению гистограмм и эмпирических кривых плот­ности вероятности (см. гл. 2). Ординаты тех и других дают вероят­ность появления событий — появления уровней в отдельных ин­тервалах. 

Рис. 6.3. Кривые повторяемости и продолжительности уровней воды в источнике [1]

       Абсциссы отдельных точек кривой продолжительности 2 (обеспеченности) получаются последовательным суммированием абсцисс кривой повторяемости; ординаты этих точек соответствуют нижнему уровню каждого рассматриваемого интервала значений H _i . Полученная кривая аналогична кривой обеспеченности  показанной на рис. 6.2. Разница между ними лишь в том, характеристики вероятности появления (или превышения) располагаются на оси абсцисс, а на рис. 6.3 на оси ординат (как это обычно делается в практике для кривых распределения).

       Распределение характеристик стока обычно достаточно хорошо аппроксимируется биномиальным законом распределения или законом трехпараметрического гамма-распределения по формуле                    

                           (6.2)

       где N - размер генеральной совокупности, из которой берется выборка объемом n;

       n - объем выборки;

       q - количество событий, с определенным признаком;

       р =  - вероятность появления интересующего нас события;

— 

       D ( x )= np (1- p )( ) -дисперсия;

    М [x] = np - среднее число исходов с определенным признаком.

Основными параметрами биномиального распределения явля­ются:

коэффициент вариации

   (6.3)

где k = Q/ Q_ср;

Q - паводочный расход каждого года;

Q_ср - средний многолетний паводочный расход.

 Водоем, выбираемый в качестве источника водоснабжения,  должен  обеспечить возможность забора максималь­но суточного расхода с заданной гарантийной обеспеченностью (вероятностью). Для систем водоснабжения расчетная (нормативная) обеспечен­ность отборов воды из природного источника устанавливается в  отношении как максимальных, так и минимальных расходов и уров­ней воды в источнике. Возможность получения максимального расчетного отбора воды из источника системой водоснабжения должна быть обеспечена при всех расходах реки, включая минимальный.

Обеспеченность среднемесячных расходов воды поверхностных источников должна приниматься по табл. 6.1 в зависимости от категории системы водоснабжения [19 ]

Таблица 6.1.

Условия обеспеченности поверхностных источников по расходам воды

Средняя за год величина стока поверхностных источников назначается с вероятностью Р= 99 [20 ]

Конечно, ( см. табл. 6.1) условия по обеспечению среднемесячных расходов источников не полностью совпадают с условиями расчета систем водоснабжения, которые рассчитываются по условию обеспечения суточных расходов воды ( max и min) потребителям.

Это еще раз подчеркивает, что вопросам надежности систем водоснабжения уделяется не достаточное внимание.

Подземные источники систем водоснабжения назначаются с запасом 95% обеспеченности, восполняемых за счет питания из поверхностных источников.