CC BY
54
Труды ИБВВ РАН, вып. 75(78), 2016
УДК 556.552(282.247.413.5)
МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВОДНОБАЛАНСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
РЫБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
А. С. Литвинов, А. В. Законнова
Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: [email protected]
Выполнен анализ притока, стока и уровня Рыбинского водохранилища за период 1947-2014 гг. В бассейне водохранилища с момента ввода его в эксплуатацию наблюдались три многоводных и два маловодных периода водности. В многоводные периоды суммарный годовой приток превышал на 2027% объем притока в маловодные, в экстремальные годы - в 3.3 раза. Показаны изменения в режиме уровня воды и приведены данные о среднемесячных и экстремальных показателях в разные периоды водности. Межгодовые и сезонные колебания уровня приводят к значительным изменениям площади, объема водохранилища и мелководной зоны.
Ключевые слова: Рыбинское водохранилище, приток, сток, периоды водности, уровень.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из ведущих факторов изменения окружающей среды служат водохранилища. Преобразования режима континентального звена круговорота воды коснулись общего процесса стока, водного баланса, водообмена, режима уровня, термики и энерго- и массообмена в речных экосистемах. Перестройка энерго- и массобмена в руслах и долинах рек в сочетании с интенсификацией хозяйственной деятельности в их бассейнах повлияли на функционирование речных систем и привели к изменению экологического потенциала и качества природных вод.
Рыбинское водохранилище - один из крупнейших искусственных водных объектов в Волжско-Камском каскаде. В 2016 г. исполняется 70 лет с момента полного завершения строительства и ввода его в эксплуатацию. Одновременно с задачей энергетического использования р. Волги в 30-е годы прошлого века после ввода в эксплуатацию канала им. Москвы встала проблема создания судоходного пути на всем ее протяжении. Сотрудниками института "Гидростройпроект" было предложено создать в Молого-Шекснинском междуречье регулирующее водохранилище. Это предложение включало строительство Рыбинского гидроузла с напором до 18 м. Топография междуречья позволяла создать водохранилище емкостью свыше 25 км3 и аккумулировать среднее половодье Верхней Волги и ее притоков - Мологи и Шексны. Проект давал большие возможности и в области судоходства.
Строительство Рыбинского гидроузла было начато в 1938 г. и закончено в 1946 г. Период строительства и начало наполнения водохранилища происходило в годы пониженной водности. Средний годовой объем стока в створе Рыбинского гидроузла за 1938-1946 гг. - 25.29 км3. В связи с этим до НПУ водохранилище было заполнено только весной 1947 г.
Сооружения Рыбинского гидроузла расположены в двух створах: шлюз и плотина в Волжском, здание ГЭС в Шекснинском. Русло реки Шексны перекрыто глухой земляной плотиной (26 лет Угличской..., 1967). Протяженность береговой линии водохранилища 2150 км. Водохранилище - водоем круглогодичного регулирования стока, одна из наиболее важных ступеней в Волжско-Камском каскаде.
Являясь водохранилищем комплексного назначения, используется многими отраслями хозяйства, приоритетные из которых энергетика, водоснабжение, водный транспорт и рекреация.
Занимая центральное положение на водных путях Единой глубоководной транспортной системы Европейской части России, водохранилище связывает порты Балтийского, Северного, Каспийского, Черного и Азовского морей. На Волжский каскад приходится около 70% грузооборота речного транспорта страны. На всем протяжении от устья Волги до г. Твери гарантируемые для судоходства глубины реки 4 м позволяют проходить судам грузоподъемностью до 5 тыс. т.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исходным материалом для исследования многолетних изменений элементов водного баланса Рыбинского водохранилища послужили данные о месячном и годовом притоке, стоке, осадках и уровне воды, взятые из гидрологических ежегодников за 1947-1986 гг. С 1987 по 2014 гг. указанные материалы получены в Рыбинской гидрометеорологической обсерватории (РГМО).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По распределению глубин и морфологическим особенностям ложа в водохранилище выделяют четыре плеса: Волжский, Моложский, Шекснинский и Главный (Фортунатов, 1959) (рис. 1). Первые три располагаются по долинам соответствующих рек и представляют вытянутые, за исключением Шекснинского плеса, сравнительно узкие участки. Они характеризуются наличием извилистой полосы больших глубин по затопленным руслам рек, к которой примыкают участки затопленных пойм с глубинами от 2 до 9 м.
Рис. 1. Схема Рыбинского водохранилища. Римские цифры - плесы: I - Волжский, II - Моложский, III - Шекснинский, IV - Главный; арабские - номера стандартных станций: 1 - Коприно, 2 - Молога, 3 - Средний Двор, 4 - Наволок, 5 - Измайлово, 6 - Брейтово.
Полезный объем водохранилища составляет ~ 0.4 среднего многолетнего объема притока. Он позволяет осуществлять годовое, сезонное, недельное и суточное регулирование, а также обеспечение безопасности гидротехнических сооружений. В период летне-осенней межени водные ресурсы водохранилища обеспечивают навигационные попуски в нижний бьеф и выполнение диспетчерского графика, соответствующего колебаниям нагрузки энергосистемы. Основные характеристики водоема приведены в табл. 1.
Водный баланс и уровень. Водный баланс любого водоема отражает совокупное воздействие факторов, обусловленных колебаниями климата и антропогенной деятельностью на водосборе. Это основа для выполнения всех видов исследований, связанных с особенностями формирования и динамики водных масс, гидрохимического и гидробиологического режима водоема. Несмотря на определенную устойчивость, речной сток непрерывно изменяется во времени в зависимости от колебания климатических факторов и увлажненности территории. С момента ввода в эксплуатацию водохранилища в его бассейне наблюдались три многоводных (1947-1962, 1978-1995, 2004-2014 гг.) и два маловодных (1963-1977 и 1996-2003 гг.) периода.
За многоводные периоды среднегодовой приток воды в водохранилище составлял 35.60 км3, в маловодные - 27.23 км3. В многоводные периоды наблюдались отдельные годы с низкой водностью (1948 г. - 26.99, 2007 г. - 26.0 км3), а в маловодные - годы с водностью значительно выше средней (1966 г. - 47.11, 1998 г. - 44.02 км3), что связано с гидрометеорологическим режимом отмеченных лет. В целом, за период 1947-2014 гг. средний объем притока в водохранилище составил 32.79 км3 (за базовый период 1961-1990 гг. - 31.57 км3).
Таблица 1. Основные характеристики Рыбинского водохранилища
Показатель Единица измерения Значение показателя
Среднемноголетний приток (1947-2013 гг.) км3 32.79
Многоводный год (самый многоводный за период существования водо- км3 53.4
хранилища,1990 г.)
Маловодный год (1972 г.) км3 16.2
НПУ(нормальный подпорный уровень)* м 101.81
УНС (уровень нормальной предполоводной сработки)* м 98.81-99.81
УМО (уровень мертвого объема)* м 96.91
Максимальный проектный при пропуске половодий (вероятность превы- м 103.81
шения 0.01%)*
Уровень форсированного горизонта (вероятность превышения 1%)* м 102.41
Площадь зеркала:
при НПУ 2 км2 4550
при УНС км2 2703
Полная статическая емкость при НПУ км3 25.42
Полезная емкость между НПУ и УНС км3 14.42
* Все уровни водохранилища даны в Балтийской системе (БС).
С 1947 г. эксплуатация водохранилища приходилась на годы повышенной водности (табл. 2). Максимальный приток в водохранилище за этот период наблюдался в 1953 и 1955 гг. - 47.28 и 49.59 км3, соответственно. В 1953 г. наибольший среднемесячный приток приходился на апрель-май и составил 17.07 км3, а в 1955 г. при близком среднегодовом объеме притока за апрель-май потупило 36.88 км3. Высокий годовой объем притока 1953 г. вызван большим количеством осадков в течение августа-декабря, что обусловило рост притока до 21.27 км3, тогда как в 1955 г. за этот период его величина значительно ниже - 6.23 км3.
Таблица 2. Характеристики основных составляющих водного баланса Рыбинского водохранилища за периоды разной водности, км3
Период, гг. Приход Расход
Приток Осадки Сумма Сток Испарение Сумма
Многоводные периоды
1947-1962 36.41 2.05 38.46 34.66 2.24 36.90
1978-1995 35.94 2.50 38.44 33.55 1.78 35.33
2004-2014 34.41 2.42 36.83 34.60 1.56 36.16
Маловодные периоды
1996-2003 27.88 2.21 30.09 27.15 1.58 28.73
1963-1977 26.59 2.11 28.70 25.68 2.05 27.73
В маловодный период 1963-1977 гг. средний объем притока водохранилища составил 25.79 км3, при наименьшем его значении 16.20 км3 в 1971 г. и 16.46 км3 в 1972 г. Это были самые низкие величины за весь период нормальной эксплуатации водохранилища (Литвинов, 2000).
В отдельные годы приток существенно отличается от среднего за период не только по величине, но и по внутригодовому распределению (рис. 2).
За 70 лет существования водохранилища было 11экстремально многоводных лет с объемом притока свыше 42.0 км3, экстремально маловодных с величиной притока меньше 23.0 км3 -8 (табл. 3). Максимальный объем притока наблюдался в 1990 г. - 53.39 км3, что обусловлено повышенной температурой воздуха в зимний период и распределением атмосферных осадков в течение года. При этом приток за февраль - май равен 24.13 км3, август - декабрь - 24.09 км3.
За 30 лет базового периода (1961-1990 гг.) среднегодовой приток составил 31.57 км3 и близок к таковому за период эксплуатации водохранилища (32.79 км3). За этот период годовой приток в водохранилище 3 раза превышал 45.0 км3 (1962, 1966, 1990 гг.) и был менее 20.0 км3 в 1964, 1972, 1973 гг.
В современный период (2000-2014 гг.) величина притока изменялась от 17.40 км3 в 2014 г. до 45.17 км3 в 2004 г. при среднем значении 31.97 км3. За январь-май 2014 г. в водохранилище поступило 11.93 км3, а за оставшиеся 7 месяцев только 5.47 км3 (рис. 3).
Рис. 2. Динамика притока Рыбинского водохранилища в многоводные - 1955, 1966 и маловодный -1972 гг. Таблица 3. Характеристика составляющих водного баланса Рыбинского водохранилища в экстремальные годы, км3
Годы Многоводные годы Годы Маловодные годы
приток сток приток сток
1953 47.28 44.09 1963 22.64 27.53
1955 49.49 47.51 1964 19.39 18.77
1957 44.18 42.26 1971 22.84 21.19
1958 44.25 42.77 1972 16.20 19.80
1962 45.84 42.61 1973 16.46 14.83
1966 47.10 49.22 1996 17.69 14.93
1990 53.39 42.13 2002 18.73 22.21
1991 43.64 46.10 2014 17.40 22.40
1998 44.00 45.94 - - -
2004 45.17 45.50 - - -
2009 42.53 43.93 - - -
Среднее 46.08 44.73 Среднее 18.92 20.21
Рис. 3. Динамика притока в экстремальные годы периода потепления. 1990 г. - многоводный, 2014 г. - маловодный.
В период потепления внутригодовое распределение притока в водохранилище характеризуется значительным ростом в январе-марте (33-37%) и снижением (4.5-9.0%) в период половодья (рис. 4). В экстремальные годы эти различия наибольшие.
Рис. 4. Динамика притока Рыбинского водохранилища за отдельные периоды.
В расходной части водного баланса объем стока через Рыбинский гидроузел занимает первое место по величине и составляет в среднем 33.55-34.66 км3 в многоводные периоды и 25.68- 27.58 км3 в маловодные. Следует отметить, что в многоводные периоды его величина меньше объема притока на 1.75-2.39 км3, в маловодные - разница уменьшается до 0.7-0.9 км3.
В течение года распределение стока происходит равномерно за исключением апреля, когда в период потепления его величина была на 0.83 км3 больше, чем в первый период (1947-1975 гг.) (рис. 5).
Рис. 5. Динамика стока Рыбинского водохранилища за отдельные периоды.
В связи со значительной внутригодовой изменчивостью элементов водного баланса водохранилища велики вариации его водообмена. Интенсивность водообмена в водоеме во многом определяет обмен веществом и энергией между различными плесами водоема. Водообмен в водохранилище достигает максимальных значений в апреле, что обусловлено уменьшением объема воды в водохранилище в результате зимней сработки и резким увеличением притока в период половодья.
Уровень воды в водохранилище зависит от объема притока и режима эксплуатации. В годовом цикле динамики уровня четко выделяются три характерных периода: весенний (наполнение), летне-осенний (небольшая его сработка) и зимний (сработка). Кривые внутригодового хода среднемесячного уровня в различные по водности годы имеют однотипный характер. В многоводный период 1947-1962 гг. уровни на 1.05-1.2 м превышали таковые в маловодные периоды. В многоводный период 1978-1995 гг. превышение составило всего 0.5-0.7 м (Буторин, 1969; Литвинов, 2000).
Максимальная амплитуда изменения среднемесячного уровня наблюдалась в апреле многоводных периодов и составляла 4.61 м, минимальная - в июне-июле (1.3-1.7 м). В октябре-ноябре она вновь увеличивалась до 3.7-3.9 м. В маловодные периоды наибольшая разница среднемесячных значений уровня отмечалась в январе и декабре (2.9-2.7 м), в апреле - 2.2-2.7 м. Средняя амплитуда годовых колебаний уровня в первый многоводный период изменялась от 3.64 до 3.29 м, во второй -уменьшилась до 3.07 м (Литвинов, Рощупко, 2007).
Минимальный уровень водохранилища наблюдается в марте. Выделяются 4 года, когда его средние значения были ниже в апреле (1958, 2005, 2007, 2013 гг.) и 2 года с одинаковым уровнем в эти месяцы (1987, 1996 гг.). По многолетним данным средняя дата начала весеннего наполнения водохранилища 1 апреля, окончания наполнения - 28 мая. Средняя продолжительность наполнения составляет 58 сут, при интенсивности 6 см/сут. Максимальное значение уровень достигает в июне. Постепенное понижение начинается с июля, а наиболее интенсивное - с декабря. В отдельные многоводные годы в течение сентября-ноября за счет обильных осадков отмечается второй подъем уровня.
Продолжительность сработки водохранилища в среднем составляет 300 суток. Наиболее глубокая сработка происходит в годы повышенной водности, что обусловлено подготовкой водохранилища к приему больших объемов воды. Перед установлением ледостава по возможности не допускается повышение уровня воды в целях предотвращения захода рыбы на зимовку в осушенные летом мелководья.
В связи с мелководностью водохранилища межгодовые и сезонные колебания уровня приводят к значительным изменениям его площади и объема. При максимальном среднемесячном уровне водохранилища в июне 1959 г. 102.20 м БС его площадь составляла 4759 км2, объем 27.14 км3, при минимальном в 1973 г., равном 97.77 м, площадь уменьшилась до 2622 км2, объем - 10.40 км3. Отметки уровня, обусловленные изменением объема водохранилища при его сработке, приводят к существенным изменениям площади мелководной зоны, которая при НПУ равна 1847 км2 (до изобаты 4 м). Максимальное понижение уровня в 2002 г. с мая по ноябрь на 2.91 м привело к уменьшению мелководий до 574 км2. На момент ледостава при среднемноголетнем понижении уровня на 1.8 м площадь мелководной зоны составляет 967 км2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненный анализ многолетней изменчивости характеристик водного баланса Рыбинского водохранилища показал, что за весь период его существования отмечены три многоводных и два маловодных периода. В многоводные периоды объем притока на 20-27% превышал таковой в маловодные. Максимальный объем притока составлял 53.39 км3, минимальный 16.20 км3.
В период потепления внутригодовое распределение притока в водохранилище характеризуется значительным ростом в январе-марте (33-37%) и снижением (4.5-9.0%) в период половодья. Наиболее глубокая сработка водной массы водохранилища происходила в годы повышенной водности, что обусловлено его подготовкой к приему больших объемов воды. В связи с мелководностью водохранилища межгодовые и сезонные колебания уровня приводят к значительным изменениям его площади и объема.
Исследования гидрологических характеристик экосистемы Рыбинского водохранилища с момента его создания показали, что для оценки ее устойчивого функционирования, оптимизации водопользования и предотвращения возможных экологических рисков необходимы многолетние комплексные наблюдения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 14-05-00346-а) и Программы Президиума РАН: 1.21П Биоразнообразие природных систем. Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга. 2.5. Влияние антропогенного регулирования уровневого режима водохранилищ и температуры на динамику численности рыб различной экологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Буторин Н.В. Гидрологические процессы и динамика водных масс в водохранилищах Волжского каскада. Л.: Наука, 1969. 319 с. Gidrologicheskie prochessy i dinamika vodnich mass v vodokhranilischakh Volzhskogo kaska-da. L.: Nauka, 1969. 319 s. [ Butorin N.V. Hydrological Processes and Dynamics of Water Masses in the Volga Cascade Reservoirs. L.: Nauka, 1969. 319 p.]. In Russian. 26 лет Угличской и Рыбинской ГЭС. М.: Энергия, 1967. 311 c. 25 let Uglichskoy i Rybinskoy GES. M.: Energiya, 1967. 311 s. [ Twenty-six Years of Uglich and Rybinsk Hydroelectric Stations. M.: Energiya, 1967. 311 p.]. In Russian.
Литвинов А.С. Энерго-и массообмен в водохранилищах Волжского каскада. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2000. 83 с. Litvinov A.S. Energo-i massoobmen v vodokhranilischakh Volzhskogo kaskada. L.: Nauka, 1969. 319 s. [Litvinov A.S. Energy and Mass Exchange in the Volga Cascade Reservoirs. Yaroslavl: YaGTU, 2000. 83 p.]. In Russian.
Фортунатов М.А. Цветность и прозрачность воды Рыбинского водохранилища как показатели его режима // Тр. Ин-та биол. водохр. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1959. Вып. 2(5). С. 246-357. Fortunatov M.A. Tsvetnost I pro-zrachnost vody Rybinskogo vodokhranilischa kak pokazateli ego rezhima // Tr. In-ta boil. vodokhr. M.-L.: Izd-vo AN SSSR, 1959. Vyp. 2(5). S. 246-357. [Fortunatov M.A. Color and Transparency of Water in the Rybinsk Reservoir as Indicators of its Regime // Proceedings of the Institute of Biology of Reservoirs. M.-L.: Izd-vo AN SSSR, 1959. Is. 2(5). P. 246-357.]. In Russian.
Litvinov A.S., Roshchupko V.F. Long-Terma and seasonal Water Level Fluctuations of the Rybinsk Reserrvoir and their Role in the Functioning of its Ecosystem // Water. Resources. 2007. V. 34. No. 1. Р. 27-34.
LONG-TERM CHANGES IN WATER BALANCE CHARACTERISTICS OF THE RYBINSK
A. S. Litvinov, A. V. Zakonnova
I.D. Papanin Institute for biology of inland waters Russian Academy of Sciences, 152742 Borok, Russia
e-mail: [email protected]
The analysis of the inflow, discharge and the level of the Rybinsk Reservoir has been made for the period 1947-2014. Three high-water and two low-water periods were observed in the reservoir since its putting into operation. During high water periods the total annual inflow exceeded by 20-27% the volume of inflow in low water years and 3.3 times in extreme years. Changes in the water level regime are shown and the data on average monthly and extreme parameters in periods of different water levels are presented. Annual and seasonal fluctuations of the level cause significant changes in the area and volume of the reservoir and its shallow zone.
Keywords: Rybinsk Reservoir, inflow, discharge, water regime periods, level.
