CC BY
21
УДК 556.18+551.4
ОЦЕНКА ПРИРОДООХРАННОГО РАСХОДА Р. АНГАРА В СТВОРЕ ПРОЕКТИРУЕМОЙ МОТЫГИНСКОЙ ГЭС
И.В. Бабкина, В.П. Корпачев
ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
660049 Красноярск, пр-т Мира, 82; e-mail: [email protected]
В работе изложены условия сохранения целостности речной экосистемы и необходимость сохранения природоохранной водности в створах регулирования водотоков. Определен природоохранный сток в створе проектируемой Мо-тыгинской ГЭС для установления пределов регулирования и определения объемов попусков в нижний бьеф.
Ключевые слова: устойчивость речной экосистемы, Мотыгинская ГЭС, естественный сток, природоохранный (экологический) расход, свободный сток, пределы регулирования стока
In article are presented conditions of preservation of integrity of a river ecosystem and necessity preservations nature protection water contents in alignments of regulation of water currents. Is defined a nature protection drain in an alignment of projected Motyginsky hydroelectric power station for an establishment of limits of regulation and definition of outflow volumes in bottom tail water.
Key words: stability of a river ecosyste, natural drain, nature protection (ecological) expense, free drain, limits of regulation of a drain
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим условием обоснования предельно допустимого истощения речного стока ниже створов регулирования или водозаборов считается установление устойчивости и надёжности функционирования речной экосистемы (Фащевский,1982; 1983).
Речная система рассматривается как взаимообусловленное сосуществование элементов живой и неживой природы. Существует связь между параметрами экосистемы и условиями внешней среды, представленными с одной стороны биопараметрами (воспроизводство фито- и зоопланктона, рыбопродуктивности, урожайности пойменных лугов), а с другой стороны - характеристиками стока реки, температурным режимом, содержанием кислорода, продолжительностью и глубиной затопления поймы. Для сохранения целостности речной экологической системы необходимо существование определенной области внешней среды, в которой механизмы взаимодействия обеспечивают гомеостаз системы - неустойчивое равновесное состояние, которое может колебаться около какой-то средней величины, но относительно постоянно. Для речной экосистемы это водность, представляемая стоком весеннего половодья, летне-осенними паводками, летней и зимней меженями, температурой воды и др. свойствами. Для всех экосистем существуют предельные минимальные и максимальные значения экологических факторов внешней среды, при выходе за пределы которых, равновесие не обеспечивается. У этих значений экосистема существует в неравновесном состоянии, которое поддерживается на очень низком уровне. В средней части допустимой области существования экосистемы (в данном случае речной) регулирующие механизмы обеспечивают хороший гомеостаз.
Существует взаимосвязь между урожайностью пойменных лугов, воспроизводством фито- и зоо-
планктона, донных беспозвоночных, сеголетков рыбы и улов рыбы со сдвигом на срок достижения промыслового возраста, воспроизводством около-водных млекопитающих и птиц с гидрологическими характеристиками. Они показывают, что для средних и крупных рек минимум продуктивности приходится на очень многоводные и маловодные годы. По мере приближения к среднему по водности году урожайность и продуктивность экосистемы достигают максимума.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При расчете остаточного экологического или природоохранного расхода ниже створов регулирования должны быть реализованы такие принципы его обоснования как дифференциация в зависимости от водности года и резервирование его во все сезоны года в виде гидрографов. Определение природоохранного расхода ниже створа регулирования является условием для установления величины природоохранного и других попусков в нижний бьеф.
Для установления экологического (природоохранного стока) в нижнем створе проектируемой Мотыгинской ГЭС использована методика, разработанная в Центральном научно-исследовательском институте комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР, г. Минск) (Фащевский, 1988; 1989; Петенков, 1998), где были осуществлены исследования и получены выводы об устойчивости речных экосистем, включая одновременно элементы живой и неживой природы.
Используемая методика разработана для крупных рек с целью определения расходов воды, которые должны оставаться в нижнем бьефе створов регулирования стока или створов изъятия водных ресурсов.
Речной сток, оставляемый ниже створов регулирования и изъятия водных ресурсов для охраны
природы, несет в себе большую смысловую нагрузку, чем только количество воды. С изменением водности меняются многие физические и химические характеристики. Поэтому величина стока, ниже створа регулирования должна резервироваться во все сезоны года в виде гидрографов, и служит комплексным показателем, учитывающим все гидрологические характеристики. Оставляемый ниже створов регулирования и изъятия водных ресурсов сток по условиям охраны природы не может приниматься постоянной величиной, а должен изменяться по величине расходов от определенного минимума до определенного максимума. По времени внутри года он должен соответствовать типовым схемам внутригодового распределения стока, приближающегося к естественному режиму в годы данной водности. Согласно этой методике, подход к конкретной реке зависит от её экологической значимости. Под экологической значимостью речной системы понимается способность обеспечивать в той или иной мере воспроизводство основных компонентов живой природы (растительность поймы и русла, рыба, млекопитающие, птицы и др.), связанных с гидрологическим режимом реки. Она может выражаться как в абсолютных, так и удельных показателях воспроизводства, улова и добычи, а также в косвенных показателях, таких как коэффициент развитости поймы, уклонах реки и др.
Для сравнительной количественной оценки развитости поймы предложен коэффициент, представляющий собой отношение средней (для характерных участков) ширины водной поверхности реки при наивысшем уровне (1 % обеспеченности) к ширине реки при уровне воды в бровках русла. Коэффициент развитости поймы для отдельного участка реки рассчитывается как средневзвешенное значение по длине реки от верховьев до устья по формуле:
К = —,
Р.п. в ,
(1)
где Во - средняя на участке ( до створа ) ширина затопления поймы при наивысшем уровне (определяется по топографическим картам крупного масштаба ), м;
Вб - средняя на участке ширина водной поверхности реки в бровках русла (определяется по материалам наблюдений сети Г оскомгидромета или других ведомств на основе построения зависимостей В = f (Н), где В и Н - измеренные значения ширины водной поверхности реки и уровня воды по отметке выхода воды на пойму оцениваются
Вб X м-
На основе коэффициента развитости поймы все реки бывшего СССР, впадающие в моря или крупные водоемы, типизированы на 3 группы:
- с высокой экологической значимостью - с развитой поймой (Кр > 5), сток которых определяет
нормальное функционирование экосистем внутренних морей и озер (Дон, Кубань, Или, Ловать, Ше-лонь, Мста, Селенга и др.);
- со средней экологической значимостью - со среднеразвитой поймой
(2 < Кр < 5);
- с низкой экологической значимостью - с неразвитой поймой (Кр < 2).
В зависимости от экологической значимости реки имеются различия в определении экологического стока.
Для рек со средней экологической значимостью допускается вводить коэффициент снижения, который учитывает внутригодовую зарегулированность стока. Введение такого коэффициента снижает величину экологического стока, тем самым, позволяет использовать для нужд народного хозяйства больше воды из рек, имеющих большую естественную зарегулированность стока.
Для рек с низкой экологической значимостью, кроме того, во все месяцы, за исключением весеннего половодья, сток принимается равным минимальному меженному стоку (зимнему, летнему) данной расчетной обеспеченности.
Оценка экологической значимости р. Ангара. Оценка экологической значимости Ангары дана с помощью коэффициента развитости поймы. Он представляет собой отношение площади поймы, затапливаемой при 1 %-м уровне воды к площади водного зеркала в пределах бровок русла. Это в определенной степени характеризует площади нагульных площадей, объем воспроизводства беспозвоночных, площади нерестовых и нагульных угодий, гнездовий водоплавающих птиц и околовод-ных млекопитающих.
Для р. Ангары на рассматриваемом участке, поскольку имеется пропорциональная связь между уровнями и расходами воды, в качестве относительной величины, характеризующей коэффициент развитости поймы, использовано соотношение наибольшего расхода (20600 м3/с), наблюденного за период 1975-2004 годы и наименьшего расхода (547 м3/с) за этот же период. То есть Кр = 20600/547 = 38.
Согласно приведенной выше типизации Ангара на участке проектируемого строительства оценивается как река с высокой экологической значимостью, так как Кр > 5, что подтверждается информацией, приведенной в работе (Фащевский, 1989), где Верхняя Ангара оценивается как река с высокой экологической значимостью.
Определение экологического (природо-
охранного) стока. Для определения экологического стока и объемов свободного стока, который может быть изъят или зарегулирован, реализована следующая схема расчетов:
1. Определен статистический диапазон колебаний характеристик стока в створе проектируемой ГЭС.
2. В условиях уже имеющегося зарегулирования нижний предел экологического стока описывается гидрографом естественного стока 97 %-й обеспеченности.
3. Верхний предел экологического стока описывается гидрографом 50 %-й обеспеченности, т.е. в условиях, когда наблюдается максимум воспроизводив живой природы. При этом руслоформирующий расход половодья, обеспечивающий сохранение реки как устойчивой ландшафтной единицы
для большей части равнинных рек соответствует 50 %-й обеспеченности.
4. Выполнен расчет естественного годового стока различной обеспеченности и выборка соответствующих значений стока расчетной обеспеченности в расчетном створе (табл. 1).
Таблица 1 - Параметры годового естественного, экологического (природоохранного) и свободного стока в створе проектируемой Мотыгинской ГЭС, км'
Параметры стока Обеспеченность, %
5 25 50 75 95
Естественный сток 144,5 131,1 114,8 99,3 92,3
Экологический сток 114,8 114,8 99,3 92,3 91,3
Свободный сток 29,7 16,3 15,5 7,0 1,0
5. На основе естественного среднемесячного стока рассчитано его внутригодовое распределение в годы различной обеспеченности (таблица 2). Фактически по сгруппированным годам определенной водности определено помесячное распределение годового стока по распределению реальных лет.
6. Величина остаточного стока в год 95 %-й обеспеченности принят равным 97 %-й обеспеченности.
7. Величина естественного годового стока 50 %-й обеспеченности принята равной экологическому стоку 25 %-й обеспеченности.
8. По двум точкам проведена логнормальная кривая, позволяющая получить весь диапазон расчетных значений стока для всего диапазона обеспеченных значений стока.
9. Расчетное внутригодовое распределение экологического стока принято равным распределению естественного стока смежной обеспеченности (2550 %, 50-95 %, 95-97 %).
10. Путем умножения годового экологического стока на относительную величину месячного стока получено внутригодовое распределение экологического стока в годы различной обеспеченности.
По разности величин естественного и экологического (природоохранного) стока, который должен остаться ниже створа регулирования, определены расходы и объемы свободного стока, которые могут
быть зарегулированы проектируемым сооружением. Объемы экологического (природоохранного) стока должны оставаться, резервироваться в нижнем бьефе плотины ГЭС для сохранения экологического природного равновесия в разные по водности годы. Объемы свободного стока могут быть использованы для регулирования стока без ущерба для экосистемы р. Ангара.
По результатам расчетов составляется обобщающая таблица, в которую заносятся результаты расчета годовых параметров естественного, экологического (природоохранного) и свободного стока в створе проектируемой Мотыгинской ГЭС, которые должны быть учтены при наполнении и эксплуатации водохранилища Мотыгинской ГЭС.
Основные исходные данные для расчета природоохранного стока в разные по водности годы приведены в таблицах 2 и 3.
В нижнем бьефе должен быть обеспечен водный режим максимально приближенный к естественному режиму, то есть должен обеспечиваться сток в виде гидрографа с сохранением всех фаз водного режима. Результат расчета помесячных значений параметров стока (км3 и м3/с) р. Ангара, которые должны сохраняться в нижнем бьефе плотины Мотыгинской ГЭС, приведены в таблице 4.
Графические иллюстрации результатов расчетов представлены на рисунках 1 и 2.
Таблица 2 - Помесячное распределение стока в проектном створе Мотыгинской ГЭС в разные по водности годы
Годы Среднемесячные расходы воды, м3/с Средне-годовое
январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь значение
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Многоводный год, 5 % -й обеспеченности
Приточность по 4400 4360 4440 3770 6080 3860 3510 4650 5710 4410 4010 3410 4390
основному руслу
Боковая приточность 120,80 108,80 100,20 115,70 207,80 253,00 291,40 294,00 264,60 228,30 187,80 158,70 194,30
Общий расход в 4520,8 4468,8 4540,2 3885,7 6287,8 4113 3801,4 4944 5974,6 4638,3 4197,8 3568,7 4584,3
проектном створе
Средне многоводный год, 25 %-й обеспеченности
Приточность по 3530 3880 3770 4060 5470 3570 3380 3720 5300 4180 3870 2860 3970
основному руслу
Боковая приточность 119,90 108,80 99,60 112,00 185,10 254,00 273,20 258,80 259,80 232,20 193,30 159,80 188,00
Общий расход в 3649,9 3988,8 3869,6 4172 5655,1 3824 3653,2 3978,8 5559,8 4412,2 4063,3 3019,8 4158
проектном створе
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Средний по водности год, 50 %-й обеспеченности
Приточность по 3380 3990 3220 3240 6290 3030 2880 3000 3320 3520 3440 2990 3480
основному руслу
Боковая приточность 108,3 99,5 92,9 99,7 169,7 223,7 276,7 239,5 199,4 170 129,2 111,9 160
Общий расход в 3488,3 4089,5 3312,9 3339,7 6459,7 3253,7 3156,7 3239,5 3519,4 3690 3569,2 3101,9 3640
проектном створе
Средне маловодный год, 75 %-й обеспеченности
Приточность по 2660 2650 2540 2650 5130 3350 2760 2710 2840 2720 3110 2870 3000
основному руслу
Боковая приточность 101,2 96,3 92,6 152,3 157,6 173,2 189,5 204,1 189,1 171,6 138,2 120 148,8
Общий расход в 2761,2 2746,3 2632,6 2802,3 5287,6 3523,2 2949,5 2914,1 3029,1 2891,6 3248,2 2990 3148,8
проектном створе
Маловодный год, 95%-й обеспеченности
Приточность по 3570 2240 1840 1520 4650 3460 3270 3410 3250 2930 1140 2020 2790
основному руслу
Боковая приточность 101,5 92 88,9 103,3 152,5 163,1 188,7 202,4 193,2 146,6 119,1 99,8 137,6
Общий расход в 3671,5 2332 1928,9 1623,3 4802,5 3623,1 3458,7 3612,4 3443,2 3076,6 1259,1 2119,8 2927,6
проектном створе
Очень маловодный год, 97 %-й обеспеченности
Приточность по 2740 2680 2660 2690 4090 3070 2800 2760 2210 2250 2460 2700 2760
основному руслу
Боковая приточность 83,6 78,8 77,3 86,7 142 150,1 189,1 211,8 190,1 162,4 129,8 111,1 134,4
Общий расход в 2823,6 2758,8 2737,3 2776,7 4232,0 3220,1 2989,1 2971,8 2400,1 2412,4 2589,8 2811,1 2894,4
проектном створе
Таблица 3 - Внутригодовое распределение стока (в долях от года) в разные по водности годы в створе проектируемой Мотыгинской ГЭС_______________________________________________________________________________________
Месяцы
ян- варь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь Год
0,082 0,081 0,082 0,070 Многоводный год, 5 %-й обеспеченности 0,114 0,075 0,0695 0,0895 0,1085 0,0845 0,0765 0,065 1,000
0,073 0,080 0,078 0,084 Средне многоводный год, 25 %-й обеспеченности 0,113 0,077 0,0737 0,080 0,111 0,088 0,081 0,060 1,000
0,080 0,094 0,076 0,0766 Средний по водности год, 50 %-й обеспеченности 0,148 0,0748 0,0728 0,0748 0,080 0,084 0,082 0,071 1,000
0,073 0,07 0,070 0,07 Средне маловодный год, 75 % -й обеспеченности 0,140 0,09 0,078 0,077 0,080 0,077 0,09 0,08 1,000
0,081 0,079 0,079 0,080 Маловодный год, 95 %-й обеспеченности 0,122 0,093 0,086 0,085 0,069 0,069 0,074 0,081 1,000
0,081 0,079 0,079 0,080 Очень маловодный год, 97 % -й обеспеченности 0,122 0,093 0,086 0,085 0,069 0,069 0,074 0,081 1,000
Таблица 4 - Стоковые параметры р. Ангара, которые должны сохраняться в нижнем бьефе плотины Мотыгин-ской ГЭС
Месяцы
январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
Ш, км3 Многоводный год,5%-й обеспеченности
10,373 10,246 10,373 8,855 14,421 9,488 8,792 11,322 13,725 10,689 9,677 8,22
Q, м3/с 3873 4235 3873 3416 5384 3660 3282 4227 5295 3991 3732 3069
Ш, км3 Средне многоводный год, 25%-й обеспеченности
8,161 8,943 8,720 9,390 12,632 8,608 8,239 8,943 12,409 9,838 9,055 6,707
Q, м3/с 3047 3697 3226 3623 4716 3321 3076 3338 4787 3673 3493 2504
Ш, км3 Средний по водности год, 50%-й обеспеченности
7,944 9,334 7,547 7,606 14,696 7,428 7,229 7,428 7,944 8,341 8,143 7,050
Q, м3/с 2966 3858 2818 2934 5487 2866 2699 2773 3065 3114 3141 2632
Ш, к3м3 Средне маловодный год 75% -й обеспеченности
6,739 6,462 6,462 6,462 12,925 8,309 7,201 7,109 7,386 7,109 8,309 7,386
Q, м3/с 2516 2671 2413 2493 4826 3206 2688 2654 2849 2654 3205 2758
Ш, км3 Маловодный год, 95%-й обеспеченности
7,39 7,21 7,21 7,302 11,136 8,489 7,850 7,759 6,298 6,298 6,755 7,394
Q, м3/с 2750 2980 2692 2816 4157 3275 2931 2897 2430 2351 2606 2761
Примечание: Ш - объем стока; Q - расход воды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бабкина, И. В. Природоохранный сток малых рек Средней Сибири как основа разработки нормативов предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты / И.В. Бабкина // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия: Материалы межведомственной конференции СО РАН Томский научный центр. - Томск: Изд-во «Научнотехническая литература», 2000. - С. 598-602.
Гидрологическая изученность. - Т. 16. - Вып. 2. - Л., 1965.
Гидрологические основы водопользования ресурсами малых рек бассейнов Верхнего Енисея, Верхнего Чулыма и Нижней Ангары: Рекомендации. - Красноярск: СибНИИГиМ, 1990. - 208 с.
Материалы наблюдений гидрологических постов, расположенных в зоне проектируемого размещения Моты-гинского гидроузла. Справка Гидрометеорологического центра Среднесибирского УГМС от 13.10.2006 г. № ГМЦ-1651.
Петенков, А. В. Природоохранные аспекты формирования и использования поверхностных вод / И.В. Бабкина, Л.М. Ершова // Мелиорация земель: анализ и тенденции развития. Материалы Регионального науч.-практ. семинара-совещ. «Мелиорация земель как фактор устойчивого развития АПК» МСХиП РФ, СибНИИГиМ. - Красноярск, 1998. - С. 113-120.
Ресурсы поверхностных вод СССР. - Т. 16. - Вып. 2.: Ангаро-Енисейский район. Ангара. - Л.: Гидрометеоиз-дат, 1972.
Фащевский, Б. В. Критерии экологического стока / Б.В. Фащевский // Проблемы и технические решения природоохранных мероприятий при мелиорации и водохозяйственном строительстве. - М., 1988. - С. 28-32.
Фащевский, Б. В. Методические основы оценки резервируемого природоохранного стока / Б.В. Фащевский // Водные ресурсы Белоруссии и их охрана. - Минск: Изд. БГУ, 1982. - С. 85-94.
Фащевский, Б. В. Основы рационального использования водных ресурсов при количественном истощении речного стока / Б.В. Фащевский // География и природные ресурсы. - 1983. - № 3. - С. 37-41.
Фащевский, Б. В. Экологическое обоснование допустимой степени регулирования речного стока / Б.В. Фащевский. - Минск, 1989. - 53 с.
Поступила в редакцию 26 января 2010 г. Принята к печати 27 апреля 2011 г.
§ 160
ю & 140 120
100
80
60
40
20
0
25 _ 1
50 _2 ‘
75
95
%
Рисунок 1 - Соотношение естественного стока (1), экологического (природоохранного) стока (2), и свободного стока, доступного для зарегулирования (3) в створе проектируемой Мотыгинской ГЭС
8 200 -| и ю &
100 -50 -0
144,5
131,1
114,8
5%
99,3
92,3
- 99 ,3 92,3 91 ,3
“ 29 ,7 — - “
16 3 15, 5 7, 1, )
Г Г I-
25%
50%
75%
95% водность года
^Свободный сток ПЭкологич
ескии сток
ПЕстестве
нный сток
Рисунок 2 - Диаграмма распределения естественного, экологического и свободного для зарегулирования стока в разные по водности годы в створе Мотыгин-ской ГЭС
ВЫВОДЫ
Использованная методика позволила установить помесячные объемы и расходы воды, которые должны соблюдаться режимом эксплуатации водохранилища проектируемой Мотыгинской ГЭС для обеспечения экологического равновесия речной экосистемы р. Ангара в нижнем створе ГЭС. Фактически этими параметрами должна быть ограничена степень регулирования речного стока в рассматриваемом створе.
5
3
