Прогноз процесса заиления водоема-охладителя объекта энергетики с использованием метода седиментационного баланса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.455: 504.058

ПРОГНОЗ ПРОЦЕССА ЗАИЛЕНИЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ ОБЪЕКТА ЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА СЕДИМЕНТАЦИОННОГО БАЛАНСА

М.Р. ФАХРУТДИНОВ Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрены основные источники и закономерности формирования донных отложений водоема-охладителя Заинской ГРЭС. На основе современных данных проведен суммарный расчет объема наносов, привносимых рекой Степной Зай в акваторию водного объекта. Спрогнозировано время заиления и занесения водоема.

Ключевые слова: водоем-охладитель, заиление, седиментационный баланс.

Введение

Заинское водохранилище создано на реке Степной Зай в 1963 году. По проекту длина водохранилища составляет 14,6 км, средняя ширина - 1,14 км, площадь водного зеркала - 16,7 км2, объем - 63 млн.м3, средняя глубина - 3,7 м. Водохранилище используется в качестве источника технического водоснабжения и пруда-охладителя воды, сбрасываемой после охлаждения энергетического оборудования. В охлаждении циркуляционного расхода участвует около 12,3 км2 площади водохранилища. Общий расход воды в системах оборотного водоснабжения составляет 1 200 млн. м3/год [1, 3, 5].

С момента ввода в эксплуатацию водохранилища произошли серьезные изменения как в гидрологическом, так и в экологическом состоянии р. Степной Зай. Утрачен русловый сток, активизированы абразионные процессы, нарушено динамическое равновесие экосистем. Особенно опасными явлениями для Заинского водохранилища являются процессы заиления, ухудшающие пропускную способность, процессы водообмена и самоочищения поверхностных вод. Ухудшение качества воды и уменьшение объема водоема-охладителя может привести к нарушению нормального эксплуатационного режима водозаборных сооружений объекта энергетики и снижению вырабатываемой мощности [1,3,7,9]. Оценка и прогноз процесса заиления позволит разработать эффективные мероприятия по экологической реабилитации водоема-охладителя Заинской ГРЭС.

Материалы и методы

Для расчета объема и выявления закономерностей образования наносов в водоеме-охладителе в данной работе исследуется седиментационный баланс водохранилища. В общем виде уравнение седиментационного баланса имеет следующий вид [2]:

^ ^ т. с. р. +^п.б + ^р.д. + ^ ^орг + ^ др. = ^о +^н.б. + ^', (1)

© М.Р. Фахрутдинов

где У ^т.с.р. - суммарный объем твердого стока рек; - объем переработки

берегов, овражная эрозия, склоновый смыв наносов; ^р.д.- объем размыва дна;

У ^орг. - суммарная продукция отмершей внутри водоема органики; £др. - объем

осадков, образующихся при сбросе сточных вод, поступление материалов от эоловых процессов на водосборе, размыв островов; SQ - осадконакопление; £н.д. -сброс взвешенных наносов в нижний бьеф; AS' - ошибка баланса.

Для определения суммарного объема твердого стока реки нами использованы методы А.В. Караушева (2) - для расчета взвешенных наносов и Г.И. Шамова (3) - для расчета влекомых наносов [4,10,11]:

#взв = (и + ки ) • Sкон - ки • ^зм , (2)

где u - гидравлическая крупность наносов, м/с; S^,^ - мутность взмыва, вычисленная для элемента транзитной струи, г/м3; Sкон - средняя мутность воды в конце элемента, г/м3; ки - коэффициент, определяемый из условия равновесия русла;

Явл = 0,95 • B -л d

С у,

\

ср

ср

у V отл

3

(Уср Уотл)

d,

ср

У h,P J

(3)

при этом скорость Уотл вычисляется по формуле

V V

У = 3 7 • d' 3 • h' 6 (4)

г отл "ср "ср ' VV

где йвл - расход влекомых наносов, кг/с; Уср - средняя скорость потока, м/с;

Уотл - средняя скорость выпадения взвешенных частиц в потоке, при которой

прекращается движение донных наносов, м/с; d^ - средний диаметр частиц

донных наносов, м; h^ - средняя глубина, м; B - ширина потока, м.

Для оценки объема поступивших в водохранилище наносов использованы данные фракционного состава взвешенных наносов и донных отложений р. Степной Зай у поселка городского типа Акташ по материалам лабораторных анализов Урал-ТЭПа и ОАО «Волгаэнерго-проект-Самара».

Для оценки площади зарастания проведены натурные исследования водоема-охладителя (июнь-август 2010 года), а также анализ космических снимков Google Earth.

Оценка объема поступления продуктов берегоразрушения проведена на основе литературных данных [2,6,7,11].

Суммарная приближенная оценка продолжительности периода заполнения уровня мертвого объема (УМО) водохранилища наносами произведена по формуле

T =-B-, (5)

Wh(1 - б) 1 '

где Т - средняя продолжительность периода заиления водохранилища в годах; Wg- мертвый объем водохранилища, м3; Wh- средний годовой объем наносов,

© Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

м3/год; 5 - транзитная часть наносов мелких фракций, сбрасываемых из водохранилища при паводках, в долях от общего объема наносов. Для равнинных водотоков в среднем 5=0,03-0,4.

Результаты и анализ

Проведенные расчеты показали, что суммарный сток наносов, привносимых р. Степной Зай в водоем-охладитель Заинской ГРЭС, составляет ^ $ т.с.р. = 108 тыс.

м3/год. Основной объем наносов, привносимых р. Степной Зай, связан с эрозионными процессами на участке правого берега, где активно развиваются овраги и промоины. Наиболее активное развитие эрозионных процессов наблюдается в верховье реки [1].

Материалы переработки берегов внутри водоема составляют $п.д = 85 тыс. м3/год. В настоящее время на водохранилище Заинской ГРЭС наблюдается волновая абразия, оползнеобразование, эрозия. Оползневые и абразионные процессы широко развиты на участке правого берега, интенсивно перерабатываемого водохранилищем на протяжении 6,6-7 км. Величина отступания береговой линии на данном участке составляет 10 - 180 м. Учитывая специфические грунтовые условия и гидрологический режим участка, процессы берегопереработки в будущем будут продолжаться. Эрозионные процессы особенно интенсивно проявляются в развитии разных видов оврагов и промоин, длиной от нескольких десятков метров до 500 м, глубиной от 2 до 12 м, на участке правого берега водохранилища протяженностью 3,5-4 км. Кроме того, значительная распаханность водосбора р.Степной Зай способствует смыванию верхнего гумусового слоя почв в водохранилище, т.е. на исследуемой территории имеет место также и плоскостной смыв [2,4,6,8].

Исходя из анализа процессов размыва дна на аналогичных водоемах, его величина в среднем может составлять 2,5% от общего объема донных отложений, т.е. для водоема-охладителя Заинской ГРЭС $р.д. = 5 тыс. м /год.

Суммарная продукция отмершей внутри водоема органики составляет $орг. = 11 тыс. м3/год [8]. Как показывает анализ литературных данных,

наличие высшей водной растительности в водоемах способствует улучшению качества воды, но при этом массовое развитие фитоценоза является весьма отрицательным фактором для эффективной эксплуатации водоемов-охладителей объектов энергетики, сокращая площадь зеркала и емкость водного объекта, замедляя водообмен. Заросли высшей водной растительности при отмирании и разложении могут оказывать неблагоприятное воздействие на качество воды, вызывая ухудшение газового режима, в частности уменьшение количества растворенного кислорода и увеличение диоксида углерода, повышая содержание аммонийного азота, увеличивая окисляемость и т.д.

Обследование зарастающих мелководий Заинского пруда-охладителя позволяет сделать следующие заключения:

- площадь зарастания высшей водной растительностью равняется около 5 км2 или около 30% от площади водного зеркала пруда-охладителя;

- площадь зарастания воздушно-водной растительностью составляет около 2,5 км2, или около 14% от общей площади водоема;

- суммарная (общая) годовая продукция высшей водной растительности составляет около 19 тыс. т/год. С учетом того, что деструкции подвергается лишь около 80% растительной массы, на мелководье Заинского пруда-охладителя в неразложившемся состоянии останется более 3 тыс. т. (сырой вес) растительности,

I

которая будет усугублять процесс водообмена и снижать емкость пруда-охладителя.

Исходя из приведенных расчетов, приходная часть седиментационного баланса составляет около 211 тыс. м3/год. Среднегодовой объем осадконакопления SQ = 205 тыс. м3/год. Как показывает практика, величина сброса наносов в нижний бьеф составляет около 3% твердого стока, т.е. S^g. = 5 тыс. м3/год.

Проведенные расчеты показывают, что суммарный объем заиления Заинского водохранилища за счет отложений речных наносов, поступающих со стоком р. Степной Зай, и волновой переработки правого берега в пределах приплотинного плеса за период 1963-2010 гг. оценивается величиной около 8-9 млн. м3. Это достаточно хорошо согласуется с объемом потерянной за годы эксплуатации емкости по официальным данным [1].

Исходя из того, что мертвый объем Заинского водохранилища равен 24,4 млн. м3 при отметке уровня мертвого объема 70,75 м, и принимая транзитную часть наносов мелких фракций, сбрасываемых из водохранилища при паводках, в долях от общего объема наносов 5 = 0,03, по формуле (5) было рассчитано возможное время заиления мертвого объема Заинского водохранилища, которое составило 61 год.

Выводы

Изложенный материал исследований и его обсуждение позволили сделать следующие выводы:

1. Основными источниками заиления Заинского водохранилища являются речные наносы, поступающие со стоком р. Степной Зай, и волновая переработка правого берега в пределах приплотинного плеса.

2. Общий объем донных отложений, сформировавшихся в период эксплуатации водоема-охладителя, оценивается в 8-9 млн. м3.

3. Время заиления водоема-охладителя, а соответственно потеря эксплуатационного назначения, составит 61 год.

4. Для увеличения сроков эксплуатации водохранилища требуются меры по экологической реабилитации водоема, в том числе инженерно-технические решения по очистке от донных отложений, мероприятия в гидрографической сети и водосборной площади.

Summary

The main sources and regularities of sediments formation of Zainsk power plant cooling reservoir are examined. Based on current data, the calculation of the total volume of sediments brought by Stepnoy Zai river in the water body area. The time of sedimentation and entering the reservoir are predicted.

Key words: cooling reservoir, siltation, sedimentation balance.

Литература

1. Водные ресурсы Республики Татарстан в 2001 году (информационный бюллетень). Издание официальное. Казань: Изд-во ООО «ЦОП», 2001.

2. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду / Воропеев Г.В., Авакян А.Б. М.: Наука, 1986.

3. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2007 году. Казань: Изд-во «Заман», 2008.

4. Горошков И.Ф. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

5. Дыганова Р.Я., Литовинская Н.А., Фахрутдинов М.Р. Исследование седиментационного баланса водоема-охладителя Заинской ГРЭС // Международная научно-техническая конференция «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы»: материалы докладов. Казань, 2008.

6. Закиров Л.И. Исследование источников загрязнения Заинского водохранилища без учета вклада объектов энергетики // IV международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения»: материалы докладов, т. 3. Казань, 2009.

7. Иванов Д.В., Шагидуллин P.P., Зиганшин И.И., Осмелкин Е.В. Антропогенная трансформация и заиление Заинского водохранилища // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития : материалы Всерос. науч.-практ. конф. Киров, 2009.

8. Пагин А.О., Барышников Н.Б., Польцина Е.В. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспортирующую способность донных наносов // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки. №7(26). С-Пб.: Изд. РГПУ им. А.И. Герцена. 2007.

9. Фахрутдинов М.Р. Оценка заиления водоема-охладителя Заинской ГРЭС на реке Степной Зай // III научная конференция «Промышленная экология и безопасность»: материалы докладов. Казань, 2008.

10. Шамов Г. И. Заиление водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1939.

11. Шамов Г. И. Речные наносы. Л.: Гидрометеоиздат, 1954.

Поступила в редакцию 29 марта 2011 г

Фахрутдинов Марсель Ринатович - ассистент кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование» (ИЭР) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-24. E-mail: [email protected].