Техногенное регулирование речного стока

В отличие от рассмотренной выше экологически негативной антропогенной трансформации речного стока — следствия разнообразной хозяйственной деятельности на территории речных водосборов — это регулирование направлено на минимизацию ущерба от речных наводнений, водозабора и сброса сточных вод различными отраслями хозяйства, на повышение надежности его энергои водоснабжения. Регулирование осуществляется гидроузлами водохранилищ и прудами преимущественно сельскохозяйственного, рыбохозяйственного или рекреационного водопользования. Назначение сооружаемых водоемов — накопление водных ресурсов в многоводные фазы стока для увеличения водности зарегулированных рек в остальную часть года.

Оптимальный режим регулирования стока каждым техногенным водоемом разрабатывается в его проекте с учетом гидрологических особенностей многолетних колебаний стока реки, требований водного хозяйства и прогнозируемых экологических последствий сооружения гидроузла и образуемого им водоема. В проекте определяется вид регулирования стока — многолетнее, сезонное или еще менее глубокое периодическое либо эпизодическое регулирование. Чем глубже, т. е. сильнее регулирование стока, тем больше размах колебаний объема, площади и уровня воды в водохранилище, являющемся верхним бьефом гидроузла, больше внугригодовое перераспределение стока воды и изменение режима колебаний расхода и уровня воды в его нижнем бьефе. Прошедший технико-экономическую и экологическую экспертизу гидротехнический проект реализуется, превращаясь в период строительства гидроузла и его последующей эксплуатации в объект сильной техногенной трансформации речного стока.

Выделяют три стадии трансформации:

• 1. Строительная —с начала строительства гидроузла до перекрытия речного русла, когда в реке резко возрастает мутность воды в меженные периоды вследствие строительных работ в створе плотины (особенно в случае ее возведения с применением гидромеханизации), а также работ по подготовке ложа будущего водоема к затоплению.
• 2. Формирование экосистемы—с момента перекрытия реки до окончания сооружения гидроузла и первых нескольких лет существования водохранилища, в течение которых формируется структура его экосистемы. Эта стадия характеризуется:

сокращенным речным стоком вследствие накопления стационарных и динамических водных ресурсов в водохранилище, в грунтах его побережья и ложа;

выщелачиванием из них водой легко растворимых солей, органических и биогенных веществ;

перестройкой структуры реофилъного (речного) и пойменного биоценоза в лимнофильный (озерный) биоценоз.

В возникшем водоеме эти процессы проявляются в замедлении водообмена, формировании гидрологической структуры водохранилища, в увеличении минерализации воды и содержания в ней биогенных и органических веществ — продуктов деструкции почвенно-растительного покрова затопленных земель. Это сопровождается вспышкой биологической продуктивности водоема, вызывающей пересыщение поверхностного трофогенного слоя воды кислородом и дефицит его в придонном слое, увеличением плодовитости и численности рыб.

3. Стабилизация экосистемы водохранилища, которая наступает спустя несколько лет после завершения наполнения водой водохранилища. Интенсивность процессов трансформации речного стока, свойственных естественным водным экосистемам, устанавливается на трофическом уровне, соответствующем антропогенной химической нагрузке созданного водоема и питающей его речной системы. При умеренной нагрузке экосистема водохранилища может стать мезотрофной, а при ее отсутствии — даже олиготрофной. Столь заметное снижение трофии водохранилищной экосистемы после первых лет ее существования отмечено, например, в Усть-Илимском водохранилище в Сибири, в канадском водохранилище Ла-Гранд-2 в лесотундре на полуострове Лабрадор и даже в водохранилище Кариба на р. Замбези в субэкваториальной Африке.

Как и в рассмотренных выше очагах антропогенной трансформации стока, на зарегулированной реке имеются те же три участка: верхний (им служит акватория водохранилища или пруда), центральный (русло реки в нижнем бьефе гидроузла) и нижний участок восстановления режима речного стока. Однако трансформационные процессы в них имеют свою специфику.

В верхнем участке в результате замедления водообмена возникает сложная гидрологическая структура водохранилища, представляющая собой сочетание разнородных речных водных масс (первичных) и образующейся при их смешении основной водной массы (ОВМ) водоема. Эта структура, сложность которой определяется числом водных масс, находящихся одновременно в том или ином водохранилище, усложняется, кроме того, расслоением водной толщи ОВМ по температуре, минерализации, плотности, содержанию растворенных газов и веществ, составу и биомассе планктонных организмов. Контрастность этой структуры зависит от соотношения объема водных масс и объема воды во фронтальных зонах, которые находятся между этими водными массами. Во фронтальных зонах происходит наиболее интенсивное перемешивание и формирование летней и зимней модификаций ОВМ водохранилища. Чем меньше объем фронтальных зон, тем более контрастна гидрологическая структура, тем ярче выражены фронтальные зоны по очень большим горизонтальным и вертикальным градиентам характеристик состава и свойств воды.

Экспериментально, путем математического моделирования [14] установлено, что наиболее сложная гидрологическая структура свойственна долинным водохранилищам многолетнего регулирования речного стока, в которых среднее время пребывания воды (период водообмена) составляет примерно полгода, а коэффициент водообмена К_в = 2. При большем значении К_я увеличивается площадь акватории в проточном водохранилище, которую занимают речные водные массы (РВМ) в течение большей части года, поэтому гидрологическая структура мало отличается по сложности от речной экосистемы. А в наименее проточных и больших по объему водохранилищах, наоборот, ОВМ становится такой же крупной, как в слабопроточных озерах. В таких водохранилищах размеры РВМ относительно невелики, что упрощает гидрологическую структуру техногенного водоема.

Одновременно с усложненной гидрологической структурой долинные водохранилища характеризуются и наибольшей, в сравнении с реками и озерами, способностью к самоочищению находящейся в них воды от загрязняющих веществ. Эта особенность их экосистемы проявляется, в первую очередь, в том, что годовая деструкция органических веществ в водохранилище больше, чем величина первичной продукции. Она создается в процессе фотосинтеза водорослей, обеспечивающего превращение солнечной энергии в энергию биохимических процессов сначала образования органических веществ клеток фитопланктона, фитобентоса и макрофитов, затем их деструкции с участием бактерий. Они разлагают не только автохтонные органические соединения детрита (отмирающих клеток планктона), но и содержащиеся в водоеме антропогенные загрязняющие воду вещества. Причем, чем больше нагрузка экосистемы водохранилища такими веществами, тем более активно протекают в ней процессы самоочищения.

Показателем самоочищения экосистемы водохранилища от того или иного вещества, поступающего в нее с водосбора в составе РВМ, а также склонового ливневого стока или сточных вод служит коэффициент удержания массы вещества, который рассчитывается так:

где M_v и M_Q — масса какого-либо вещества, поступающая в водохранилище, и масса, сбрасываемая в составе ОВМ в нижний бьеф гидроузла.

Расчеты, выполненные для 129 наиболее хорошо экологически изученных озер и 46 водохранилищ мира (К. К. Эдельштейн, Ю. С. Даценко, 1998), показали:

• • значение коэффициента удержания фосфора экосистемами водоемов суши пропорционально среднегодовым значениям их фосфорной нагрузки и периоду водообмена;
• • осредненное значение этого коэффициента для озер не более 66%, а в долинных водохранилищах составляет 76%, достигая в некоторых из них 80 — 90%.

Заметно большее самоочищение экосистем долинных водохранилищ, чем рек и озер, от веществ, способных сорбироваться на поверхности взвешенных в воде частиц—радионуклидов, ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов, пестицидов, минерального фосфора и других загрязняющих веществ объясняется двумя причинами:

• • дополнительным поступлением в водные массы глинистого мелкодисперсного материала вследствие абразионного переформирования берегов в водохранилищах;
• • обилием планктонного и бентосного сообщества беспозвоночных — водных рачков и моллюсков-фильтраторов.

Поэтому в водохранилищах процессы седиментации, биоседиментации взвеси и соосаждения с ней сорбированных веществ на дно проходят интенсивнее. Это ведет к захоронению антропогенных загрязняющих веществ в донных отложениях. Вторичное загрязнение ими водных масс возможно только в случае возникновения анаэробных условий в придонном слое водохранилища, когда содержание 0₂ в нем падает до нуля.

Но именно из-за процессов абразии и развития фитопланктона в речных и основной водных массах водохранилища происходит частичное замещение аллохтонных взвешенных веществ, поступающих в него с водосбора, автохтонными взвесями. Они образуются внутриводоемными процессами, а также при взмучивании донных отложений на мелководьях при ветроволновом перемешивании воды. Поэтому применение формулы (2.11) для оценки наносоудерживающей способности водохранилищ не корректно. Для этой цели следует использовать зависимость, полученную Б. И. Новиковым (1987) в результате анализа структуры донных отложений и седиментационных балансов крупнейших водохранилищ России и Украины:

где — коэффициент удержания речных наносов (в % от массы поступающих в водоем наносов в среднем за год), характеризующий наносоудерживающую способность водохранилища; К_п — коэффициент средней годовой проточности, вычисляемый по формуле (2.8).

При известном значении среднего годового стока наносов с водосбора водохранилища с помощью формулы (2.12) можно приближенно оценить скорость заиления водоема вследствие трансформации им стока речных наносов.

В водохранилищах происходит осветление воды не только благодаря осаждению аллохтонных и значительной части автохтонных взвесей, но и вследствие процесса фотохимического обесцвечивания окрашенных растворенных органических веществ (гуминовых и фульвокислот) поглощаемым ими солнечным светом. Поэтому чем больше время пребывания речной воды в водоемах, тем сильнее процесс трансформации неконсервативных компонент ее вещественного состава.

В водохранилищах аридных природных зон, где индекс сухости s >1 из-за интенсивного испарения с акватории водохранилищ, не восполняемого атмосферными осадками, возрастает концентрация консервативных компонентов химического состава воды и ее минерализация. О величине такой концентрационной трансформации химического стока в водохранилище можно судить, оценив среднюю минерализацию в его основной водной массе (мг/л), сбрасываемой через гидроузел в его нижний бьеф:

где Му — средняя годовая масса ионного притока в водохранилище с его водосбора, т/год; К, Р и Е — соответственно приток воды, осадки и испарение — составляющие среднего многолетнего водного баланса водоема, м³Дод.

В центральном участке очага трансформации зарегулированной реки, т. е. в ее русле в пределах нижнего бьефа гидроузла, нарушение речного стока проявляется в изменении:

• • годовой величины водного, химического стока и стока наносов;
• • внутригодового режима температуры воды и характеристик всех компонентов стока;
• • вещественного состава речного стока.

Степень изменения стока здесь тем больше, чем более глубокое его регулирование осуществляется водохранилищем. Благодаря процессам самоочищения воды в водохранилищах и прудах, регулирующих сток загрязненных рек, при достаточно длительном периоде водообмена водоема концентрация загрязняющих антропогенных веществ в нем снижается настолько, что обычно они не обнаруживаются при химическом анализе воды, отобранной в нижнем бьефе гидроузла.

Снижение стока реки в нижнем бьефе плотины водохранилища или пруда определяется не только рассмотренными выше внутриводосмными процессами — испарением в аридных зонах, седиментацией взвесей и соосаждснием с ними растворенных неконсервативных веществ и их деструкцией. К этим процессам добавляется изъятие воды на хозяйственные нужды (ирригацию, водоснабжение, в судоходные и другие каналы).

Диспетчерский график использования водных ресурсов техногенного водоема определяет и трансформацию водного режима реки в нижнем бьефе плотины. Тем не менее расход воды, сбрасываемой из водохранилища многолетнего регулирования в половодье, когда заполняют его полезный объем W_n, обычно сокращают до санитарного минимума, достаточного для сохранения экологически и эстетически благоприятного уровня воды и скорости ее течения в речном русле. Для восполнения динамических водных ресурсов в водохранилищах сезонного регулирования стока аккумулируется лишь часть объема половодья, равная W_n, а остальная вода в виде холостого сброса через гидроузел поступает в речное русло, формируя в нем «срезанную» волну половодья. Ее высота не должна превышать отметки русловой бровки. Но в исключительно многоводные годы сброс воды в нижний бьеф может достигать максимального расхода, соответствующего расчетной пропускной способности водосбросов и водоводов гидроузла. Тогда возможно кратковременное затопление поймы нижнего бьефа, называемое техногенным наводнением.

В периоды межени расход воды, сбрасываемой из водоемов многолетнего и сезонного регулирования стока, существенно больше, чем расход воды в реках, питающих водохранилища. В нижнем бьефе крупных гидроэнергетических узлов расход воды резко увеличивают в отдельные короткие промежутки времени (часы, сутки) для обеспечения работы турбин ГЭС, что ведет к возникновению волн попусков. Они достигают иногда высоты 2 — 3 м, но не превышают, как правило, высоты русловой бровки.

Изменение внутригодового режима реки на этом участке определяется тем, что в нижний бьеф в течение всего года из водоема сбрасывается преимущественно его основная водная масса. В половодье сначала в реку поступает вода водохранилища предшествующей фазы его режима, например в весеннее половодье — зимняя модификация ОВМ. И только в конце половодья из водохранилища сезонного регулирования стока начинают сбрасывать транзитом прошедшую через него весеннюю РВМ. Аналогичное явление возможно и в нижнем бьефе водохранилища многолетнего регулирования стока, но только в исключительно многоводные весны.

В летний и зимний периоды стратификации относительно глубоких водохранилищ обычно сброс воды производят через глубинные водоводы ГЭС. При небольших расходах воды возникает явление селективного сброса, при котором из водоема стекает вода гиполимниона. При увеличении расхода через водовод возможно формирование в верхнем бьефе локальной зоны вертикального перемешивания воды вплоть до ее поверхности. В этом случае наблюдается явление интегрального сброса, при котором состав сбрасываемой воды имеет характеристики качества, соответствующие их осредненным значениям от поверхности до горизонта водоотбора из приплотинного участка в верхнем бьефе гидроузла.

Если сток воды из пруда происходит из поверхностного слоя, то в периоды стратификации водной массы в пруду сброс воды селективен (как и в реке, вытекающей из стратифицированного озера).

Эти два явления, возникающие при сбросе воды из техногенных водоемов, определяют изменение свойств и качества воды в русле нижнего бьефа плотины. В период половодья вода здесь более минерализована, прозрачна и холодна, чем в РВМ, втекающей в водоем. Эти особенности сбрасываемой воды сохраняются и в период летней стратификации при селективном глубинном сбросе из водохранилища. При интегральном или селективном поверхностном сбросе вода в нижнем бьефе менее минерализована и прозрачна, чем в реке, в основном вследствие большего содержания взвешенных органических веществ (лимнофильного фитопланктона). Осенью и зимой сбрасываемая из водоемов вода теплее, чем в реках, что задерживает формирование ледостава в нижнем бьефе. В полынье ниже гидроузлов происходит полное насыщение воды кислородом, чем предотвращается явление замора не только в этом центральном участке трансформации, но и на расположенном ниже участке восстановления речного стока.

По мере удаления от гидроузла по речному руслу ОВМ водохранилища трансформируется, теряя свои лимнические особенности. Вследствие теплои массообмена речного потока с атмосферой изменяется не только содержание 0₂, но и температура воды. Вследствие русловой эрозии поток вновь постепенно насыщается речными наносами, а также смешивается с РВМ бокового притока. В замыкающем центральный участок створе, где его расход становится соизмерим с удвоенным расходом сброса, можно считать, что в речном русле происходит превращение водохранилищной ОВМ в трансформированную ею речную водную массу (ТВМ), очагом формирования которой служит часть бассейна речной системы, расположенная ниже створа гидроузла.

На нижнем участке техногенного очага трансформации речной воды завершается восстановление речного стока, измененного регулированием, так же, как и в других очагах антропогенной трансформации стока.

Расчеты показывают, что имеющиеся на 200 реках России более 300 водохранилищ крупного и среднего объема преобразовали сток в русловой сети страны, суммарная протяженность трансформированных участков которой составляет 33,5 тыс. км. Это несколько меньше 3% общей длины российских рек (без учета рек, длиной менее 10 км). Суммарная длина верхних участков техногенной трансформации стока — 15 тыс. км, а центральных несколько больше — 18,5 тыс. км. Большая часть этих участков речной сети расположена в урбанизированных, промышленно и сельскохозяйственно освоенных речных бассейнах, где антропогенная нагрузка на их ландшафты и водные объекты особенно велика. Водохранилища и пруды в таких регионах выполняют исключительно важную водоохранную роль, предотвращая экологическую деградацию речных систем.

Одновременно водохранилища защищают от загрязняющих веществ и земельные угодья в пойме нижнего бьефа гидроузла. При его отсутствии на загрязненной реке отлагающиеся в плесовых лощинах русла техногенные вещества выносились бы на пойму в высокое половодье. Их накопление в луговой растительности, а затем и в продуктах животноводства влияло бы на здоровье населения. Увеличение полноводности рек в летнюю межень и удлинение многолетних периодов, в которые не происходит затопления пойм ниже гидроузлов, позволяет здесь создать (при грамотном мелиоративном обустройстве территорий в преобразованных речных системах) наиболее продуктивное земледелие.

Наибольшую опасность для преобразованных речных систем может создать критическая химическая нагрузка, с которой не справляется биота водохранилища. В этом случае наступает гипертрофия водной экосистемы, проявляющаяся в избыточном развитии плохо усваиваемых зоопланктоном видов фитопланктона.

Вследствие этого сокращается численность водных беспозвоночных, в зоопланктоне начинают доминировать мелкие коловратки, создаются предпосылки ухудшения питания рыб и деградации ихтиоценоза. Бактериальная флора уже не справляется с минерализацией аллохтонного и все нарастающей массой автохтонного органического вещества. Органическая взвесь вызывает увеличение мутности воды, интенсификацию заиления водохранилища, рост придонного дефицита 0₂, появление в воде озерных газов и негативных изменений органолептических характеристик воды. Для предотвращения этих экологически опасных явлений недостаточно существующих общеизвестных водоохранных мероприятий. Появилась необходимость экологической реконструкции водохранилищ, которая позволяет без нарушения диспетчерских правил регулирования стока гидроузлом увеличивать самоочищающую способность водных экосистем зарегулированных участков рек. В частности, она может быть осуществлена путем выделения водоохранных секций с регулируемым водообменом в уже эксплуатируемых водохранилищах [15].