Оценка влияния крупных водохранилищ на сток рек в нижнем бьефе

Несмотря на многолетнюю историю создания водохранилищ, их водный режим, баланс и воздействие на окружающую среду изучены все еще недостаточно.

Строительство крупных водохранилищ, особенно с объемами больше 1 км³, приводит к наиболее ощутимым изменениям различных компонентов природной среды, изменению процессов водообмена на окружающих территориях и формированию «совершенно новых природно-техногенных систем речной бассейн-водохранилище, изучение которых представляет большой научный интерес и имеет важное практическое значение для решения проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов.» [22].

При создании водохранилищ изменяются соотношения между элементами водного баланса в пределах трех характерных зон речного бассейна: зоны затопления, зоны подтопления и прирусловой зоны реки ниже створа подпорного сооружения (включая дельтовую область). На всей остальной территории речного бассейна значимых изменений в водообмене не происходит. Речной сток является интегральным результирующим показателем процесса водообмене в речном бассейне, в связи с чем, при создании водохранилищ наибольший практический интерес представляет оценка изменений именно этого элемента водного баланса.

По мнению ряда авторов [8,16,21,22] при создании водохранилищ суммарные водные ресурсы в бассейне не уменьшаются, а происходит перераспределение запасов влаги между основными элементами водообмена. Последний тезис следует принимать как аксиому, т.к. никаких доказательств в подтверждение этого постулата не приводится. Между тем, речной бассейн не является изолированным природным комплексом. С одной стороны он получает влагу извне в процессе атмосферного влагопереноса, с другой стороны, часть влаги с воздушными потоками выносится за его пределы. И, если создание даже каскада крупных водохранилищ не может изменить влагосодержание воздушных потоков, поступающих на территорию речного бассейна, то вынос за его пределы водяного пара, образовавшегося за счет дополнительного испарения с затопленных и подтопленных территорий, должен иметь место. Если бы такого выноса не было, то дополнительная испарившаяся влага превратилась бы в осадки, которые, поступив в речную сеть, компенсировали бы те потери стока, которые связаны с дополнительным испарением при создании водохранилищ.

На самом деле, известно, что речной сток снижается не только в период заполнения водохранилищ за счет единовременных отъемов воды, но и при их эксплуатации. Последний вид потерь как раз и обусловлен выносом образовавшегося дополнительного водяного пара за пределы речного бассейна. К сожалению, этот процесс еще мало изучен. Можно лишь сослаться на работу О. А. Дроздова и О. Г. Сорачан, [ 29] которые установили, что при создании крупных орошаемых массивов влагосодержание транзитного атмосферного переноса может увеличиваться на 10%.

Возвращаясь к рассмотрению трех зон речного бассейна, в пределах которых происходит изменение характера влагооборота при создании водохранилищ отметим, что наибольшие изменения происходят в зоне затопления, где вместо участка суши возникает водоем с его специфическими чертами водного режима. Речной сток в этой зоне расходуется на заполнение чаши водохранилища и фильтрацию в берега в период его заполнения (временные потери), а также на дополнительное испарение с затопленной суши в течение всего периода его эксплуатации (постоянные потери). В зоне подтопления потери стока связаны с дополнительным испарением с подтопленной суши (постоянные потери).

Наиболее сложные изменения характера водообмена имеют место в третьей зоне, где в зависимости от режима регулирования стока могут иметь место либо увеличение площадей затопления (при превышении сбросов в нижний бьеф над естественным стоком) либо их уменьшение (в фазу наполнения водохранилища, когда в нижний бьеф поступает воды меньше по сравнению с естественными условиями). В первом случае будут иметь место потери воды на поверхностное задержание, фильтрацию и на испарение с дополнительных площадей затопления (и, как следствие этого, снижение стока), а во втором случае — экономия воды за счет снижения этих видов потерь (и, соответственно, увеличение стока). Интегральный эффект будет определяться, в конечном счете, тем, какой из указанных выше двух процессов будет преобладающим в течение рассматриваемого интервала времени. Существует мнение, что в третьей зоне происходит общая экономия речного стока в связи с тем, что водохранилища срезают пики половодий и паводков и выравнивают ход стока внутри года. [ 22,54,55,58] Площади затопления в прирусловой области реки ниже створа плотины и в дельте при этом сокращаются, что приводит, в основном, к уменьшению испарения с тех участков суши, которые до создания водохранилища подвергались интенсивному затоплению. По данным Кожевникова В. П. и Шикломанова И. А. [55], после создания Волжско-Камского каскада водохранилищ и проведения крупных водохозяйственных мероприятий в дельте р. Волги (освоение сельскохозяйственных площадей, замена дикорастущей растительности сельскохозяйственными культурами, мелиорация и т. д.) потери стока р. Волги ниже Волгограда уменьшились за период 1961;1970 гг. в среднем на 1.4 кмэ в год. Сразу отметим, что это снижение потерь обусловлено не только (и не столько) влиянием регулирования стока водохранилищами Волжско-Камского каскада, сколько водохозяйственной деятельностью в низовьях Волги. Кроме того, здесь никак не учитывались внутригодовые изменения режима заливаемости русла, поймы и дельты р. Волги ниже Волгограда, что как раз и определяет характер потерь стока в третьей зоне за счет его регулирования водохранилищами каскада. Последующие оценки изменений стока в третьей зоне, т. е. ниже водохранилищ, выполненные рядом авторов [30,56,57,58], также были основаны на учете суммарного влияния на сток различных видов хозяйственной деятельности. Оценить степень влияния среди них непосредственно водохранилищ даже на годовой сток в этой ситуации оказалось невозможным, не говоря уже об анализе внутригодовых изменений стока в условиях его регулирования водохранилищами различных типов.

Целью настоящей работы является разработка методики учета изменений стока ниже крупных водохранилища под влиянием регулирования и оценка их влияния на режим стока в нижнем бьефе. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: в анализ изученности проблемы и методических подходов по оценке влияния водохранилищ на режим стокаа создание информационный базы по выбранным объектам исследования за периоды до и после строительства водохранилища разработка методики оценки изменений стока в нижних бьефах крупных водохранилищ под воздействием регулированияш определение пространственно-временных закономерностей изменений стока в нижних створах нижнего бьефа после создания водохранилищ, оценка исходных рядов стока на однородность для установления факта нарушения стока в створах нижнего бьефав установление характера взаимосвязей между исходными рядами стока в исследуемых створах до и после строительства водохранилищ, оценка их тесноты и устойчивостивосстановление естественного стока в створах нижнего бьефа водохранилищоценка изменений стока на участках нижних бьефов рассмотренных водохранилищ на основе разработанной методики.

НОВИЗНА выполненных исследований заключается в следующем: впервые применен ряд методических приемов для установления изменений стока под влиянием крупных водохранилищ в створах нижнего бьефа (анализ однородности рядов стока, графиков нарастающих сумм расходов воды, графиков связи среднесуточных расходов воды) — в предложена методика оценки изменений стока в нижних бьефах крупных водохранилищ под воздействием регулированияв на основе разработанной методики выявлены закономерности изменений стока за различные временные интервалы с учетом определяющих факторовв впервые оценены величины изменений стока в нижних бьефах трех крупнейших водохранилищ Россииа впервые оценены изменения стока на участках нижнего бьефа Новосибирского водохранилища, связанные с изменением условий испарения с зоны затопления.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: в результаты применения различных методических приемов для установления изменений стока в нижних бьефах крупных водохранилищ под влиянием регулированияа методика оценки изменений стока ниже плотины под влиянием водохранилищв полученные на ее основе оценки изменений стока в нижних бьефах трех крупных водохранилищ. so оценки изменений стока в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС под влиянием изменения величин испарения с пойменных участков.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ.

Результаты исследования имеют практическое применение при проектировании водохранилищ и оценке их влияния на режим стока. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы были доложены на семинарах кафедры гидрологии суши факультета географии и геоэкологии СПбГУ, на Международном научном симпозиуме «Расчеты стока при проектировании» (Санкт-Петербург, 1995 г.), на ежегодных научных конференциях «Университеты в канун третьего тысячелетия: ноосфера, экология, образование», (1997, 1998 г., Санкт-Петербург.), на Всероссийской научной конференции «Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон», (Санкт-Петербург, 1999 г.), на Международных научных конференциях «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон», (Санкт-Петербург, 2000 г., 2002 г.).

Заключение

.

Проведенные исследования по проблеме оценки влияния крупных водохранилищ на сток реки ниже подпорного сооружения позволило сформулировать основные методические подходы к решению данной проблеме и выполнить оценки изменений стока на участках нижних бьефов гидроузлов на примере трех крупных водохранилищ РоссииНовосибирского, Красноярского и Ириклинского. Основные результаты выполненного исследования представлены ниже:

1. Разработана методика оценки изменений стока на участке реки ниже плотины водохранилища, основанная на сопоставлении зарегулированных и естественных объемов стока в верхнем и нижнем створах.

2. Предложен ряд методических приемов для определения изменений стока под влиянием водохранилища на участке реки ниже плотины, основанных на оценке однородности исходных рядов стока, использовании графиков связи нарастающих сумм расходов воды и графиков связи среднесуточных расходов воды в створах, один из которых характеризует естественный сток не подверженный влиянию водохранилища.

3. На основе разработанной методики установлены факты нарушения стока в створах нижнего бьефа Новосибирского, Красноярского и Ириклинского водохранилищ. Определены пространственно-временные закономерности изменения стока среднегодового, среднемесячного, среднего за теплый и холодный периоды на участках нижнего бьефа водохранилищ, с учетом вида и глубины регулирования, наличия поймы и физико-географических условий расположения водохранилищ.

4. Показано, что применение графиков связи нарастающих сумм расходов воды позволяет не только определить характер изменений стока под влиянием водохранилища, но и получить количественные оценки этих изменений за различные периоды времени. Такие оценки получены для годового стока, стока за теплый и холодный периоды года для нижних расчетных створов всех трех водохранилищ, рассмотренных в работе.

5. Для определения естественных расходов воды за исследуемый период после строительства водохранилищ в створе плотины и замыкающем створе нижележащего участка реки производилось восстановление стока. Для этого были применены уравнения связи соответственных расходов воды, используемые в практике краткосрочных прогнозов стока.

6. Выполнены оценки изменений стока за теплый период на участках, расположенных ниже плотин рассмотренных водохранилищ. На основе выполненных оценок установлено, что под влиянием водохранилищ в их нижних бьефах произошло «восстановление» стока за счет уменьшения затопления площадей русла и поймы. В наибольшей степени этот эффект сказался в нижнем бьефе Новосибирского водохранилища, где река имеет обширную пойму. «Экономия» стока произошла за счет уменьшения поверхностного задержания воды, фильтрации в грунт и уменьшения величины испарения с осушенных территорий после создания водохранилища. Величина этой «экономии» составила в среднем 2,6 км /год или 30% от величины потерь стока в водохранилище. Для участков нижних бьефов Красноярского и Ириклинского водохранилищ, которые не обладают столь обширными поймами на исследуемых участках, величины «экономии».

3 3 соответственно составили 1,8 км /годи 0,14 км /год.

7. Выполнена оценка изменений стока под влиянием изменения режима испарения в нижнем бьефе Новосибирского водохранилища. Результаты оценки показали, что тенденция изменения величины испарения по годам повторяет тенденцию изменения объемов стока на данном участке. В среднем за 7 летний период снижение потерь на испарение в вегетационный период за счет регулирования составило около 0,05 км /год или 2% от средней величины «экономии» стока на этом участке. Установлено, что основная «экономия» стока ниже Новосибирского водохранилища происходит из-за снижения потерь воды на пойме на поверхностное задержание и фильтрацию вследствие регулирования.