Эко-бюллетень ИнЭкААрхив№ 4 (135) > ОЦЕНКА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Использование методов математического моделирования для оценки проектных решений при создании крупных водохранилищ

А.Т.Зиновьев

Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул

Крупномасштабное гидротехническое строительство всегда приводит к изменениям в окружающей среде. Природные условия строительства высоконапорных ГЭС на реках Сибири делают такие изменения масштабными и сложными. К числу важных вопросов создания крупных и глубоких водохранилищ в условиях Сибири относятся прогнозы состояния водной среды на зарегулированных участках реки – в водохранилище и нижнем бьефе. Так, в результате изменения гидроледотермического режима в нижних бьефах высоконапорных ГЭС в зимний период образуется незамерзающая полынья. Изменение температурного режима реки и условий газообмена влияют на речную флору и фауну и приводят к изменению самоочищающей способности реки. Эти воздействия гидростроительства на водную среду требуют предварительной оценки на этапе проработки экологических последствий реализации гидротехнических проектов.

Многие водохозяйственные проблемы, возникающие с различной степенью остроты при строительстве высоконапорных ГЭС в условиях Сибири, нашли свое отражение в вопросах, связанных с созданием Эвенкийской ГЭС на р. Нижняя Тунгуска. Так, здесь могут проявиться специфические проблемы создания сибирских водохранилищ, обусловленные недостаточной подготовкой их ложа перед затоплением.

Создание уникального водохранилища длиной только по основному руслу р. Нижняя Тунгуска в 1200 км и объемом около 409 куб. км (один из рассматриваемых вариантов строительства) обусловливает специфические проблемы, которые для своего решения требуют серьезных научных проработок. Гидроузел планируется строить на 120-м км от устья на р. Нижняя Тунгуска – правом притоке Енисея. Климат региона резко континентальный; среднегодовая температура воздуха в районе строительства минус 8,5 ºС, ее минимальные зимние значения до минус 63 ºС, максимальные летние – до плюс 37 ºС. Поэтому экологические проблемы создания Эвенкийского водохранилища в чрезвычайно суровых климатических условиях в большой степени замыкаются на прогноз ледотермического режима водохранилища и нижнего бьефа. Большую часть года водохранилище будет покрыто льдом и только в течение нескольких летних месяцев будет свободно от ледяного покрова. Прогноз изменения качества воды в р. Нижняя Тунгуска при строительстве Эвенкийской ГЭС является серьезным вопросом, в частности, из-за большого количества затопляемой древесно-кустарниковой растительности. Хотя ряд значимых заключений по этому вопросу может быть сделан с использованием методов сравнительного анализа, для количественного прогноза изменения качества водной среды при строительстве Эвенкийского водохранилища используются методы математического моделирования.

В случае Эвенкийского водохранилища нет особой необходимости использовать количественные оценки для прогноза его гидробиологического режима. Использование метода аналогии позволяет предположить, что проектируемое водохранилище будет водоемом с низкой биологической продуктивностью. В существующих природных условиях и предполагаемых условиях хозяйствования на прилегающей к району строительства территории водохранилище по степени развития биоценозов будет характеризоваться как «олиготрофный» водоем. Важным является то, что для глубоких водохранилищ, как правило, характерно формирование вертикальной плотностной (обычно, температурной) стратификации. Наличие плотностной стратификации существенно затрудняет процесс эффективного перемешивания водных масс по глубине и создает, в частности, условия для вертикальной стратификации содержания в воде растворенных примесей и газов. Так, в глубоких водохранилищах часто отмечается вертикальная стратификация растворенного кислорода.

Кислородный режим является одним из основных показателей экологического состояния водоемов, поскольку практически все внутриводоемные химические и микробиологические процессы протекают с участием или в присутствии растворенного кислорода. Дефицит кислорода приводит, как правило, к структурной перестройке всего цикла круговорота веществ в водоеме. К примеру, снижение концентрации растворенного кислорода ниже допустимых норм отрицательно сказывается на ихтиофауне, появляются заморные явления и, как следствие, снижается рыбная продуктивность водохранилищ. Для прогнозирования изменения содержания растворенного кислорода в воде при строительстве крупных и глубоких водохранилищ учет формирования вертикальной плотностной стратификации принципиально важен.

При количественной оценке изменения качества воды в р. Нижняя Тунгуска на перспективу строительства Эвенкийской ГЭС важными вопросами являются содержание растворенного кислорода и уровень минерализации в воде будущего водохранилища. Высокий уровень залесенности зоны затопления в случае сооружения плотины ГЭС обусловливает постановку и решение вопроса о влиянии затопления большого объема древесно-кустарниковой растительности на качество воды в водохранилище, в т.ч. на его кислородный режим. Достаточно высокий естественный уровень минерализации поверхностного стока в районе гидростроительства требует оценки уровня возможной минерализации вод Эвенкийского водохранилища. Без выявления общей картины минерализации вод в водохранилище в условиях возникновения плотностной стратификации по глубине, обусловленной, прежде всего, термическим фактором, невозможно определить количественные характеристики качества этих вод, определяющие их пригодность для целей водоснабжения населения, а также уровень минерализации воды, сбрасываемой из водохранилища в нижний бьеф.

Для прогноза этих показателей качества воды в Эвенкийском водохранилище были использованы методы математического моделирования процессов переноса растворенного кислорода и растворенной примеси в глубоком слабопроточном водоеме, развитые в ИВЭП СО РАН.

Собственно модель кислородного режима глубокого водоема базируется на принципах, предложенных Стритером и Фелпсом. Стандартные уравнения модели Стритера-Фелпса записаны в предположении однородности распределения химических параметров по горизонтальным слоям водохранилища. Используемая в работе модель поведения кислорода в глубоком стратифицированном водоеме в общем случае включает три переменных: растворенный кислород, растворенное лабильное органическое вещество и взвешенное органическое вещество. Вертикальное распределение этих показателей рассматривается с учетом их переноса конвекцией и диффузией. Для расчета потребления кислорода на окисление затопленной растительности используются полуэмпирические формулы, в которых значение потока на границе раздела «вода-дно», в частности, пропорционально суммарной массе всех экстрагируемых веществ в затопленном биоматериале. Дополнительный (к естественному фону) «сток потребности» в кислороде идёт на окисление органических веществ, экстрагируемых водой из затопленной растительности и почв.

Численные расчеты выполнены для двух вариантов расположения створа гидроузла: 1-й вариант – створ на расстоянии 59,5 км от устья р. Нижняя Тунгуска, отметка НПУ 110,00 мБС, 2-й вариант – на расстоянии 120,0 км от устья, НПУ 200 мБС. Длина водохранилища при НПУ в 1-м варианте равна 695,5 км, объем – 48,51 км3; во 2-м варианте соответствующие показатели будут 1229 км и 409,40 км3. Площади затапливаемых земельных угодий равны 73,6 и 868 тыс. га, соответственно. Моделируемые процессы рассчитаны на 30 лет от начала заполнения водохранилища (т.е. для условий наполнения и проектного режима эксплуатации водохранилища). Для расчетов использованы натурные данные о расходах и температурах втекающей в водохранилище воды, содержании в ней растворенного кислорода и ее минерализации, сведения о метеорологических характеристиках в районе водохранилища.

Расчеты гидротермического режима Эвенкийского водохранилища показали, что с наполнением водохранилища будет достаточно быстро формироваться температурная стратификация, весной и осенью сменяемая состояниями гомотермии. В расчетах учтено влияние минерализации воды на вертикальное распределение температуры воды в течение года. Расчет общей минерализации в водохранилище выполнен с учетом данных об изменении солености воды, поступающей по основному руслу и с притоками. Точных данных о поступлении в водохранилище солей с подземными водами в настоящее время нет. Вымыванием солей из затопленных почв на данном этапе исследований пренебрегалось. По существующим оценкам для увлажненных территорий, их вклад не превысит нескольких процентов.

Расчеты кислородного режима Эвенкийского водохранилища показали, что распределение концентрации растворенного кислорода по глубине водоема будет определяться конкуренцией ряда факторов: содержанием кислорода в поступающей в водохранилище воде, потоком кислорода на границе раздела «воздух-вода», потоком кислорода на границе раздела «вода-дно», скоростью окисления органического вещества, вертикальным турбулентным обменом. В модели кислородного режима (модель РК-БПК) предполагается, что поток кислорода на границе раздела «вода-дно» определяется, в основном, вымыванием растворимых компонентов древесины, а при замерзании водохранилища поток кислорода через границу раздела «вода-лед» отсутствует. В расчетах для самой жесткой оценки принимается, что лесосводка на затапливаемой территории проводиться не будет (до 92 % затапливаемых площадей занято древесно-кустарниковой растительностью).

Математическое моделирование температурного режима, общей минерализации и растворенного кислорода для Эвенкийского водохранилища показало следующее.

  1. При заполнении водохранилища достаточно быстро установится вертикальная плотностная стратификация, при этом основная масса воды будет иметь температуру, близкую к температуре максимальной плотности (около 4ºС). В летние месяцы накопление тепла будет происходить в поверхностных слоях водохранилища выше термоклина. Максимальные температуры поверхностных слоев воды после заполнения водохранилища будут на 2-3ºС выше среднемноголетней максимальной температуры воды в створе Б. Порог (125,0 км от устья р. Нижняя Тунгуска).
  2. Начало ледостава на водохранилище будет наблюдаться примерно в те же сроки, что и в естественных условиях на р. Нижняя Тунгуска. Освобождаться ото льда водохранилище будет в июне. Максимальная толщина ледяного покрова на водохранилище увеличится по сравнению с наблюдающейся толщиной льда в створе Б. Порог на 30–40 см.
  3. Температура сбрасываемой в нижний бьеф воды в первые годы заполнения будет меняться в довольно широком диапазоне (до 10ºС). После заполнения водохранилища температура вытекающей воды установится около 4ºС.
  4. Рассчитанные с учетом формирования вертикальной плотностной стратификации показатели качества воды в водохранилище по растворенному кислороду и минерализации в целом благоприятные. В течение первых лет заполнения водохранилища в поверхностных слоях воды зимой может наблюдаться дефицит кислорода. Однако с наполнением водохранилища дефицит кислорода будет уменьшаться, а концентрации растворенного кислорода по всей глубине водохранилища станут близкими к концентрациям насыщения. Расчеты концентрации растворенного кислорода по длине водохранилища также показали, что дефицит кислорода в водохранилище маловероятен. Минерализации поверхностных слоев воды будет менее 100 мг/л. У дна значения минерализации будут около 400 мг/л.
  5. Расчеты ледотермического режима нижнего бьефа ГЭС для разных вариантов выбора положения створа плотины показали, что в режиме эксплуатации водохранилища участок р. Нижняя Тунгуска ниже плотины до устья реки будет свободен ото льда в течение всего года. Однако тяжелых последствий в месте сопряжения Нижней Тунгуски с Енисеем ожидать не следует. Прежде всего потому, что соотношение расходов Нижней Тунгуски и Енисея при их слиянии равно 1 к 7. Можно считать, что вода Тунгуски будет выходить вдоль правого берега Енисея ниже Туруханска и формировать струю на 1/7 ширины Енисея. Все ледовые затруднения будут приурочены к этой зоне. При створе плотины 120 км следует ожидать появление полыньи вдоль правого берега р. Енисей ниже устья Нижней Тунгуски размером 20-40 км. При варианте створа плотины 59,5 км длина полыньи в Енисее несколько увеличится.
  6. Значения минерализации воды в нижнем бьефе можно принимать равными минерализации сбрасываемой из водохранилища воды. Уровни минерализации воды на участке нижнего бьефа снизятся и уменьшатся их внутригодовые колебания по сравнению с естественными условиями.

Выполненные исследования следует считать начальным этапом работ по количественному прогнозу изменения качества воды в Нижней Тунгуске при строительстве Эвенкийского водохранилища. Учитывая сложную ветвистую конфигурацию водохранилища в плане, большую протяженность как основной его части, лежащей вдоль русла р. Нижняя Тунгуска, так и примыкающих к ней ветвей (подпертых притоков) и большие глубины по длине всех его ветвей, представляется целесообразным в дальнейшем исследованиях использовать модифицированную продольно-вертикальную модель гидродинамических, гидротермических и гидрохимических процессов. Эта модель позволит более подробно изучать гидрофизические, гидрохимические и гидробиологические процессы в сложной по конфигурации гидрологической системе разветвленного вида – Эвенкийском водохранилище с учетом плотностной стратификации. Наличие вертикальной плотностной стратификации позволяет рассматривать использование селективного водозабора как инструмента управления качеством воды в водохранилище и нижнем бьефе для минимизации изменений окружающей среды в случае строительства ГЭС.

 
ПОИСК ПО САЙТУ
© 2001-2017 ООО «ИнЭкА-консалтинг»
Контакты ИнЭкА:
+7 3843 720575
720579
720580
ineca@ineca.ru
создание сайтов