Methodological provisions of optimal regulation of the flow of small rivers of the Ural River basin by reservoirs, taking into account ecological and economic criteria

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Методические положения определения оптимального количества, объемов прудов и водохранилищ в бассейнах малых рек с учетом их нормального функционирования в условиях маловодий и обеспечения нормативной водности в нижних звеньях гидрографической сети по бассейну р. Урал в пределах Российской Федерации разработаны в рамках научно-исследовательской работы, выполненной в 2023 г. В качестве основополагающих нормативных, правовых и иных документов приняты природоохранные и водные законы РФ [2, 8–10, 13]. Требования к определению оптимального количества и объемов прудов и водохранилищ в бассейнах малых рек учитывают следующее:

1. обеспечение устойчивого функционирования естественных или сложившихся экологических систем, сохранение биологического разнообразия в малых реках и предотвращение негативных последствий создания прудов и водохранилищ в условиях изменения климата [12];
2. сохранение или улучшение состояния экологической системы в пределах водных объектов или их участков;
3. сведение к минимуму риска необратимых негативных изменений в экологической системе водного объекта вследствие антропогенных воздействий;
4. обеспечение устойчивого и безопасного водопользования в процессе социально-экономического развития территории.

В соответствии с указанными положениями рекомендовано определение оптимального количества, объемов прудов и водохранилищ в бассейнах малых рек с учетом их нормального функционирования в условиях маловодий на основе применения целевых функций, учитывающих выделение минимума приведенных затрат и максимума экологической эффективности. Их рекомендуется применять при обосновании и проведении мероприятий по проектированию, строительству и эксплуатации прудов и водохранилищ с учетом различий физико-географических условий в пределах бассейна р. Урал [3, 7].

После утверждения в установленном порядке представленные методические положения могут быть использованы в связи со следующими действиями:

1. корректировкой схем комплексного использования и охраны водных объектов, водохозяйственных балансов; планированием водохозяйственных и водоохранных мероприятий по бассейнам малых рек;
2. государственным контролем и надзором за использованием и охраной водных объектов;
3. оценкой воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке предпроектной и проектной документации на строительство прудов и водохранилищ на малых реках;
4. размещением, проектированием, строительством и реконструкцией прудов и водохранилищ, оказывающих влияние на состояние водных объектов и их экосистем;
5. решением других вопросов в области использования и охраны малых рек, а также необходимостью межгосударственного согласования принципов управления водопользованием и водоохранными мероприятиями в бассейне трансграничной р. Урал (Жайык) между Российской Федерацией и Казахстаном.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исходной информации использованы: физико-географическое районирование бассейна р. Урал в пределах Российской Федерации, материалы многолетних гидрометеорологических наблюдений по станциям и постам Росгидромета, а также статистические материалы организаций и ведомств, специализирующихся в области управления водопользованием и охраной водных ресурсов в пределах изучаемой территории. Кроме того, использованы также материалы собственных изысканий и наблюдений, полученные в ходе исследования, проведенного в 2023 г., а также материалы предшествующих многолетних полевых изысканий и наблюдений (гранты РФФИ, Государственные задания Республики Башкортостан и др.).

На основе их анализа выявлено то, что в течение последних десятилетий – с 2000-х гг. по настоящее время – сформировалась довольно напряженная водохозяйственная и гидролого-экологическая обстановка в условиях влияния маловодной фазы, с одной стороны, и регионального отклика глобального потепления климата – с другой.

В соответствии с методическими положениями, оптимальные параметры размещения прудов и водохранилищ устанавливаются на основании оценки состояния водного объекта (малой реки) и его экологической системы с учетом необходимости сохранения и воспроизводства ихтиофауны, занимающей верхнюю иерархическую ступень в пищевой цепи гидробионтов в водном объекте, которые отражены в Водном кодексе Российской Федерации [2] и Федеральном законе “Об охране окружающей среды” [13].

Методические положения учитывают следующие виды воздействий:

1. изменение гидрологического режима малых рек, их морфометрических характеристик при строительстве и эксплуатации прудов и водохранилищ;
2. трансформацию экологических условий в водном объекте в связи с переходом речного режима в озерный;
3. изменение экологических условий в водных объектах и паводково-пойменных комплексах, выполняющих важную роль в сохранении и воспроизводстве ихтиофауны;
4. забор (изъятие) и количественное истощение водных ресурсов;
5. дополнительные потери водных ресурсов в результате испарения с поверхности прудов и водохранилищ.

Таким образом, методические положения включают следующие показатели: безвозвратное изъятие воды за определенный временной период (год, сезоны, месяцы) для наиболее критических условий по водности (95%-й обеспеченности); потери воды на дополнительное испарение с поверхности прудов и водохранилищ в условиях изменения климата; обеспечение экологического стока (ЭС) (попусков) с учетом нормального функционирования прудов и водохранилищ в условиях маловодий и обеспечения нормативной водности в нижних звеньях гидрографической сети по бассейну р. Урал в пределах Российской Федерации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Многообразие путей реализации экономических решений, а также разница объемов капиталовложений и эксплуатационных затрат на водоохранные сооружения обусловливают необходимость выбора оптимального варианта осуществления водоохранной деятельности. Таким образом, комплекс исследовательских, изыскательских, проектных и планируемых мероприятий должен отражать взаимодействие естественных и антропогенных факторов, изучаемых на стыке географических, экологических и экономических дисциплин. Физико-географические основы указанного комплекса отражают количественные и качественные характеристики воды водных объектов, формирование потребностей отраслей народного хозяйства в водоснабжении в зависимости от природных зон, районов и экологических условий в аквальных комплексах [3].

Останавливаясь на анализе научно-методических подходов к обоснованию нормативов воздействия на водные объекты, кроме [8], следует привести и работы [4–6]. В них в качестве основных приняты положения, отражающие необходимость выполнения расчетов лимитирующих составляющих речного стока, включая показатели среднегодовых расходов (объемов) воды разной обеспеченности, внутригодовое распределение речного стока в годы 95%-й обеспеченности по участку расположения пруда или водохранилища, экологических расходов (объемов) воды (попусков), критических расходов (объемов) воды, а также объемов допустимых безвозвратных изъятий воды в бассейне малой реки и др. В качестве методологической основы нормирования безвозвратного изъятия речного стока, установления ЭС и экологического попуска (ЭП) принимается принцип устойчивого функционирования экологических систем водных объектов и околоводных экологических систем, сохранение условий естественного размножения организмов. С учетом изложенного в качестве экологических критериев, которые учитываются и используются при обосновании оптимальных параметров прудов и водохранилищ, мест их расположения, а также ЭП, ЭС и в оценке степени нарушенности экологических систем, приняты следующие:

• условия естественного размножения ихтиофауны в системе русло–пойма и пойменной растительности;
• уровень биологической продуктивности экологических систем;
• структура сообщества рыб, в том числе соотношение ценных и малоценных видов рыб, темпы их роста;
• видовое разнообразие организмов, смена сообществ животных и растений;
• состояние русла реки, поймы и др.

В них приведены также основные величины морфометрических и гидрологических показателей водотоков, площади затопления поймы; характеристики водного режима, русловых и пойменных нерестилищ (скорость течения, глубина, температура и др.); уровенный режим, соленость воды, площади нагула молоди и взрослых особей рыб; видовой состав, численность и биомасса планктонных и донных организмов, динамика численности популяций рыб, характеристики численности молоди конкретного года рождения (“урожайность” поколения), промысловый возврат (величина вылова рыб одного поколения в течение всего жизненного цикла), запасы и уловы промысловых рыб.

Одно из необходимых условий выполнения расчетов с учетом показателей количественного истощения (изъятия) – определение так называемых критических расходов Q_кр и объемов воды W_кр в водотоке. Кроме того, методика расчетов учитывает необходимость определения таких показателей, как исторические минимальные расходы Q_ист и объемы W_ист воды, объем допустимого безвозвратного изъятия W_ди за год и отдельные периоды, которые выражаются так:

W_ди = W_кр – W_ист. (1)

При этом W_ди принимается постоянным для разной водности с объемом стока выше базового. В свою очередь, минимальный сток базового года W_б, с которого можно начинать изъятие речного стока в количестве W_ди, рекомендуется рассчитывать по формуле

W_б = W_кр + W_ди. (2)

В качестве расчетных принимаются расходы воды в годы 95%-й обеспеченности, критических – 97%-й обеспеченности и исторических – 99%-й обеспеченности. В свою очередь, экологический сток учитывает распределение речного стока в годы 95%-й обеспеченности внутри года по месяцам, обеспечивая условия обитания и воспроизводства ихтиофауны в пределах расчетного участка реки.

Как показано выше, в качестве основных недостатков, имеющихся в работах [4–6, 8], следует привести то, что в них не учтена пространственная дифференциация основных физико-географических условий (географического положения, орографии местности и др.), которые должны быть применены при обосновании оптимальных параметров гидротехнических сооружений.

Исходя из изложенного в данной, работе установлено положение, отражающее то, что экономические и экологические параметры функционирования как существующих, так и новых прудов и водохранилищ (если в их строительстве имеется объективная необходимость) должны учитывать следующее. Одно из основных требований – обоснование необходимого объема водохранилища, места его расположения с учетом привлечения минимальных приведенных затрат на его строительство и эксплуатацию в соответствии с требованиями целевых функций. Таким образом, подбор вида, конструкций и технического решения задачи должен проводиться на основе сравнительного подхода по двум или более независимым вариантам. Уравнение водохозяйственного баланса по створу расположения рекомендуемого водохранилища (пруда) должно учитывать: в приходной части – объем речного стока, поступающего с вышерасположенного участка W_r, полезный объем водохранилища W_p; в расходной части – объем испарения воды с поверхности водного зеркала водохранилища W_i, величину безвозвратных изъятий W_ди, а также транзитный сток W_t, учитывающий объем воды, необходимый для поддержания экологических условий в водотоке ниже водохранилища (экологический попуск – W_y) и объем воды, необходимый для удовлетворения потребностей водопользования хозяйственными объектами и населенными пунктами, расположенными ниже по течению W_n.

Исходя из изложенного, оптимальный полезный объем водохранилища может быть рассчитан по формуле

W_p = W_i + W_ди +W_y + W_n – W_r. (3)

При размещении самого (проектируемого) водохранилища должны учитываться физико-географические условия района, где планируется его строительство, в том числе орографические характеристики участка реки, ее долины, морфометрические параметры проектируемого водоема и др. В районах, характеризующихся большой изменчивостью речного стока в течение года, а также в многолетнем разрезе, предпочтительно строительство одного водохранилища многолетнего зарегулирования, исходя из необходимости удовлетворения целевым функциям как по экономическим, так и по экологическим параметрам по следующему выражению [3]:

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{П}={\mathrm{И}}_{\mathrm{З}}+{\mathrm{Е}}_{\mathrm{Н}}{\mathrm{К}}_{\mathrm{З}}\to \min \\ {\mathrm{Э}}_{\mathrm{эф}}\to max\end{array}\right.,$ (4)

где П – приведенные затраты, И_з – эксплуатационные затраты, К_з – капитальные затраты, Е_н – коэффициент приведения, Э_эф – показатель экологической эффективности.

Таким образом, задача оптимизации размещения водохранилищ должна решаться с учетом как экономической, так и экологической эффективности проводимых мероприятий.

В бассейнах рек, где условия рельефа (пологого) не позволяют размещать одно водохранилище с большим объемом, можно создать каскад из двух или более водохранилищ. При этом в засушливых районах в степной зоне оптимальное количество водоемов должно определяться с учетом дополнительных потерь воды на испарение с поверхности водоемов, так как в острозасушливые годы значительное количество накопленной в весеннее время воды будет расходоваться с их поверхности на испарение летом. Эти потери здесь довольно высокие, могут быть сопоставимы с показателями изъятия воды на водопользование в расходной части водохозяйственного баланса.

Характеристики годового стока неизученных малых рек в годы 95%-й обеспеченности ориентировочно могут определяться по рис. 1. Более точные расчеты параметров стока могут быть проведены по аналогии с расчетами по изученным рекам. При этом в качестве аналога принимается изученная река, протекающая в том же физико-географическом районе, что и изучаемая [7]. Показатели внутригодового распределения речного стока в различные по водности годы, в том числе и очень маловодные, в качестве которых приняты показатели стока 95%-й обеспеченности, рекомендуется определять по справочному изданию [11]. Районирование изучаемой территории по внутригодовому распределению речного стока представлено на рис. 2.

Рис. 1. Изолинии модулей стока среднегодовых расходов воды малых рек в годы 95%-й обеспеченности.

Рис. 2. Районирование бассейна р. Урал по внутригодовому распределению стока [11].

Указанные закономерности учтены авторами статьи при составлении картосхемы района бассейна р. Урал (в пределах Российской Федерации) по условиям приоритетного размещения прудов и водохранилищ с учетом физико-географических характеристик и обитания гидробионтов.

С учетом изложенного следует констатировать то, что при проектировании прудов и водохранилищ на малых реках необходимо учитывать биологические особенности обитающих в них рыб. У весенне- и летненерестующих рыб инкубация икры продолжается в среднем до 7, иногда до 12 дней, в зависимости от температуры – чем ниже температура воды, тем больший срок требуется для развития эмбрионов. Повторяемость высоких половодий необходима не меньше, чем 1 раз в 3 года, а лучше 1 раз в 2 года. Весенние попуски воды должны совпадать по времени со сроками естественного половодья, к которым была изначально приспособлена местная ихтиофауна. Особенно это важно для фитофильных рыб, которые в этом случае смогут размножаться в привычных условиях, и нормальное пополнение их популяций новыми поколениями при этом будет обеспечено. Промыслового значения малые реки не имеют. Однако в горно-лесной и горно-лесостепной зонах в силу их труднодоступности и наименьшей степени развития в них антропогенного прессинга они важны как рефугиумы, позволяющие наиболее чувствительным видам сохраняться в этих местообитаниях, а также находить пути миграций. Низкая численность части видов рыб малых рек – следствие не только антропогенного ухудшения экологических условий, но и их собственных биоэкологических характеристик, связанных со стенотермностью, оксифильностью, субстратным консерватизмом.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования обоснованы и предложены методические положения по оптимальному зарегулированию стока малых рек бассейна р. Урал водохранилищами в пределах Российской Федерации с учетом эколого-экономических критериев. Они входят в состав обширного перечня предложений различных мероприятий по гидролого-экологическому восстановлению малых рек. В их числе – обоснование мест расположения, оптимального количества и параметров водохранилищ в бассейнах малых рек с учетом особенностей нормального функционирования в условиях маловодий в нижних звеньях гидрографической сети – оно имеет ведущее значение. Соответственно, указанные методические положения разработаны в целях поддержания поверхностных и подземных вод в состоянии, соответствующем требованиям водного законодательства Российской Федерации, и могут быть применены при решении задач оптимального управления водохозяйственной деятельностью в бассейнах рек с учетом как хозяйственно-экономических, так и экологических критериев.

About the authors

A. M. Gareev

Author for correspondence.
Email: aufar.gareev@mail.ru
Russian Federation, Ufa, 450074

V. S. Goryachev

Email: aufar.gareev@mail.ru
Russian Federation, Ufa, 450074

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Isolines of the flow modules of average annual water discharges of small rivers in years of 95% provision.

Download (337KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Zoning of the Ural River basin according to the intra-annual distribution of runoff [11].

Download (147KB)

Indexing metadata