Методические положения оптимального зарегулирования стока малых рек бассейна р. Урал водохранилищами с учетом эколого-экономических критериев

Полный текст

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.

Об авторах

А. М. Гареев

Автор, ответственный за переписку.
Email: aufar.gareev@mail.ru
Россия, Уфа, 450074

В. С. Горячев

Email: aufar.gareev@mail.ru
Россия, Уфа, 450074

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

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

Скачать (337KB)

Метаданные

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

Скачать (147KB)

Метаданные