МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УКД 631.6
ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЁМА И РЕЖИМА ДОПУСТИМОГО ИЗЪЯТИЯ
СТОКА ИЗ ВОДОИСТОЧНИКА

Т.И. Иванова
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

The problem of definition of possible withdrawal of a river is investigated under various conditions. The problem of a substantiation of volume of a water-intake is put in a view of featwies of a water mode, constructions and kind of water-intake constructions.

Задача наших исследований состоит в том, чтобы разработать методику определения возможных объемов и режима изъятия стока из открытых водотоков в различных условиях, встречающихся в разнообразных водохозяйственных системах. Многие факторы определяют величину водоотбора: это санитарно-экологические условия, определяющие минимально допустимый остаточный сток реки; степень внутримесячной (декадной, пентадной, суточной) неравномерности; тип водозаборных устройств. По каждому из названных направлений имеется определенная методология, которая представлена четкой методикой в решении отдельных вопросов,  либо приближенными оценками, либо практически не освещена в литературе. Так, например, определение возможного изъятия стока в условиях бесплотинного водозабора не имеет сколько-нибудь обоснованной методики.
На стадии постановки задачи  хотелось бы обозначить существующее состояние проблемы по затронутым направлениям, остановившись более подробно на подходах к назначению тех или иных попусков и смежным вопросом – определения допустимого изъятия стока.

Определение допустимого изъятия стока с учетом санитарно-экологических требований
Методологические основы расчета «экологического стока» резервируемого ниже створов регулирования и изъятия водных ресурсов в соответствии с требованиями охраны природы впервые приводились в работах Б.В. Фащевского /1989/ [1]. Он утверждает, что необходимо охватить взаимосвязь компонентов живой и неживой природы для научного обоснования допустимой степени регулирования и изъятия водных ресурсов, то есть динамику гидрологического режима, урожайности пойменных лугов, рыбных запасов и т.д. На контрольных створах и участках основных водоисточников во всех фазах водного режима (половодье, паводок, межень) необходимо вести наблюдения за млекопитающими, бактериями, высшей водной и околоводной растительностью и т.д., а также за сроками вегетации различных видов растительности, нереста рыб, размножения млекопитающих и других видов.
Б.В. Фащевским было дано определение экологического стока – как части естественного стока, оставляемого ниже створов регулирования и изъятия вод по условиям охраны речных экосистем во избежание изменений водных ресурсов и самих русловых образований при безвозвратном изъятии и регулировании (стремлении и обваловании русл, изменении густоты гидрографической сети и т.д.).

Расчет экологического стока основан на использовании гомеостатических кривых (динамики численности организмов планктона и бентоса, кривых урожайности пойменных лугов, воспроизводства рыбных запасов и т.д.), полученного для основных рек страны. Проанализировав данные кривые, обеспеченности стока, делаем вывод, что чем ближе к среднему по водности году, тем количество водных и околоводных организмов возрастает и достигает максимума. На основании этого верхний предел экологического стока (обеспеченность 25 %) может быть описан гидрографом естественного стока реки обеспеченностью 50 %, а нижний предел экологического попуска (обеспеченность 95 %) описывается гидрографом естественного стока 99%-й обеспеченности, то есть вековыми запасами водных ресурсов в речной системе. Эти кривые ограничивают расчетный диапазон значений экологического стока реки. Применимо к практике Б.В. Фащевский рекомендует следующую процедуру.

Статистический диапазон колебаний характеристик стока определяется не в области 0,1-99,9 % , а в области 1,0-99,0%-й обеспеченности. Затем рассчитывается значение естественного годового стока различной обеспеченности, и производится выборка соответствующих значений стока различной обеспеченности. Величина остаточного экологического стока реки в год 95%-й обеспеченности принимается равной естественному стоку 99%-й обеспеченности, в связи с примерно равной ущербностью экосистемам в очень маловодные годы 99 и 95%-й обеспеченности. Величина остаточного экологического стока реки в год 25%-й обеспеченности принимается, равной естественному стоку 50%-й обеспеченности. По двум полученным точкам проводится логарифмическая нормальная кривая, которая позволяет получить весь диапазон расчетных значений стока (меженного, весеннего и паводкового).

Внутригодовое распределение экологического стока в годы различной обеспеченности рассчитываются на основе матриц естественного среднемесячного стока. Относительное (в долях единицы) расчетное внутригодовое распределение  принимается, равной распределению естественного стока той же самой смежной обеспеченности (95-99 %, 75-85 % и т.д.). Для получения внутригодового распределения экологического стока в годы различной обеспеченности для рек с высокой экологической значимостью необходимо умножить суммарную величину годового экологического стока на относительную величину месячного естественного стока.
Для рек со средней экологической значимостью допустимо в месячные величины стока вводить коэффициент снижения, который учитывает внутригодовую зарегулированность стока. При введении данного коэффициента величина экологического стока в среднем снижается на 5-10 % , что позволяет использовать для нужд народного хозяйства больше воды из рек, имеющих большую естественную зарегулированность


,


где   – коэффициент снижения стока; – соответственно, минимальный и максимальный среднемесячные расходы воды года 95%-й обеспеченности.
Для рек с низкой экологической значимостью, кроме того, во все месяцы, за исключением весеннего половодья, сток принимается равным минимальным меженным стокам данной расчетной обеспеченности (10, 25, 50, 75 и 95 %).
Лежащее в основе метода положение, что чем ближе к среднему по водности году тем воспроизводство всех организмом увеличивается и достигает максимума, недостаточно обосновано, и не может использоваться в качестве единой методологической основы расчета экологического стока для всех рек.

Данный метод можно рекомендовать в качестве экспертной оценки для малых рек и участков рек с низкой биологической продуктивностью при отсутствии материалов наблюдений и надёжных зависимостей, которые необходимы для использования других методов.

Помимо рассмотренного выше подхода существуют и другие, например метод, предложенный В.Г. Дубининой /2001/ [2].
Теоретические подходы для разработки концепции экологического риска /Остроумов, 2000/ и районирования поверхностных вод по уровню экологической опасности содержатся в работах разных авторов.
По уровню антропогенной трансформированности водных экосистем условно выделяется четыре типа состояния, обусловленных соответствующей величиной нагрузки:

экологически безопасное состояние – ситуация, при которой вследствие экзогенных и эндогенных процессов природного или антропогенного характера происходят изменения структурно-функциональной организации экосистемы в пределах границ толерантности естественной стадии гидрогенеза;

состояние экологического риска – ситуация, при которой вследствие экзогенных и эндогенных процессов природного или антропогенного характера происходят изменения естественного механизма саморегуляции в сторону перехода на качественно новый уровень самоорганизации. При этом возможен возврат экосистемы в исходное состояние путем снятия фактора воздействия до уровня ниже критического;

кризисное состояние – ситуация, при которой вследствие экзогенных процессов природного или антропогенного характера происходит выход системы за пределы гомеостаза, при этом нарушаются механизмы саморегуляции, отмечаются деструктивные изменения структурно-функциональной организации. При этом возврат в исходное состояние естественным путем невозможен;

состояние экологической катастрофы – ситуация, при которой вследствие экзогенных процессов природного или антропогенного характера происходит разрушение структурно- функциональной организации системы, это приводит к гибели биокосного водного тела.

При этом возврат системы в исходное состояние естественным путем или принудительной рекультивацией невозможен.
При оценке экологически допустимого безвозвратного изъятия стока рек необходимо исходить из основной предпосылки – сохранения экологически безопасного и устойчивого состояния водной экосистемы, когда изменения структурно-функциональной организации происходят в пределах границ толерантности естественной стадии гидрогенеза, и не подрывают способность природного комплекса к самоочищению, саморегуляции и самовозобновлению. Следовательно, экологически безопасная нагрузка – это допустимая доза воздействия экзогенных факторов, не приводящая к выходу системы за границы параметров при неограниченном времени воздействия.

Основными критериями нормирования безвозвратного изъятия речного стока для водных объектов или отдельных их участков с важным значением по воспроизводству массовых и ценных рыб, являются показатели, характеризующие эффективность воспроизводства рыб. В месте с эти используются данные режимных наблюдений по уровню развития донных и планктонных животных и растений для малых рек и водоёмов. Состояние водной экосистемы характеризуется рядом экологических критериев и базовых показателей.
Экологический критерий – это показатель (признак), на основании которого производится оценка состояния водной экосистемы и её компонентов. Параметр – это величина, характеризующая количественное значение показателя (признака).

При разработке норм предельно допустимого изъятия (ПДИ), экологического стока (ЭС), экологического попуска (ЭП) в качестве основных параметров используются:

расход, сток и уровни воды, а также их внутригодовое распределение (гидрограф) в годы различной обеспеченности;
сроки весеннего половодья и паводков;
площадь затопления пойм и дельты;
характеристики водного режима русловых и пойменных нерестилищ (температура, скорости течения и т.д.);
уровенный режим, соленость вод, площади нагула молоди и взрослых особей рыб и т.д.;
видовой состав, численность и биомасса планктонных и донных организмов запасы и уловы промысловых рыб, характеристика численности молоди разных особей.

При учете качества загрязнения водного объекта, с учетом действующего законодательства, качество воды должно отвечать нормативным требованиям. Этот фактор на современном уровне учитывается в виде санитарного попуска, обеспечивающего нормативные концентрации загрязняющих веществ в заданном створе. Если для поддержания нормативного качества воды оказывается жестче, чем требования к объему ЭС и ЭП, последние принимают в соответствии с требованиями, обеспечивающими нормативное качество.

Исходя из сказанного выше, следует вывод, что, определяя основные критерии и параметры, В.Г. Дубинина рассмотрела данный вопрос ещё и с точки зрения санитарной функции реки. В.Г. Дубинина предложила два варианта определения критических расходов для установления ПДИ, ЭС, ЭП:

  1.  Метод на основе связей биологических и гидрологических характеристик состояния экосистем;
  2.  Метод на основе критических экологических параметров, основанных на использовании косвенных характеристик состояния экосистем.

В основу методики В.Г. Дубининой входят модельные исследования влияния речного стока на воспроизводство популяции рыб в бассейнах Азовского и Каспийского морей. В данном случае критерий оценки экологически допустимого безвозвратного изъятия речного стока – это показатели качества поколений и динамика численности или возврат основных промысловых рыб. Также основой метода считаются графоаналитические однофакторные зависимости нелинейного и в крайних случаях линейного видов, результаты многофакторного регрессивного анализа показателей биопридуктивности экосистемы от гидрологических характеристик речного стока по данным непосредственных наблюдений в Волго-Каспийском бассейне. Нормативы предельно допустимого экологически безопасного безвозвратного изъятия речного стока устанавливается дифференцированно для каждого водного объекта в разных створах.

Этот метод применим для рек и их участков, имеющих многолетние данные по ведущим параметрам гидрологического режима и различными показателями биопродуктивности водных и околоводных экосистем. В.Г. Дубинина считает этот метод основным для водных объектов, имеющих важное значение для воспроизводства массовых и ценных пород рыб. При выяснении относительной роли отдельных факторов в формировании сложных процессов и в построении количественных многопараметрических зависимостей может быть выполнен метод, основанный на регрессивном анализе однофакторных зависимостей линейного и нелинейного видов или многофакторным регрессионным анализом.

При отсутствии количественных зависимостей различных видов антропогенного воздействия на водные экосистемы при нормировании безвозвратного изъятия речного стока и расчете экологического сток, В.Г. Дубинина рекомендует использовать второй метод. В основе данного метода лежит метод И.П. Герасимова о наличии в сложных динамических природно-географических структурах определённых «опорных механизмов», контролирующих прямые и обратные связи между различными компонентами среды. При наличии в «опорных механизмах» элементов гидрологического режима, относительно которых центрированы отдельные экосистемы, что позволяет контролировать состояние этих экосистем и управлять ими. Для водотоков экологически значимый элемент гидрологического режима – это скорость воды в потоке; для дельтовых озёр – это уровень солёности воды.

Также при нормировании безвозвратного изъятия речного стока учитывают экологические требования к естественному размножению рыб на русловых, пойменных и лиманных нерестилищах.
Экологические требования предполагают обеспечение следующих условий:

объемов стока, которые достаточны для прохождения рыб к местам нереста в период массового нерестового хода;
продолжительности затопления нерестилищ;
объемов стока, достаточных для затопления необходимых площадей пойменных нерестилищ в требуемые сроки и с соответствующей температурой;
объемов стока, гарантирующих скат молоди с пойменных нерестилищ в реку;
состояние русла реки и поймы;
сохранение функций самоочищения водных экосистем.

На основании изложенного выше метода определяют параметры гидрологического режима, при которых создаются «критические» условия для естественного размножения рыб. Из этого следует, что в данном методе учитывается ещё и санитарная функция реки, а не только экологическая.

 

Влияние интервальной неравномерности стока на результаты водохозяйственных расчетов
Выполнение водохозяйственных расчетов в месячных интервалах времени ведет к завышенной оценке объемов водозабора. Переход к более мелким интервалам, с одной стороны, сталкивается с недостаточностью информации, а с другой – такого рода уточнения могут приводить к падению надежности результатов. Рекомендуемый подход на основании опыта проектирования склоняет к проведению расчетов по месяцам, но с введением систематической поправки, связанной с месячной неравномерностью стока.

Влияние типа водозаборных сооружений на режим изъятия
Как уже отмечено, на возможный объем изъятия существенно влияет тип водозаборных сооружений. Так, при бесплотинном водозаборе примерное ограничение составляет порядка 20 % живого тока. В процессе исследований предполагается обобщить данные по существующим водозаборным сооружениям, разработать методику оценки изъятия при различных конструкциях, компоновке и степени сужения русла.

Библиографический список

  1.   Фащевский Б.В. Экологическое обоснование допустимой степени регулирования речного стока. – Мн.: БелНИИНТИ, 1989.
  2.   Дубинина В.Г. Методологические основы экологического нормирования безвозвратного изъятия речного стока и установления экологического стока (попуска). – М.: Изд-во «Экономика и информатика», 2001.