Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Формирование неоднородностеи качества вод саратовского водохраниища 8
1.1. Физико-географические условия формирования качества вод 8
1.2. Антропогенная нагрузка и основные источники загрязнения Саратовского водохранилища 21
1.3. Пространственная неоднородность и временная изменчивость качества вод 28
Выводы по главе 1 56
ГЛАВА 2. Выбор математических моделей для описания движения воды и переноса примесей применительно к условиям водохранилища 57
2.1. Обоснование выбора используемых в расчетах моделей 57
2.2. Математическая модель гидродинамики 63
2.3. Математическая модель конвективно-диффузионного переноса примеси 69
Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Адаптация компьютерной модели саратовского водохранилища (GMRsar) 72
3.1. Определение коэффициента придонного трения 74
3.2. Определение коэффициента горизонтального турбулентного обмена 77
3.3. Идентификация коэффициента трения на твердых боковых границах 82
3.4. Расчет параметра аэродинамического сопротивления 84
3.5. Идентификация коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии 84
3.6. Верификация модели по данным натурных наблюдений 88
Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. Численное моделирование гидродина мического и гидрохимического режимов саратовского водохранилища 92
4.1. Моделирование гидродинамики и распространения загрязняющих веществ при суточной периодичности попусков воды на ГЭС 92
4.1.1. Разработка компьютерной модели Саратовского водохранилища (GMRsar) 93
4.1.2. Моделирование поля скоростей течения 100
4.1.3. Моделирование динамики распространения хлоридов 105
4.2. Моделирование распространения вод реки Сок на участке Саратовского водохранилища в районе водозабора г.Самара 115
4.2.1. Разработка компьютерной модели участка Саратовского водохранилища (LMRsar) 115
4.2.2. Идентификация параметров модели (LMRsar) и расчет распределения УЭП при суточном режиме попусков ГЭС... 117
4.2.3. Моделирование распределения сульфатов при суточно-недельном режиме попусков на ГЭС 127
Выводы по главе 4 129
Заключение 130
Литература 133
Приложение 1 149
Приложение 2 165
Приложение 3 187
- Антропогенная нагрузка и основные источники загрязнения Саратовского водохранилища
- Обоснование выбора используемых в расчетах моделей
- Определение коэффициента горизонтального турбулентного обмена
- Разработка компьютерной модели Саратовского водохранилища (GMRsar)
Введение к работе
Актуальность темы. Процессы урбанизации и рост масштабов хозяйственной деятельности в последнее время приводят к заметному ухудшению качества вод рек, озер и водохранилищ. В отличие от естественных природных водоемов, водохранилища являются сложными природно-техническими системами с неустановившимся гидродинамическим режимом, который определяет изменчивость пространственной структуры качества вод во времени. Интенсивные колебания скорости и разнонаправленность течений на водохранилищах, обусловленные режимом работы гидроэлектростанций, непосредственно влияют на процессы накопления и распространения в воде примесей, осложняя наблюдения и контроль экологического состояния природных вод. Особенно неблагоприятная обстановка складывается на акваториях водохранилищ в районах крупных промышленных городов, где формируются зоны загрязнения с повышенным содержанием в воде химических веществ.
При планировании ряда водохозяйственных мероприятий, особенно в питьевом водоснабжении, важное практическое значение имеет оценка и прогноз пространственно-временной изменчивости качества вод. Существующий в настоящее время традиционный способ проведения мониторинга на Саратовском водохранилище не позволяет достаточно эффективно отслеживать эти изменения в условиях постоянного регулирования стока. Поэтому, для успешного решения данной проблемы необходимо совместное применение, как целенаправленных наблюдений, так и методов численного моделирования.
Указанные обстоятельства обуславливают актуальность
сформулированной темы исследования, направленной на решение конкретных задач водопользователей и, в целом, на повышение эффективности эксплуатации Саратовского водохранилища.
5 .Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является оценка особенностей гидродинамического режима Саратовского водохранилища и его влияния на процессы формирования качества вод в условиях суточного и недельного регулирования стока. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. Провести натурные исследования, направленные на изучение особенностей гидродинамического режима и пространственно-временной изменчивости качества вод Саратовского водохранилища. .2. Создать разномасштабные компьютерные модели Саратовского водохранилища для численного моделирования качества вод в условиях неустановившегося режима.
Провести адаптацию построенных моделей к реальным условиям водохранилища по данным натурных измерений.
Провести эксперименты по численному моделированию влияния гидродинамического режима на процессы формирования качества вод на всем протяжении Саратовского водохранилища.
Методика исследований и материал наблюдений. Решение поставленных задач осуществлялось путем проведения экспедиционных наблюдений, организованных автором и выполненных при его непосредственном участии на Саратовском водохранилище в период 1993-2006 гг. Натурные исследования велись на судах "Наука" и "Биолог", оборудованных современной автоматизированной информационно-измерительной системой гидрохимического зондирования "Хитон" и системой спутниковой навигации GPS. На основе собранных данных проводилось детальное моделирование изучаемых процессов. Численные эксперименты на моделях осуществлялись на персональном компьютере IBM с использованием программ "CARDINAL" и "ВОЛНА", написанных на языке Pascal в системах Delphi и Kylix.
Научная новизна. Впервые на примере долинного водохранилища на основе совместно проведенных натурных наблюдений и численного моделирования выявлены следующие особенности гидродинамического режима и формирования качества вод:
Суточная изменчивость скорости и направления течения в зоне выклинивания подпора под влиянием режима сбросов ГЭС.
Цикличный водообмен на границе впадения боковых притоков в водохранилище.
Суточная изменчивость гидрохимических показателей качества воды в русловой части водохранилища в результате взаимодействия аккумуляционных вод поймы с руслом.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Определяющим фактором в формировании разномасштабных пространственных неоднородностей качества вод является суточный, недельный и сезонный режимы регулирования стока Саратовского водохранилища.
Особенности формирования качества вод для долинного водохранилища обусловлены режимом взаимодействия водных масс боковой приточности и поймы с основной водной массой водохранилища.
Разработана система иерархических моделей территориального и локального масштаба Саратовского водохранилища, позволяющая осуществить оценку и прогнозирование качества вод при типичных и чрезвычайных ситуациях.
Практическая значимость. Результаты, представленные в настоящей диссертации, нашли практическое применение в области природоохранных мероприятий, связанных с совершенствованием мониторинга качества вод и улучшением экологической ситуации на Саратовском водохранилище. Проведенные исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИЭВБ РАН в рамках программ, утвержденных
7 отделениями РАН (Влияние гидродинамических процессов на формирование качества вод водохранилищ; Совершенствование методологии экологического мониторинга на основе изучения структуры и динамики водных масс водохранилищ Средней и Нижней Волги), где нашли отражение результаты исследований автора. Данное направление работ поддержано в 2007 г. в рамках гранта РФФИ № 07-05-96608 «Разработка теории и методов локального мониторинга водных объектов».
Разработанные гидроэкологические модели Саратовского водохранилища использовались: при изучении экологического состояния водных объектов в бассейне Волги (Заказчик - ИВП РАН в рамках Федеральной Целевой Программы «Возрождение Волги»); при оценке влияния сточных вод г. Тольятти на качество вод Саратовского водохранилища в районе питьевого водозабора НФС-2 г. Самара (заказчики -Администрации г. Самары и г. Тольятти); при прогнозировании изменения качества воды Саратовского водохранилища в районе питьевого водозабора г. Самара при возникновении возможных неблагоприятных условий или чрезвычайных ситуаций (заказчик - СамНЦ РАН в рамках Федеральной Целевой Программы «Интеграция науки высшего образования России на 2002-2006 гг.»). В настоящее время модели используются в ИЭВБ РАН для оценки и прогнозирования качества вод при возникновении аварийных и чрезвычайных ситуаций.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации представлены на III Международном конгрессе «Вода: экология и технология» (Москва, 1998); Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек» (Тольятти, 1998, 2003); IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей" (Москва, 1994). По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 129 страницах.
Антропогенная нагрузка и основные источники загрязнения Саратовского водохранилища
Исследованиям пространственно-временной неоднородности качества вод различных водных объектов всегда уделялось большое внимание [29, 36, 37, 38, 43, 44, 45, 51, 53, 68, 76, 103, 113, 120, 129, 138, 152]. Изучение качества воды Саратовского водохранилища началось с момента его создания [26]. Наблюдения за гидрохимическим режимом осуществлялись главным образом на опорных пунктах водохранилища и путем экспедиционных выездов в безледоставный период по следующим основным показателям: 1) главнейших ионов (Са2+, Mg2+, Na+ + К+, НСОз", SCV" СІ"); 2) физических свойств воды (температура, рН, цвет, прозрачность); 3) биогенных элементов (МЭз", NO2", Р, Si, F); 4) органических веществ по перманганатной и бихроматной окисляемости, цветности воды; 5) растворенных в воде кислорода и углекислого газа. При изучении пространственно-временной изменчивости качества вод на акватории водохранилища намечались створы наблюдений, по которым определялось влияние источников загрязнения на формирование качества вод. В этих створах осуществлялось зондирование вод по ширине и глубине водоема при помощи информационно-измерительной системы «Хитон», устанавливаемой на борту судна. В качестве критериев неоднородности вод Саратовского водохранилища были выбраны температура и электропроводность воды, с помощью которых легко можно выделять даже небольшие изменения химического состава воды в водной массе водоема в районах сброса сточных вод и устьевых участках рек. Обнаруженные при зондировании неоднородности природного и антропогенного происхождения в дальнейшем идентифицировались на основе химического анализа воды.
Пространственная неоднородность. Как показывают различные исследования [15, 16, 41, 42, 85, 128, 129, 130, 131], пространственная неоднородность является характерной особенностью водохранилищ, которая связана с влиянием диффузных и точечных источников загрязнения различного происхождения. Так, на водохранилище могут наблюдаться генетически разнородные водные массы крупного, среднего и мелкого масштаба. Крупномасштабная неоднородность в основном охватывает целиком водоем, как, например, воздействие реки Камы на Куйбышевском водохранилище. Из-за отсутствия больших притоков на Саратовском водохранилище крупномасштабные неоднородности могут наблюдаться только в период весеннего половодья. Средне- и мелкомасштабные неоднородности качества вод свойственны всем водохранилищам и наблюдаются в районах впадения средних и малых рек и в местах сброса сточных вод. В таких районах формируются смешанные водные массы, качество которых существенно отличается от волжских вод по ионному составу [101].
Основной источник питания Саратовского водохранилища - сток из Куйбышевского водохранилища, поскольку больших боковых притоков Саратовское водохранилище не имеет. Следовательно, химический состав его воды должен быть близким к химическому составу воды приплотинной части Куйбышевского водохранилища.
Для изучения пространственной неоднородности качества воды на Саратовском водохранилище проводились регулярные экспедиционные исследования при непосредственном участии автора в период 1993-2004 гг., и которые осуществлялись в основном на экспедиционных суднах «Наука» и «Биолог» ИЭВБ РАН. Проанализируем пространственную неоднородность качества вод по результатам экспедиции, проходившей в период с 24 по 27 июля 1996 г. На рис. 1.9 представлена схема расположения створов и вертикалей зондирования с помощью ИИС «Хитон» и отбора проб воды на традиционный химический анализ. По результатам проведенной съемки УЭП поверхностного слоя воды отчетливо выделяются неоднородности, вызванные воздействием на водохранилище стока рек Сок, Самара и Чапаевка. Это воздействие наблюдается не постоянно и имеет колебательный характер с суточной периодичностью.
Так, в створе III видно увеличение УЭП как у левого, так и у правого берегов. Причем, разница между максимальной и минимальной УЭП у левого берега достигает 40 мкСм/см и вызвана влиянием р. Сок, а у правого -составляет 20 мкСм/см, что может быть связано с разгрузкой в водохранилище более минерализованных грунтовых вод и влиянием склонового стока. В русловой части водохранилища УЭП воды в поверхностном слое ниже, чем у левого и правого берега на 5-Ю % (18-39 мкСм/см), хотя в часы максимального стока реки Сок эта разница может быть выше.
В створах IV и V наблюдается похожая картина. Максимальная неоднородность по УЭП в створе IV составляет 155 мкСм/см и вызвана влиянием стока реки Самара на левом берегу. УЭП левобережных водных масс по сравнению с русловыми выше на 39 %(155 мкСм/см). В створе V, ниже впадения р. Чапаевка, неоднородность составляет 35 мкСм/см. Во всех трех створах зафиксированы незначительные изменения температуры воды. Особый интерес представляет распределение Т и УЭП в X створе, расположенном на приплотинной части Саратовского водохранилища. Здесь наблюдаются неоднородность по УЭП при высоких градиентах температуры воды.
Обоснование выбора используемых в расчетах моделей
В настоящее время большое количество подходов к созданию математических моделей движения воды и примесей базируются на известных уравнениях гидродинамики, переноса и трансформации вещества, тепла, растворенного кислорода и др. В зависимости от возникающих инженерных и научных задач используют математические модели, основанные на различных исходных предпосылках, описывающие процессы с различной степенью детализации, - одномерные, двумерные и трехмерные модели. Наиболее широкое применение нашли математические модели трех типов стохастические, концептуальные и гидродинамические [34, 60, 96, 127]. Поэтому выбор математической модели, которая с требуемой степенью детализации будет описывать сложные процессы движения воды и распространения примесей исследуемого в этой работе Саратовского водохранилища, и которая позволит с допустимой погрешностью провести оценку качество воды, - задача не совсем простая, как может показаться на первый взгляд. Исходя из поставленных целей исследования, в данной работе будем рассматривать модели гидродинамического типа.
В одномерных моделях движения воды и переноса примесей в качестве исходных обычно используют уравнения Сен-Венана и турбулентной диффузии. В них принимаются усредненные по сечению реки характеристики скорости течения и концентрации загрязняющих веществ. При этом они широко применяются для расчета движения воды и переноса примесей в водных объектах даже сложных водохозяйственных систем. Однако методики расчета параметров уравнений - модули расхода, коэффициента дисперсии и др. - разработаны недостаточно, особенно применительно к водотокам, имеющим неправильную форму сечения, неоднородную в пространстве и времени шероховатость [96]. Модели этого класса описаны, например, [6, 33, 34, 39, 49, 60, 61, 62, 96, 105, 114, 125, 127]. Основным недостатком одномерных моделей является недостаточно полное описание физических процессов. Они не позволяют учитывать возникновение нетранзитных зон отдельных закустаренных и залесенных пойм, где вода практически не движется, а также не учитывают существенную неоднородность полей скоростей на поймах, что приводит к ограничениям возможностей моделирования паводков, половодий, особенно в экстремальных ситуациях. Опыт создания двумерных гидродинамических моделей весьма обширен. Они используются для решения, как плановых задач гидродинамики и переноса примесей в реках [3, 12, 48, 71, 78, 79, 86, 111, 124], в озерах [2, 35, 47, 55, 87, 115, 116, 136,151], в водохранилищах [6, 7, 8, 31, 62, 67, 69, 70, 132], в заливах, морях и океанах [22, 59, 73, 88, 100, 142], так и в вертикальной плоскости, например, для расчета глубоких озер [153]. В общем случае двумерное течение вязкой несжимаемой жидкости описывается уравнениями Навье-Стокса. Обычно для построения плановых моделей неустановившегося движения воды в неглубоких водоемах широко применяются уравнения длинноволновой динамики (уравнения "мелкой воды") [9, 24, 106]. Эти уравнения следуют из предположения, что горизонтальный масштаб движения много больше вертикального. Для расчета распространения примеси используется двумерное уравнение турбулентной диффузии. Из-за сложности получения больших объемов детальной и точной исходной информации для построения двумерной модели большой протяженности неизбежно возникают погрешности в определении гидрологических характеристик. Поэтому лучшие результаты получаются на локальных участках моделирования. На основе программных пакетов "CARDINAL" и "ВОЛНА" применительно к водохранилищам Волжско-Камского каскада, автором были созданы двухмерные плановые модели и проведены расчеты на акваториях различной протяженности [91, 92, 93, 94, 95,102].
В настоящее время на водохранилищах Волги предлагается использовать одно - двухмерную модель, разработанную совместно учеными Германии, Франции и России применительно к зарегулированным рекам с каскадами гидроузлов. Модель успешно используется в практике эксплуатации 22 гидроузлов р. Рейн.
Трехмерные модели рассматривают трехмерное поле течений и концентрации загрязняющих веществ. Однако такие модели пока еще сложны в реализации и кроме того, еще мало наблюдаемых данных о трехмерной структуре течений, необходимых для адаптации и верификации модели [4, 19, 22, 27,32, 46, 118, 119, 121, 123, 148].
Стремительное развитие гидродинамического моделирования началось с середины прошлого века в результате появления компьютерной техники и совершенствования методов вычислительной гидродинамики. Первое поколение моделей представляло собой программы, заменившие ручной счет. Следующее поколение моделей создавались для решения конкретной задачи. Если требовалось изменить задачу или решить новую, то изменяли код программы. Модели третьего поколения представляли собой уже более универсальные программы, с помощью которых стало возможным выполнять расчеты по различным водным объектам, не меняя код программы.
Начиная со второй половины 80-ых годов стали разрабатываться моделирующие системы четвертого поколения, предназначенные для широкого круга пользователей и решения разнообразных задач. Такие системы оснащены развитым пользовательским интерфейсом и могут включать в себя, как блоки расчета гидродинамики, так и блоки качества воды, ввода данных наблюдений, статистической обработки результатов и т.д.
Определение коэффициента горизонтального турбулентного обмена
В последнее время существует множество разработанных математических моделей, позволяющих описывать широкий диапазон гидроэкологических явлений. При этом всегда встает проблема соответствия (истинности) модели или гипотезы, принятой при построении модели процессам, наблюдаемым в реальных водных объектах. Хорошая согласованность результатов моделирования с натурными данными зависит от уровня изученности моделируемых явлений, надежности, полноты и способа представления данных натурных наблюдений (период осреднения и способы фильтрации).
Трудности адаптации моделей состоят в отсутствии строгой индуктивной логики доказательства истинности модели (гипотезы). Поэтому любой процесс верификации зависит от четкого представления о том, что данная модель описывает и что получается в ходе натурных экспериментов, т.е. знание закономерностей, в частности, исследуемых нами динамических процессов, полученное в результате анализа многолетних натурных наблюдений путем изучения оценок вероятностных характеристик течений при разном комплексе условий, позволяет обосновать выбор периода осреднения данных и методов фильтрации определенных видов движений [115, 89].
Важной и совершенно необходимой частью математического моделирования процессов движения и загрязнения вод является задание коэффициентов уравнений, характеризующих гидродинамические, биохимические и др. параметры водоемов. Погрешность результатов математического моделирования неустановившегося движения воды и примесей в значительной мере зависит от правильного определения параметров модели. Определение большинства из них вызывает значительные трудности, обусловленные, прежде всего, сложностью и недостаточной изученностью представляемых ими характеристик. Как отмечает В.П. Рогунович [96], для определения параметров уравнений отсутствует столь проверенный и совершенный аппарат математической физики и численного анализа, поскольку гидравлика, несмотря на многовековую историю, из-за сложности изучаемых процессов не имеет применительно к расчету большинства параметров сложившейся системы бесспорных утверждений, из которых в качестве следствий можно было бы определять основные параметры. Поэтому существуют многочисленные подходы определения одних и тех же важнейших характеристик, причем результаты вычислений по различным методам различаются существенно, а оценки их достоверности, как правило, отсутствуют.
В методах определения задаваемых параметров уравнений можно выделить аксиоматические и полуэмпирические подходы, разработанные на базе аксиом-постулатов, схематизирующих сложные явления, а также методы идентификации, т.е. определения значения параметров с использованием самой модели процесса [5, 40, 50, 60, 84, 96, 97, 99, 107, 147]. В своей работе [54] Н.А. Картвелишвили отмечает, что влияние на результаты математического моделирования множества факторов можно учесть, изменяя коэффициенты уравнений. Поскольку внести соответствующие коррективы в коэффициенты уравнений расчетным путем, очевидно, нельзя, то остается только один путь -экспериментальный, путем определения этих коэффициентов на основании непосредственных замеров характеристик какого-либо определенного неустановившегося режима в натуре. Таким образом, по измеренным характеристикам и модели процесса можно определить задаваемые параметры, причем, при таком способе влияние существующих факторов на обобщенные характеристики учитывается автоматически.
Определение параметров модели Саратовского водохранилища осуществлялось на отдельных его участках в районе сброса сточных вод г. Тольятти, в районе впадения п. Зольное и в районе п. Печерск (рис. 3.1). В качестве параметров, входящих в уравнения моделей (2.8 - 2.13) задавались следующие коэффициенты: 1. ґдно - коэффициент придонного трения, используемый для параметризации силы трения донной поверхности. 2. f6oK - коэффициент бокового трения, используемый для параметризации силы трения на твердых боковых границах. 3. KL - коэффициент горизонтального турбулентного обмена, используемый для параметризации турбулентности в вихрях, меньших масштабов сетки. 4. са - коэффициент аэродинамического сопротивления водной поверхности, связывающий касательное напряжение на поверхности воды со скоростью ветра w. 5. Е - коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии, используемый для параметризации диффузионного рассеивания примеси.
Разработка компьютерной модели Саратовского водохранилища (GMRsar)
В следующем случае моделировался типичный суточно-недельный динамический режим попусков на ГЭС для летне-осеннего периода. Как уже отмечалось ранее, особое значение в отслеживании изменений качества вод в реках и водохранилищах в связи с антропогенным воздействием имеют гидрохимические данные по группе главных ионов. Изменение их концентраций является одним из признаков загрязнения рек, так как сточные воды промышленности, коммунального и сельского хозяйства отличаются повышенным содержанием сульфатов (S042 ), хлоридов (СҐ), натрия (Na+), магния (Mg2+) [12]. Поэтому, в качестве гидрохимического показателя в моделировании антропогенного влияния реки Сок на Саратовское водохранилище был выбран показатель по сульфатам (S042 ), содержание которого в реке Сок в 6 - 7 раз превышает его содержание в Волге.
Так, на открытой границе Саратовского водохранилища возле острова Ширяевский задавался суточный ход расхода воды Q = Q(t), полученный на модели GMRsar при недельном режиме попусков ГЭС с временным шагом в 30 минут. Фоновая концентрация на этом входящем створе задавалась постоянной и равной 70 мг/л. С восточной части расчетной области задавался постоянный расход воды реки Сок равный 15 м3/с и концентрацией сульфатов 450 мг/л. На замыкающем створе модельного участка с южной его части задавалась открытая граница по типу излучения, через которую волны беспрепятственно уходят за пределы расчетной области.
Модельный расчет проводился для недельного периода (7 дней), начиная с выходного дня (воскресенье), когда попуски ГЭС на водохранилище минимальные. В качестве начального условия для расчета задавалось поле скоростей, рассчитанное для малых установившихся расходов на водохранилище.
Результаты расчетов показаны на рис. 4.29. Как видно из графика, повышение концентрации SO42- в створе водозабора г. Самара в течение недели имеет суточную периодичность. Максимальные всплески концентрации приходятся на 20-22 часа и составляют 80-83 мг/л, превышая фоновые значения на 18-19 %. В течение суток в субботу концентрация S04 не повышается и равна фоновому значению 70-73 мг/л. Самое продолжительное превышение концентрации SO42"" прослеживается в воскресенье с 0 часов, постепенно снижаясь к понедельнику. Расчетные расход воды и концентрация SO42" в 200 метрах от левого берега в створе ВДЗ г. Самара Таким образом, выполненные расчеты показывают, что водозабор г. Самара испытывает влияние реки Сок, связанное с суточно-недельным гидродинамическим режимом Саратовского водохранилища. Повышение концентрации загрязняющих веществ в рабочие дни недели приходится как раз на фазу максимальных расходов. В выходные дни превышение концентрации загрязняющих веществ приходится на воскресенье, тогда как в течение субботы увеличение концентрации не прослеживается. 129 Выводы по главе 4 Разработанная система иерархических компьютерных моделей территориального (GMRsar) и локального (LMRsar) масштаба Саратовского водохранилища позволила количественно оценить пространственно-временную изменчивость по выбранным показателям качества воды. В результате выполненных расчетов получены следующие результаты: 1. Проведено численное моделирование распространения хлоридов на обширной акватории верхней части Саратовского водохранилища при типичном суточном изменении расхода воды. Выявлены закономерности формирования зон повышенной концентрации хлоридов в соответствии с особенностями гидродинамического режима. 2. Проведен модельный расчет распределения УЭП воды на локальном участке в районе водозабора г. Самара в условиях сточной изменчивости гидродинамики водохранилища. Выполнена количественная оценка характерного превышения УЭП воды над фоновым значением в створе водозабора. 3. Выполнено прогнозирование изменения концентрации сульфатов в течение недели в створе водозабора г. Самара. Основные результаты исследования состоят в следующем: 1. На примере Саратовского водохранилища показаны основные гидродинамические факторы, влияющие на формирование качества вод в условиях суточно-недельного режима работы ГЭС. Проанализирован механизм возникновения обратных уклонов (в сторону ГЭС) и течений в центральной части водохранилища (переволокский плес), образующихся в результате аккумуляции и отдачи значительных объемов воды поймой в зависимости от фазы колебания уровня. Для зоны выклинивания подпора в районах боковых притоков водохранилища исследованы и определены гидродинамические особенности пространственной и временной изменчивости скорости и направления течения. 2. Изучена пространственная неоднородность качества воды на всем протяжении Саратовского водохранилища. В районе сброса сточных вод г. Жигулевск, г. Тольятти, п. Зольное, г. Самара, г. Сызрань и устьев притоков Сок, Самара, Чапаевка выявлены неоднородности различного масштаба. Показано, что мелкомасштабная неоднородность прослеживается в районах сброса сточных вод, мезо-масштабная наблюдается в районах впадения в водохранилище боковых притоков и макромасштабная неоднородность создается попусками Жигулевской ГЭС. 3. В работе рассмотрены многолетние, сезонные, недельные, суточные изменения качества вод и выполнена оценка антропогенной нагрузки Саратовского водохранилища. Показано, что после создания Куйбышевского и Саратовского водохранилища произошло внутригодовое распределение минерализации воды в водохранилище, и ионный сток в паводок значительно вырос. При этом, содержание в волжской воде химических элементов антропогенного происхождения по отдельным показателям достигает 4-79 %. 4. Установлено, что в отдельных районах Саратовского водохранилища (нижний и верхний бьефы ГЭС, русловые и пойменные участки, участки впадения боковых притоков и районы сброса сточных вод) формируются зоны с различной степенью изменчивости показателей качества воды. Определены закономерности изменения их границ и размеров в суточном и недельном диапазоне. На основе данных натурных наблюдений и компьютерного моделирования проведена количественная оценка интенсивности поступления и распространения загрязняющих веществ через боковые притоки в зависимости от колебания уровня воды на водохранилище. Показано, что при высоком стоянии уровня воды в дневные часы воздействие боковых притоков на водохранилище незначительно или вообще отсутствует, а в ночные часы и выходные дни оно резко возрастает с понижением уровня. Ярко выраженные неоднородности прослеживаются и в районах сброса сточных вод, динамика распространения которых определяется в основном направлением и скоростью существующего течения.
