Содержание к диссертации
Введение
1. Естественные и антропогенные изменения стока рек 8
1.1. Изменения стока рек, обусловленные природными факторами.. 8
1.2. Изменения стока рек, обусловленные антропогенными факторами 13
1.3. Методы оценки изменений стока рек 15
2. Физико-географическая и хозяйственная характеристика бассейна Верхнего Амура 23
2.1. Рельеф и геология 23
2.2. Климат 25
2.3. Гидрография, водный режим и питание рек 35
2.4. Почвы и растительность 40
2.5. Характеристика хозяйственной деятельности в бассейне Верхнего Амура 42
2.6. Выводы 52
3. Многолетние изменения стока рек бассейна верхнего Амура 54
3.1. Исходные данные 54
3.2. Средний годовой сток 58
3.3. Минимальный сток 65
3.4. Максимальный сток 70
Повторяемость наводнений на реках бассейна Верхнего Амура 71
3.5. Использование показателей стока в нормировании водопользования и технических расчетах 72
3.6. Выводы 74
4. Методика учета тенденций изменения стока 75
4.1. Учет различных факторов при оценке надежности водохозяйственных и водоохранных мероприятий 75
4.2. Определение расчетных параметров стока при нарушении однородности рядов 78
4.2.1. Методика учета произошедших изменений стока рек 78
4.2.2. Нормирование рядов годового стока рек Верхнего Амура 81
4.2.3. Нормирование рядов максимального стока рек Верхнего Амура .86
4.2.4. Нормирование рядов минимального стока рек Верхнего Амура 89
4.3 Определение расчетных параметров стока с учетом прогнозируемого тренда и сроков осуществления водохозяйственных мероприятий 92
4.3.1. Методика учета возможных тенденций изменения стока рек 92
4.3.2. Учет тенденций стока при определении расчетных характеристик максимального стока 94
4.4. Выводы з
5. Применение предлагаемых методик на примерах 99
5.1. Районирование территории бассейна Верхнего Амура 99
5.2. Учет тенденций изменения максимального стока при проектировании сооружений для защиты от наводнений 101
5.3. Учет тенденций изменения минимального стока при оценке воздействия на водные объекты сбросов сточных вод 105
5.4. Выводы 109
Заключение 110
Список литературы
- Изменения стока рек, обусловленные антропогенными факторами
- Гидрография, водный режим и питание рек
- Повторяемость наводнений на реках бассейна Верхнего Амура
- Нормирование рядов максимального стока рек Верхнего Амура
Изменения стока рек, обусловленные антропогенными факторами
Не маловажную роль в изменении речного стока играет хозяйственная деятельность, которая приводит не только к изменениям качества природных вод в результате их загрязнения, но и изменению общего количества водных ресурсов, распределения во времени и в пространстве стока за счет непосредственного потребления и преобразования условий их формирования.
Человек всегда использовал в своих целях водные объекты, но в течение длительного времени влияние его деятельности на водные ресурсы было очень незначительным и имело узкий локальный характер. Положение коренным образом изменилось с середины прошлого века в связи с интенсивным развитием производительных сил во всех сферах экономики.
В пределах речных водосборов на сток оказывает влияние множество факторов хозяйственной деятельности, главными из которых, с точки зрения воздействия на количественные характеристики речного стока, являются: русловое регулирование, орошаемое земледелие, промышленно-коммунальное и сельскохозяйственное водоснабжение, осушение болот и заболоченных земель, вырубка и посадка леса, агролесомелиоративные мероприятия, урбанизация, разработка карьеров и водоотлив из шахт, обвалование и выпрямление русел, выемка грунта из русел рек [Шикломанов, 1979; Леонов, 1984; Крестовский, 1986; Водогрецкий, 1990].
По характеру воздействия на водные ресурсы и гидрологический режим все факторы хозяйственной деятельности могут быть объединены в следующие пять групп [Шикломанов, 1989].
1. Факторы, непосредственно связанные с заборами воды из русловой сети, использованием этих вод потребителями и сбросами использованных вод снова в водные объекты. К этой группе относятся водопотребление на нужды коммунального хозяйства, промышленности, теплоэнергетики, сельскохозяйственного водоснабжения, транспорта и др.
2. Факторы хозяйственной деятельности, связанные с преобразованиями в русловой сети бассейна: создание и эксплуатация водохранилищ и прудов, обвалование и выпрямление русел, выемки грунта из русел рек.
3. Факторы хозяйственной деятельности, связанные с преобразованием поверхности водосбора и изменяющие испарение и условия формирования стока на водосборе, сюда относятся агролесомелиоративные мероприятия, использование лугов под пастбища, осушение болот, вырубка леса и лесовосстановление, урбанизация.
4. Факторы хозяйственной деятельности, оказывающие влияние на сток как в результате водозаборов из русловой сети, так и путем преобразования поверхности водосбора - орошение, эксплуатация подземных вод и др.
5. Факторы хозяйственной деятельности, влияющие на водный баланс, водные ресурсы и гидрологический режим посредством общих метеорологических и климатических характеристик. Эти изменения обусловлены разными физическими процессами и включают в себя изменения регионального климата и метеоусловий в результате воздействия на растительный покров, развитие урбанизации, сооружение водохранилищ; возможные изменения глобального климата и влагооборота; влияние на состав атмосферы.
В пределах одного бассейна одновременно действуют многие из перечисленных выше видов хозяйственной деятельности, относящиеся к различным группам, которые могут оказывать различное влияние на водный режим в зависимости от естественных циклических колебаний гидрометеорологических элементов, от характера использования вод, от местных физико-географических условий и факторов подстилающей поверхности (таблица 1.1).
Методы оценки изменений стока рек Практика инженерно-гидрологических расчетов при проектировании гидротехнических сооружений, планировки и застройки населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также при разработке мероприятий по борьбе с наводнениями вызывает необходимость оценки происходящих изменений расчетных гидрологических характеристик, во многом определяющих стоимость и экономическую целесообразность тех или иных мероприятий, связанных с использованием рек.
Все методы, применяемые для исследовательских целей и в гидрологической практике для оценки и прогноза изменений речного стока могут быть объединены в следующие группы: 1) статистические методы, основанные на исследованиях многолетних колебаний изучаемых характеристик стока совместно с динамикой развития хозяйственной деятельности в бассейнах; 2) методы математического моделирования; 3) методы физического моделирования; 4) методы активного эксперимента.
Гидрография, водный режим и питание рек
Реки исследуемого района принадлежат бассейну Верхнего Амура. Для территории бассейна характерно северо-восточное и широтное простирание горных хребтов; кулисообразное их расположение предопределило преобладание больших продольных долин, в которых сформировались реки: Чита, Ингода, Унда, Борзя, Онон, Шилка и др.
Верхняя часть бассейна р. Амура имеет хорошо развитую речную сеть. Общая длина рек около 300 тыс. км, средняя величина густоты речной сети равна 0,5 км/км2. На преобладающей части территории норма годового стока равна 3-8 л/(скм2). Малой водностью отличаются реки Приононской равнины, где модуль стока менее 2 л/(скм ). [Водные ресурсы.., 1985; Атлас, 1997].
Тип водного режима рек региона классифицируется как дальневосточный. Для него характерно низкое весеннее половодье дождевого происхождения, имеющий гребенчатый вид, низкий вплоть до полного истощения грунтовый сток, промерзание многих рек зимой. Суровый климат и наличие ММП определяют своеобразие режима вод территории. При полной непроницаемости мерзлых грунтов, малых потерях на инфильтрацию и испарение, поверхностный сток здесь сравнительно велик, коэффициенты стока составляют 0,6-0,8. Мерзлота является причиной слабого питания рек грунтовыми водами и широкого распространения явления перемерзання, образование наледей. На территории бассейна до 80% годового стока рек составляют дождевые воды, от 5 до 14 % - талые снеговые. Грунтовое питание в условиях многолетней мерзлоты скудное и составляет лишь 10-12 % от общего годового стока [Водные ресурсы.., 1998].
Максимальный сток на реках бассейна Верхнего Амура формируется в летний период. Высокие дождевые паводки обусловлены следующими факторами. Во-первых, для данной территории характерны дожди значительной продолжительности и интенсивности с большим суточным количеством осадков (50 мм и более), связанные с прохождением циклонов. Во-вторых, горный характер рельефа и многолетняя мерзлота обусловливают высокие значения коэффициента стока [Алексеев, 1955; Быстров, 1971]. В результате на большинстве рек наблюдается очень быстрый подъем воды, достигающий 1,5 -3 м в сутки. Наиболее высокие уровни и расходы характерны для июля или августа. Паводки на реках часто приобретают характер разрушительных наводнений, приводящих к затоплению сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов [Чечель, 1985].
Таким образом, своеобразие режима рек исследуемой территории характеризуется тем, что зимний сток редко превышает 5 % и может отсутствовать в течение нескольких месяцев. С другой стороны, ярко выражено преобладание стока в теплую часть года, когда проходит до 80 % годового стока рек.
Изменчивость годового стока рек исследуемой территории достаточно велика: в многоводные годы сток в 2-5 раз превышает сток маловодных лет. Типичные значения коэффициента вариации годового стока Cv = 0,2 - 0,5 [Воскресенский, 1962; Атлас, 1967; Евстигнеев, 1968]. Изменчивость годового стока обусловлена климатическими условиями - температурой воздуха и количеством осадков [Дроздов, Григорьева, 1971], условиями формирования стока. Смена маловодных периодов многоводными на большинстве значительных рек происходит практически одновременно [Афанасьев, 1967; Тихоцкий, 1968].
В рассматриваемом районе можно выделить четыре крупных речных системы: Ингоды, Онона, Аргуни и Шилки.
Бассейн Ингоды. Рассматриваемая система охватывает бассейн от истока Ингоды до слияния с Ононом. Бассейн р. Ингоды занимает юго-западную часть Читинской области. Площадь водосбора - 37200 км2. Река Ингода является левой составляющей р. Шилки, берет начало с северозападных склонов хребта Черского и протекает в горной местности, ее длина составляет 708 км. В верхнем течении Ингода имеет горный характер, в среднем и нижнем течениях река протекает в Ингодинской котловине, расположенной между хребтами Яблоновым и Черского, ее дно находится на высоте примерно 600 - 800 м.
Климатические показатели в бассейне р. Ингоды характеризуются значительными контрастами. Основными особенностями климата рассматриваемой территории являются большая амплитуда колебаний среднесуточных и сезонных температур воздуха, значительная его сухость, неравномерное внутригодовое распределение количества атмосферных осадков, холодная продолжительная и малоснежная зима. Основным источником питания рек бассейна Ингоды, к которому относятся Танга, Джила, Чита, Оленгуй, Тура, Кручина и др. являются дождевые воды, грунтовые и талые снеговые воды имеют второстепенное значение. В связи с этим водный режим характеризуется высокими уровнями воды в период прохождения паводков (чаще во второй половине лета) и прекращением стока в зимний период вследствие промерзания рек.
Основными притоками р. Ингоды являются: Танга, Джила, Чита, Кручина, Аленгуй, Тура и др. Бассейн Онона расположен в юго-восточных степных районах территории области. Район характеризуется бедной гидрографической сетью. Коэффициент густоты речной сети составляет 0,1-0,2 км/км2, средние многолетние модули стока изменяются от 0,1 до 1 л/(скм2). Среднемноголетние осадки составляют в среднем 320 мм. Очень большое испарение (300 мм в год), обусловленное сухостью климата, определяет малый речной сток. По условиям увлажнения атмосферными осадками и режиму рек район относится к сухой зоне и области незначительного речного стока. Реки этого бассейна отличаются высокой минерализацией воды (до 500 мг / л) [Ресурсы поверх, вод.., 1966].
Повторяемость наводнений на реках бассейна Верхнего Амура
Наименьшие летние расходы воды на реках бассейна могут наблюдаться в любой месяц, но чаще всего они бывают в июне или июле. Продолжительность периодов с малыми расходами воды невелики. Полное отсутствие стока за время открытого русла - редкое явление. Оно наблюдается лишь у малых водотоков, протекающих в степных районах Забайкалья, площадь водосборов которых, как правило, не превышают 4000 км . Так, р. Борзя у г. Борзя за весь период наблюдений пересыхала летом в 5 случаях, причем длительность безводного периода составляла от 6 до 114 дней.
После установления ледостава, происходящего обычно при относительно небольших расходов воды, сток на реках бассейна начинает быстро уменьшаться и в ноябре-декабре достигает наименьших значений за год или прекращается совсем. Прекращение стока отмечается у рек с площадями водосборов менее 5000 км вследствие полного промерзания воды в них. На средних и больших реках, промерзающих только на перекатах, сток может быть в течение всей зимы на более глубоководных участках реки и в толще аллювия, слагающего ложе потока.
Так как минимальный сток имеет определяющее значение при разработке мероприятий по упорядочению использования и охраны водных ресурсов и является наиболее чувствительным к влиянию антропогенной деятельности, то определенный интерес вызывает выявление изменений минимальных расходов, вызванных хозяйственной деятельностью Анализ многолетних наблюдений на исследуемых реках для определения влияния комплекса факторов хозяйственной деятельности на сток рек производился следующими способами:
1) построение интегральных кривых стока вида gj = f (t) и стокоопределяющих факторов (осадков, температуры воздуха); зависимость между стоком и осадками для рек исследуемой территории достаточно тесная (коэффициент корреляции г = 0,60 -ь 0,80);
2) сравнение стока, осадков, температуры воздуха с анализом хозяйственной деятельности.
Сопоставление многолетних колебаний минимального стока и стокоопределяющих факторов в створах большинства исследуемых рек с использованием первого и второго способов не позволил утверждать, что существующие изменения стока, наблюдающиеся в последние годы, произошли в результате хозяйственной деятельности. Незначительное одностороннее отклонение точек от линии связи на интегральных кривых стока, можно объяснить изменением осадков, температуры воздуха.
На реке Чита выявлены изменения стока в результате хозяйственной деятельности. Так, началом антропогенных количественных изменений стока р. Чита можно ориентировочно считать 1965 г., что связано с изъятием воды на промышленные и коммунально-хозяйственные нужды г. Читы, созданием оросительных систем с 1967г., массовым строительством дачных кооперативов в пойме реки в этот же период. Для объективного определения начала антропогенного изменения стока р. Чита применялись интегральные кривые минимального стока и осадков (рис. 3.7) [Зима, 2001]. 400 т
Наибольшие количественные изменения стока р. Читы связаны с орошением сельскохозяйственных земель бывших совхозов: «Верх-Читинский», «Шишкинский» и «Маяк», площадью около 2200 га. К началу 80-х гг. ситуация на реке нормализовалась в результате повышения водности, связанной с изменениями климата.
По другим пунктам наблюдений изменения минимального стока не обнаружены, вследствие того, что в работе не анализировались ряды наблюдений по малым рекам бассейна, т.к. наблюдения на большинстве из них прекращены с начала 90-х гг.
В целом можно отметить, что антропогенная деятельность, проводимая на водосборах исследуемых рек бассейна Верхнего Амура, приводит также к изменению качества природных вод. Анализ отчетов предприятий области об использовании и охране вод показывает, что наибольшую антропогенную нагрузку испытывают реки Ингода, Чита, Шилка, Амазар, Онон, Унда, Аргунь и др. Реки имеют III - IV классы качества вод (умеренно загрязненные - загрязненные).
Река Ингода наиболее загрязнена на участке от г. Читы до с. Красноярово, источниками загрязнения являются Читинские городские очистные сооружения, очистные сооружения «Читаавиа», Забайкальской птицефабрики, ст. Атамановка, Дарасунский завод горного оборудования, Забайкальский ГОК. Река Шилка загрязняется на участке от г. Сретенска до гидропоста Часовая, сбросами недостаточно очищенных сточных вод г. Шилки, Сретенского судостроительного завода, ст. Приисковой, нефтепродуктами в результате нарушения норм и правил сооружения и эксплуатации складов ГСМ предприятиями железной дороги, АО «Забайкалзолото». Река Чита наиболее загрязнена на приустьевом участке, ниже сброса сточных вод очистных сооружений г. Читы. Как наиболее загруженный водный объект области, р. Чита занесена в приоритетный список водных объектов, требующих первоочередного осуществления водоохранных мероприятий [Зима, 2000].
В многолетних изменениях минимального стока рек бассейна Верхнего Амура проявляется тенденция к его увеличению (рис. 3.8), линейный тренд статистически достоверен при 5%-ном уровне значимости. Возможной причиной происходящих изменений водного режима рек являются климатические изменения исследуемой территории [Зима, 2001].
Нормирование рядов максимального стока рек Верхнего Амура
Одним из отрицательных последствий увеличения стока рек вследствие антропогенного изменения климата являются участившиеся наводнения, приводящие к затоплению сельскохозяйственных угодий, территорий населенных пунктов, разрушению мостов, дорог и пр.
Наводнения являются наиболее распространенными стихийными бедствиями в Читинской области и происходят практически ежегодно в тех или иных ее районах. Главной причиной наводнений Читинской области являются летне-осенние паводки, возникающие в результате усиления циклонической деятельности, которая обусловливает выпадение осадков ливневого или обложного типа. Максимум осадков приходится на коней июля - начало августа. В табл. 5.2. представлены сведения о максимальных уровнях воды в пунктах наблюдений, в которых отмечалось затопление поймы на 2 и более метра. Эти данные свидетельствует, что максимальные уровни воды за период наблюдений приурочены преимущественно к периоду летне-осенних паводков.
Периодически отдельные районы г. Читы, расположенные в пойме р. Читы подвергаются затоплению. Для постоянной защиты от затопления городских и промышленных территорий наиболее часто применяют незатопляемые дамбы. Дамбы обвалования - несложные сооружения высотой 2...6 м из местного грунта (при возможности выбора предпочтение
Высоту и расчетную отметку гребня незатопляемых дамб принимают на основе гидравлических расчетов, исходя из отметки паводкового уровня расчетной обеспеченности в обвалованном русле; последний повышают на высоту наката ветровой волны на откос дамбы и высоту ветрового нагона воды [Маслов, Минаев, 1989]. Сверх того, добавляют еще конструктивный запас. Отметку гребня дамб (Нд, м) определяют по формуле где Н п - максимальный уровень воды в расчетном створе расчетной обеспеченности; Н н - высота наката ветровой волны, Н в - высота ветрового нагона воды, а - конструктивный запас.
Превышение гребня водоподпорных защитных сооружений над расчетным уровнем воды следует назначать в зависимости от класса защитных сооружений и с учетом требований СНиП 2.06.05-84. При этом следует учитывать возможность повышения уровня воды за счет стеснения водотока защитными сооружениями. Вероятность превышения расчетного уровня воды устанавливается от класса защитных сооружений и особенностей (площадь, назначение) защищаемых территорий.
Охарактеризованная методика не учитывает произошедших изменений гидрологических рядов и поэтому в ряде случаев дает заниженные значения высоты дамб, а, следовательно, - и надежности систем инженерной защиты от наводнений. Примером такой ситуации может служить система защиты от наводнений территории Б. Острова г. Читы.
Нормирование ряда максимальных расходов воды р. Чита по методике, изложенной в п. 4.2.1. показало, что расчетный расход 1%-ной обеспеченности, занижен на 91,5 м 3/с. Кроме того, пример, представленный в п. 4.3.2. свидетельствует о том, что при назначении срока ближайшей реконструкции через 20 лет необходимо дополнительно ввести поправку 32 м3/с. Таким образом, принятый при проектировании расход соответствует реально 3% -ной обеспеченности (приложение 3). Расчет, выполненный с использованием программы «Расчет морфоствора» (приложение 5) показал, что расчетный уровень занижен на 0,25 м. Строительство дамб без учета произошедших изменений стока значительно занижает надежность сооружений.
Жилищный фонд микрорайона Большого Острова г. Читы состоит из кирпичных и каменных 5-10 этажных строений. Общая площадь жилищного фонда составляет 210000 кв. м с рыночной стоимостью около 1,26 млрд. руб.
Таким образом, ущерб при однократном затоплении микрорайона составляет 1,26-0,02 = 25200000 руб. А среднегодовой предотвращаемый ущерб за счет повышения надежности сооружений района Большого Острова г. Читы: у = У (3%-1%)/100% = 0,02У, т.е. 2% от ущерба при однократном затоплении, что составляет 25200000-0,02 = 504000 руб/год.
Учет тенденций изменения минимального стока при оценке воздействия на водные объекты сбросов сточных вод
При планировании водохозяйственных мероприятий учет качества воды имеет, как правило, не меньшее значение, чем количественная оценка ее ресурсов. Это обусловлено тем, что вследствие развития промышленности, урбанизации обширных территорий и др. происходят изменения состава водных масс рек под влиянием сточных вод, содержащих различные минеральные и органические вещества.
Требования, предъявляемые к качеству водных ресурсов разными водопотребителями, различны и нередко противоречивы. Поэтому большое значение имеет нормирование качества воды. В настоящее время общепринятым является такой подход к нормированию, при котором устанавливаются требования не к составу самих сточных вод, а к качеству воды рек и водоемов в местах водопользования. Для водных объектов питьевого, санитарно-бытового и рыбохозяйственного значения установлены общегосударственные нормативы, включающие требования к качеству воды и состоящие из нескольких показателей физического состояния, химического и бактериального состава, и списка предельно допустимых концентраций (ПДК) для вредных веществ (табл. 5.3) [Караушев, 1987]. Списки постоянно обновляются с тем, чтобы охватить едиными нормативами по возможности большее количество веществ, сбрасываемых в природные объекты. При установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) необходимым условием для определения кратности разбавления сбрасываемых вод водой водотока является минимальный среднемесячный расход воды 95% -ной обеспеченности. При проектировании сбросов сточных вод целесообразно пользоваться кривыми вероятности превышения среднемесячных расходов, построенными по данным многолетних наблюдений для рассматриваемой реки или же осредненными кривыми для групп рек определенного типа.
Нормирование рядов рек по предложенной выше методике привело к увеличению минимальных среднемесячных расходов воды и изменению кривой обеспеченности (приложение 7).
Пример расчета ПДС в р. Чита выполнен с помощью программы «Зеркало», предназначенной для оценки количественных характеристик показателей химического состава воды водотоков выпусков сточных вод. При расчете ПДС расчетный расход сбрасываемых предприятием сточных вод равен 170,5 м / час, выпуск сосредоточенный, круглого сечения (диаметр 0,4 м), незаглубленный. Данные по расчету ПДС с учетом поправочных коэффициентов приведены в таблице 5.4.
Для веществ, концентрация которых не превышает предельно допустимые нормы [Правила...,1990], применение предлагаемой методики нормирования приводит к увеличению объемов предельно допустимого сброса. Для веществ же, концентрация которых близка к ПДК, предельно допустимый сброс практически не изменяется.
