Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы обеспечения экологической безопасности в гидроэнерге тике 13
1.1. Состояние и перспективы гидроэнергетики в условиях перехода к устойчивому развитию 13
1.2. Проблемы экологической безопасности в гидроэнергетике 21
1.3. Анализ подходов к созданию природно-технических систем в гидроэнергетике 30
1.4. Методы и критерии оценки состояния природно-технических систем... 41
1.5. Выводы по главе 1 58
Глава 2. Экологическая безопасность и управление режимами работы ГЭС . 60
2.1. Учет экологических факторов в задачах длительного управления режимами работы ГЭС 60
2.2. Имитационная модель длительных режимов работы гидроэлектростанций с многоцелевыми водохранилищами 61
2.3. Управление режимами работы ГЭС в условиях кризисных экологических ситуаций 67
2.3.1. Анализ условий функционирования ГЭС в водохозяйственных системах и задачи управления 67
2.3.2. Анализ условий взаимодействия ГЭС с окружающей средой и опре деление основных природоохранных требований при управлении режимами их работы 74
2.3.3. Разработка принципов управления режимами работы ГЭС каскада с учетом экологических требований 82
2.3.4. Оценка влияния режимов водопользователей на энергоотдачу крупного каскада ГЭС 94
Глава 3. Экологическая безопасность и управление природнотехнической системой при использовании гидроэнергетических ресурсов малой реки 102
3.1. Эколого-социальное и хозяйственное значение малых рек 102
3.2. Оценка экологического состояния малых рек и организация их охраны и восстановления 106
3.3. Обоснование природно-технических систем с ГЭС на малых реках.. 113
3.4. Принципы управления природно-техническими системами с малыми ГЭС в бассейнах горных рек 127
Глава 4. Методологические основы информационного обеспечения эколо гической безопасности действующих ГЭС при реконструкции и тех ническом перевооружении 133
4.1. Возможности обеспечения экологической безопасности ГЭС при реконструкции и техническом перевооружении 133
4.2. Разработка и реализация информационно-аналитической системы «Экологическая безопасность ГЭС» 138
4.3. Инженерное обеспечение экологической безопасности ГЭС 153
4.4. Выводы по главе 4 164
Глава 5. Комплексное управление паводками речного бассейна с учетом требований экологической безопасности 166
5.1. Современные принципы управления паводковыми расходами в зонах повышенного риска 166
5.2. Экологические аспекты управления паводками гидроузлами с временно затопляемыми водохранилищами 172
5.3. Методика обоснования параметров и режимов работы противо паводкового гидроузла с учетом экологических факторов 173
5.4. Методики оценки воздействия кратковременных затоплений территории на состояние природных систем 180
5.5. Оценка экологической безопасности регулирования паводков гидроузлами с временно заполняемыми водохранилищами (на примере р.Селемджи) 186
5.6. Эколого-экономическая оценка эффективности совместной работы Селемджинской ГЭС с гидроузлами Набоковых притоках 195
5.7. Выводы по главе 5 204
Глава 6. Экономические аспекты экологической безопасности природно технических систем с гидроэнергетическими объектами 204
6.1. Экономический учет экологических показателей 204
6.2. Оценка затрат на сохранение здоровья населения при формировании природно-технических систем в современных условиях 208
6.3. Экономическая оценка «биоразнообразия» в природно-технической системе 213
6.4. Выводы по главе 6 217
Заключение 218
Литература 220
Приложения 253
- Проблемы экологической безопасности в гидроэнергетике
- Управление режимами работы ГЭС в условиях кризисных экологических ситуаций
- Оценка экологического состояния малых рек и организация их охраны и восстановления
- Разработка и реализация информационно-аналитической системы «Экологическая безопасность ГЭС»
Введение к работе
Одной из особенностей энергетики начала XXI века является жесткая
регламентация ее дальнейшего развития требованиями сохранения благопри-
ятной окружающей среды, предотвращения глобального загрязнения. Это определяет тенденцию к возрастанию роли возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, наиболее эффективной гидроэнергии.
Специалисты в области гидроэнергетики вынуждены решать целый ряд специфических проблем, связанных с охраной окружающей среды, таких как: затопление земель, изменение гидрологического режима рек, нарушение условий обитания водных организмов и пр.
Особую остроту эти проблемы приобрели к началу 80 гг. XX века в свя
зи с интенсивным гидроэнергетическим строительством. Они не относятся к
разряду глобальных, но в современных условиях, когда в международных и на-
4 циональных программных документах экологическим проблемам придается
статус приоритетных, обеспечение охраны окружающей среды становится определяющим моментом проектирования и эксплуатации гидроэнергетических объектов.
В настоящее время в России и странах СНГ значимыми становятся задачи охраны окружающей среды при реконструкции и техническом перевооружении действующих ГЭС, совершенствования управления режимами работы ГЭС многоцелевого назначения, освоения гидроэнергетических ресурсов малых рек, а также управлении паводками с целью снижения риска наводнений. Тесная взаимосвязь между условиями функционирования ГЭС и их воздействием на окружающую среду определяет необходимость комплексного подхода к решению как технических, так и природоохранных вопросов.
Направление на комплексное решение задач электроэнергетики, водно
го хозяйства, охраны окружающей среды, социальных проблем при создании
«, ГЭС наметилось более двадцати лет тому назад. Основы такого подхода зало-
6 жены исследованиями, выполненными, прежде всего, в институтах Гидропроект, Энергосетьпроект, ВНИИГ, ЛПИ, МЭИ, МИСИ, НЭТИ, СЭИ, ЭНИН, ИВП, ГГИ, ГосНИОРХ и др. Большой вклад в решение сопутствующих экологических проблем гидроэнергетики внесли успешно работающие ведущие специалисты различных отраслей науки А.Б. Авакян, А.Ю. Александровский, Н.В. Арефьев, Г.С. Арсеньев, А.Е. Асарин, М.И. Бальзанников, Л.С. Беляев, А.Г. Боголюбов, Я.Б. Данилевич, К.С. Демирчан, А.Ф. Дьяков, Ю.С. Васильев, В.И. Виссарионов, Г.В. Воропаев, П.П. Долгов, Л.Н. Дудченко, В.В. Елистратов, Д.А. Ивашинцов, Т.В. Лисочкина, Л.К. Малик, Н.К. Малинин, М.Ш. Мисриха-нов, Л.П. Михайлов, Г.К. Осипов, А. Патера, Г.С. Розенберг, М.П. Федоров, B.C. Шарыгин, С.Г. Шульман и многие другие. Результаты их исследований лежат в основе методологии оценок и моделирования воздействий гидроэнергетических объектов на окружающую среду. Многоплановость исследований, ориентация на решение конкретных наиболее острых на данный момент времени задач затрудняет разработку единого подхода к решению экологических проблем гидроэнергетики в соответствии с современными требованиями безопасного развития техносферы. Такой подход может быть реализован на основе использования идеи природно-технических систем.
Методологические основы создания и функционирования природно-технических систем с гидроэнергетическими объектами разрабатываются в СПбГТУ в последнее десятилетие при участии и под руководством автора. Ключевым звеном методологии является разработка принципов обеспечения экологической безопасности гидроэнергетических природно-технических систем.
Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью создания гидроэнергетических объектов, удовлетворяющих современным требованиям обеспечения экологической безопасности. Теоретическому обоснованию принципов экологической безопасности и некоторым практическим аспектам их использования посвящена данная диссертационная работа.
Это потребовало анализа имеющихся разработок и системного подхода для поиска новых методологических и научно-обоснованных технических решений, совершенствования критериев оценки состояния природно-технических систем.
В основу работы положены исследования, выполненные за период с 1981 г. по настоящее время, в соответствии с целевыми комплексными программами ГКНТ СССР, целевыми межвузовскими программами "Энергия", "Энергосистема", федеральной научно-технической программой "Экология России" и проектами (грантами) по фундаментальным и прикладным исследованиям в области энергетики и охраны окружающей среды.
Цель диссертационной работы - концептуальное развитие теоретических основ, разработка методологических принципов и решение практических задач обеспечения экологической безопасности природно-технических систем с гидроэнергетическими объектами.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
Теоретическое обоснование и развитие основных принципов обеспечения экологической безопасности гидроэнергетических объектов при формировании природно-технических систем.
Обоснование методов оценки состояния природно-технических систем с гидроэнергетическими объектами и применение критериев экологической безопасности.
Развитие методологии управления природно-техническими системами с ГЭС в условиях обеспечения экологической безопасности.
Разработка математических моделей управления гидроэнергетическими объектами для обеспечения экологически безопасного функционирования природно-технических систем.
Новые научные результаты:
1. Выполнено теоретическое обобщение современных подходов к формированию природно-технических систем в гидроэнергетике в условиях при-
оритетности обеспечения экологической безопасности. Определены основные направления обеспечения экологической безопасности, предложены критерии ее оценки.
Разработаны модели управления длительными режимами работы ГЭС каскада с учетом экологических требований в условиях динамики природных процессов и водохозяйственной ситуации речного бассейна.
Разработаны методы управления природно-техническими системами с ГЭС на малых реках. Обоснована приоритетность фактора изменения структуры экосистемы бассейнов малых рек при оценке их состояния. Предложено использование критерия допустимых изменений структуры экосистемы реки при формировании природно-технической системы.
Предложены методы принятия решений по организации природоохранных мероприятий действующих ГЭС. Разработана и программно реализована информационно-аналитическая система обеспечения экологической безопасности ГЭС.
Разработаны методы управления паводками речного бассейна за счет дополнительного использования гидроузлов на боковых притоках с временно-затапливаемым ложем водохранилища. Созданы модели режимов работы противопаводковых гидроузлов с учетом требований экологической безопасности.
Методическую базу исследований составили системный и экспертный анализ, фундаментальные положения энергетики, геоэкологии, методы эколо-го- и экономико-математического моделирования, экологического нормирования, анализа риска.
Достоверность научных положений и выводов обусловлена корректным использованием теоретических основ энергетики и экологии, применением научно апробированных методов при проведении исследований и математического моделирования и подтверждается практическими результатами и натурными данными.
Личный вклад автора заключается в научном обобщении и развитии теоретических основ обеспечения экологической безопасности гидроэнергетических объектов при формировании природно-технических систем, разработке алгоритмов и математических моделей управления природно-техническими системами с ГЭС и принятия решений обеспечения экологической безопасности, а также методов и критериев оценки состояния природно-технических систем с ГЭС.
Практическая значимость. Теоретические исследования и разработанные методики и модели формирования экологически безопасных природно-технических систем с гидроэнергетическими объектами могут применяться в научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организациях при решении задач экологически безопасного управления режимами работы каскада ГЭС многоцелевого назначения, использовании гидроэнергетических ресурсов малых рек, а также при разработке природоохранных мероприятий для действующих ГЭС, при комплексном управлении паводками речного бассейна.
На защиту выносятся:
Концептуальные положения обеспечения экологической безопасности природно-технических систем с ГЭС, методы и критерии оценки состояния природно-технических систем.
Методы и модели управления длительными режимами работы ГЭС каскада многоцелевого назначения с учетом экологических факторов, динамики природных процессов, водопользования в речном бассейне. Рекомендации по совершенствованию правил управления режимами работы ГЭС каскада и результаты расчета энергоотдачи ГЭС с учетом природоохранных требований, эксплуатационных изменений режимов регулирования стока.
Методы экологически безопасного использования гидроэнергетических ресурсов малых рек. Результаты обоснования создания природно-технических систем с малыми ГЭС в районах изолированного энергоснабжения горных зон.
Методы поиска и принятия решения по обеспечению экологической безопасности действующих ГЭС и разработанная информационно-аналитическая система «Экологическая безопасность ГЭС».
Методы и модели экологически безопасного управления паводками за счет дополнительного использования системы распределенных на водосборе гидроузлов с временно-затапливаемым ложем водохранилища. Результаты эко-лого-энергетических исследований совместной работы русловой ГЭС с гидроузлами на боковых притоках.
Методы экономической оценки обеспечения экологической безопасности при формировании природно-технических систем с ГЭС в современных условиях.
Основные результаты диссертации на разных этапах ее выполнения были использованы институтами «Энергосетьпроект» при технико-экономическом обосновании развития ОЭС Средней Азии, разработке рекомендаций для обоснования проектных решений по системе управления режимами работы ГЭС каскада в водохозяйственных системах с учетом требований охраны окружающей среды, «Гидропроект» им.С.Я.Жука в технико-экономическом докладе «Об основных направлениях развития малой гидроэнергетики СССР», АО ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева при создании комплекса информационно-аналитического обеспечения объектов энергетики РАО «ЕЭС России»; Таджикским научно-исследовательским отделом энергетики, САО «Сельэнергопроект» при обосновании сооружения первоочередных малых ГЭС в районах изолированного электроснабжения Таджикистана.
Соответствующие акты внедрения и справки приведены в приложении.
Методические разработки автора используются в учебном процессе в СПбГТУ при подготовке инженеров электроэнергетиков и экологов, а также учебно-научном центре СПбГТУ и НИИЦЭБ РАН «Экологическая безопасность энергетики» в рамках программы «Интеграция».
п Апробация результатов исследований проведена на всесоюзных и российских, региональных и международных научно-технических совещаниях, конференциях, симпозиумах, научном семинаре кафедр возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики и экологических основ природопользования СПбТТУ.
Материалы работы докладывались на всесоюзном научно-техническом совещании «Влияние водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду» (Ленинград, 1979), Ш республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы энергетики» (Киев, 1980), всесоюзном научно-техническом семинаре «Опыт проектирования и строительства объектов Южно-Украинского энергокомплекса и перспективы создания энергокомплексов (ЭК-84)» (Ленинград, 1984), Республиканском совещании «Проблемы использования энергоресурсов малых рек Киргизии» (Фрунзе, 1984), всесоюзной научно-практической конференции "Электрификация, автоматизация и теплоснабжение сельскохозяйственного производства" (Смоленск, 1985), научно-практической конференции "Перспективное использование возобновляемых источников энергии для энергоснабжения отраслей народного хозяйства Таджикской ССР» (Душанбе, 1986), республиканской межотраслевой конференции «Повышение эффективности использования энергоресурсов на основе внедрения энергосберегающих и материалосберегающих мероприятий в отраслях народного хозяйства» (Ташкент, 1986), республиканской научно-технической конференции «Основные направления и опыт использования нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве» (Душанбе, 1988), всесоюзном научно-техническом совещании «Будущее гидроэнергетики. Основные направления создания гидроэлектростанций нового поколения» (Ленинград, 1991), международном семинаре «Перспективы использования возобновляемых ресурсов Карелии» (Петрозаводск, 1993), научно-практической конференции «Критерии экологической безопасности» (С.-Петербург, 1994), международной научно-технической конференции «Современные проблемы нетрадиционной
энергетики» (С-Петербург, 1994), II, IV, V сессии науки и техники «Гидроэлектростанции в водной и электроэнергетической системе» (Люблин, 1989, 1996, 1998), международном семинаре по прикладной гидравлике (Тронхейм, Норвегия, 1994), симпозиуме и международной специализированной выставке «Энергетика 95» и «Энергетика 96» (С.-Петербург, 1995, 1996), научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (С.-Петербург, 1997), международной научно-технической конференции «Современные проблемы гидроэнергетики» (Ташкент, 1997), Ш и IV Всероссийской научно-технических конференциях с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (С.-Петербург, 1998, 1999), международной научно-технической конференции "Научные проблемы энергетики возобновляемых источников" (Самара, 2000), научных семинарах кафедр «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика» и "Экологических основ природопользования" СПбГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе две монографии. Зарегистрировано 8 изобретений и патентов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 26,1 страницах машинописного текста, включает 11 таблиц и 44 рисунка. Библиография содержит 364 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту академику РАН, проф., д.т.н. Ю.С. Васильеву за поддержку и ценные рекомендации, засл. деятелю науки РФ, проф., д.т.н. М.П. Федорову за постоянную помощь, формирование мировоззрения решения экологических проблем энергетики и практический опыт совместных исследований, зав. кафедрой проф., д.т.н. В.В. Елистратову за советы и помощь при разработке и завершении диссертации, а также коллективам кафедр возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики, экологических основ природопользования за плодотворное сотрудничество.
Проблемы экологической безопасности в гидроэнергетике
Экологические проблемы, сопутствующие развитию гидроэнергетики, постоянно привлекали внимание исследователей. Имеется немало примеров, когда прогнозы негативного влияния объектов гидроэнергетики на окружающую среду оказывались весьма точными [22].
Начало массового строительства гидроэлектростанций и увеличение масштабов воздействия на природу заставило искать способы решения нарастающих экологических проблем. Эти проблемы обсуждались на XI и XII конгрессах Международной комиссии по большим плотинам, а также на всех последующих конгрессах [23]. Такое внимание на международном уровне послужило толчком к целой серии интересных и глубоких работ в нашей стране по экологическим проблемам гидроэнергетики [24, 25, 26, 27, 28, 29].
Постепенно из множества разноплановых исследований определились следующие основные направления:- анализ и оценка воздействия гидроэнергетических объектов на окружающую среду;- моделирование воздействий;- прогноз экологических последствий;- управление воздействием гидроэнергетических объектов на окружаю щую среду и обоснование природоохранных мероприятий.
К концу 80 г.г. проведенные исследования позволили подготовить комплекс нормативно-методических документов по вопросам охраны окружающей среды для эколого-экономического обоснования гидроэнергетических и водохозяйственных объектов [29].
Обострение экологической ситуации, как в мире, так и в России, к началу 90-х годов послужило поводом для возобновления дискуссии по проблемам экологии в гидроэнергетике, смещения приоритетов в сторону охраны природы. На 16 конгрессе Международной комиссии по большим плотинам (1988, Сан-Франциско (США)) принято решение о проведении международного десятилетия по уменьшению ущерба природе и созданию специальной комиссии СИГБ [30].
В нашей стране важным этапом на пути решения экологических проблем электроэнергетики стала разработка концепции основных направлений охраны окружающей среды на предприятиях отрасли [31]. Показатели концепции и основных направлений нашли отражение в ряде программных документов, в том числе "Энергетическая политика России в новых экономических условиях". Главные положения концепции заключаются в анализе экологических проблем, признании необходимости безотлагательного принятия мер, поиске наиболее доступных способов их реализации. Стратегические направления концепции послужили импульсом для появления работ по конкретным природоохранным мерам [29].
Среди наиболее острых экологических проблем гидроэнергетики, связанных, прежде всего, с созданием крупных ГЭС с большими водохранилищами, являются затопление земель, ухудшение качества воды, изменение флоры и фауны, обеспечение благоприятных условий для жизни людей и др.
Если проблема строительства крупных гидроэнергетических объектов потеряла остроту в связи со сложной экономической ситуацией в России, то затопление земель в настоящее время является одним из наиболее обсуждаемых вопросов. Действительно, на территории бывшего СССР затоплено около 6,2 млн. га земель. Следует отметить, что основная часть затоплений приходится на ГЭС построенные в 50-60 г.г. Наиболее крупные ГЭС России, расположенные на Енисее и Ангаре (Саяно-Шушенская, Красноярская, Усть-Илимская) сопоставимы по удельному показателю затопления земель на единицу выработки электроэнергии с таковым для ГЭС США, составляющим 2,7-10,2 га/млн. кВт-ч [25]. Приведенные цифры нельзя рассматривать как признак экологического благополучия, так как из-за большой площади зеркала водохранилищ ущерб, наносимый природе, остается значительным. Гидропроектом в конце 80-х годов были разработаны предельные значения удельной площади затопления земель для различных регионов России. Например, для ГЭС мощностью более 30 МВт, сооружаемых в Европейской равнинной части, удельная пло щадь затопления земель должна составлять не более 5 га/млн. кВт-ч, а Дальнего Востока - не более 15 га/млн. кВт-ч [32]. В современных условиях платного природопользования, очевидно, эти показатели должны быть более жесткими. По-видимому, было бы оправданным введение ограничений на предельные площади водохранилищ по речным бассейнам.
Одним из наиболее приемлемых способов уменьшения затопления земель является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора, и, следовательно, площади зеркала водохранилища. Несмотря на снижение энергетических показателей и уменьшение регулирующих возможностей, возрастание стоимости низконапорные гидроузлы, обеспечивающие минимальные затопления земель, лежат в основе всех современных проектных разработок.
Еще одна экологическая проблема гидроэнергетики, которая всегда в центре внимания специалистов и общественности, связана с качеством водной среды. Отметим, что технологический процесс производства электроэнергии на ГЭС, как правило, не вызывает загрязнения воды. Так, объемы загрязнений, поступающие со сточными водами ГЭС, составляют ничтожно малую долю в общей массе загрязнений от народно-хозяйственного комплекса [29]. Этим гидроэнергетика выгодно отличается от других предприятий электроэнергетической отрасли.
Основными причинами загрязнения воды являются низкое качество са-нитарно-технических работ при создании водохранилищ, а также сброс неочищенных стоков в водные объекты. Конечно, определенное влияние на качество воды оказывает сам факт существования водохранилищ, так как изменяются гидрологический, гидрохимический, газовый режим водных объектов, состав сообществ организмов и др. В частности, низкая проточность некоторых водохранилищ способствует цветению воды [25]. В то же время опыт эксплуатации водохранилищ показал, что вследствие увеличения пребывания воды в водоеме общий эффект самоочищения в них в большинстве случаев выше чем в реках. Водохранилища существенно сглаживают амплитуду концентрации загрязняющих веществ, резко снижают их пиковые значения [26].
Если вопрос о положительном или отрицательном влиянии водохранилищ на качество воды до сих пор остается дискуссионным, то негативное влияние сброса неочищенных сточных вод бесспорно.
Большие объемы воды и высокий эффект самоочищения в водохранилищах побуждают к строительству предприятий без должной очистки стоков, что превращает водохранилища в огромные отстойники сточных вод. Решение проблемы качества воды в этом случае очевидно - резкое сокращение сброса загрязнений.
Всесторонний анализ проблемы показал, что подход, направленный на устранение негативных последствий, не гарантирует возможности избежать новых, часто непредвиденных воздействий, вызывающих отрицательную реакцию у общественности и специалистов в области охраны окружающей среды.
Управление режимами работы ГЭС в условиях кризисных экологических ситуаций
Уникальная ситуация острого экологического кризиса в бассейне Аральского моря - крупнейшего района орошаемого земледелия - была использована для анализа режимов работы гидроэлектростанций Вахшско-Амударьинского каскада. Аральское море по размерам акватории - четвертый в мире замкнутый водоем, представляет собой устьевой разлив двух крупнейших рек Средней
Азии - Амударьи и Сырдарьи, суммарный среднемноголетний сток которых составляет около 120 км э/год [141].
Известно, что за сравнительно короткий период 60-80 г.г. локальные во дохозяйственные мероприятия, проводимые в Аральском регионе, нарушили структуру гидрографической сети и режим обводненности территории, что привело к деградации наземных и водных экосистем, создало угрозу выживанию местного населения [142, 143]. Стремительное изменение экологической ситуации в этом регионе постоянно привлекало внимание специалистов. Уже с начала 70 г.г. прогнозировалось прогрессирующее снижение уровня моря, ухудшение качества воды, засоление земель и др. [146, 147, 148]. Сегодня можно констатировать, что оправдались самые худшие прогнозы [143, 145]. В связи с этим обострилась необходимость поиска путей выхода из кризиса. В качестве мероприятий предлагалось: изменение общей стратегии развития производительных сил Аральского региона, перестройка орошаемого земледелия, межбассейновая переброска вод, увеличение объемов речного стока за счет воздействия на ледники, искусственного вызывания осадков, направленного влагопереноса и др.[146, 147, 148]. Огромные масштабы предлагаемых работ требуют объединения усилий не только населения Аральского региона, но и других государств, в том числе России, так как негативные процессы Приара-лья создают непосредственную угрозу благополучию ряда ее регионов [149]. Многие из предлагаемых решений в настоящее время выглядят весьма проблематичными и не могут быть выполнены в ближайшее время. В этих условиях необходимо сосредоточить внимание на имеющихся возможностях. В первую очередь это должно касаться рационального использования водных ресурсов, а именно: строжайшая экономия воды и эффективное регулирование стока водохранилищами.
Река Амударья является основным водотоком в бассейне Аральского моря, т.к. на ее долю приходится более 60% общего среднемноголетнего стока.4 Водные ресурсы бассейна р. Амударьи составляют 79 км3/год, в том числе соб ственно р. Амударьи 67,9 км /год. Около 85% этих ресурсов формируются в бассейнах ее двух основных притоков - р. Вахш и р. Пяндж [141].д В бассейне р. Амударьи создана крупная водохозяйственная система(Амударьинская ВХС), основным водопотребителем которой является орошаемое земледелие. Земельный фонд бассейна, пригодный для орошаемого земледелия, оценивается в 8 млн. га, фактическая площадь орошения составляет более Змлн.га. Высокие темпы развития орошаемого земледелия при ограниченных водных ресурсах стали причиной резкого уменьшения притока воды в Аральское море. Так, за период интенсивного развития орошения 1962-1976 г.г. водозабор в бассейне р. Амударьи увеличился с 30,5 до 52 км3/год, при этом в устье реки сток уменьшился в маловодные годы на 44,3-51,4 км3/год (76-81%). В результате роста безвозвратного водопотребления естественный приток речных вод в Аральское море до 60 г.г. составлявший 55-60 км3/год сократился к 1978-1981 г.г. до 7-10 км3/год. Этот остаток воды определяет уровенный режим Арала, т.к. с 1976 г. воды второй по величине реки - Сырдарьи практически до него не доходят. В связи с сокращением притока речных вод к морю его уровень к 1961 г. приобрел устойчивую тенденцию к снижению, к 1986-1987 г.г. уровень Аральского моря уменьшился почти на 13,0 м, площадь моря сократилась более чем на треть, объем воды на 60%, средняя соленость увеличилась в 2,5 раза.
Анализ водопотребления в зоне Амударьинской ВХС и его последствий достаточно широко представлен в научной литературе [136, 150, 151]. При этом остается практически не раскрытой роль такого важного компонента водохозяйственной системы, каким является гидроэнергетика. Гидроэнергетические ресурсы бассейна р. Амударьи составляют около 306 млрд. квт-ч/год, в том числе эффективная их часть оценивалась в размере 79 млрд.квт-ч/год [152].
Бассейн р. Вахш, собственные гидроэнергетические ресурсы которой составляют около 45 млрд.квт-ч/год., является наиболее благоприятным районом для гидроэнергетического строительства, что обусловило создание Вахшского каскада, основу которого составляют сооружаемая Рогунская и действующие Нурекская, Байпазинская, Головная гидроэлектростанции (рис. 2.2).
Верхней ступенью Вахшского каскада является Рогунская ГЭС установленной мощностью 3600 МВт. Водохранилище ГЭС при отметке НПУ-1290 м и полезном объеме 8,6 км3 может осуществлять многолетнее регулирование стока р. Вахш. В настоящее время строительство Рогунской ГЭС приостановлено, однако важность скорейшего ввода это объекта (при непременном участии России) постоянно отмечается руководством энергетической отрасли Таджикистана [153].
Нурекская ГЭС установленной мощностью 2700 МВт является самой крупной из эксплуатирующихся ГЭС каскада. При ГЭС создано глубоководное водохранилище сезонного регулирования стока полезным объемом 4,5 км3. Из верхнего бьефа Нурекского водохранилища осуществляется забор воды в туннель для орошения земель Дангаринского массива. В перспективе объем водо-подачи достигнет 480 млн.м3/год.
Расположенная ниже по течению р. Вахш Байпазинская ГЭС мощностью 600 МВт имеет водохранилище недельного регулирования стока. Из верхнего бьефа ГЭС по туннелю производится подача воды (около 800 млн.м3/год) в Яванскую долину.
Головная ГЭС установленной мощностью 210 МВт является последней ступенью Вахшского каскада. Ее водохранилище суточного регулирования стока из-за заиления практически потеряло свои регулирующие функции. Из верхнего бьефа ГЭС осуществляется забор воды в самотечный магистральный канал (СМК), пропускной способностью 27 м3/с. В нижнем бьефе ГЭС через "береговые" агрегаты производится подача воды в Вахшский магистральный канал (ВМК), пропускная способность которого в головной части составляет 350 м3/с. На Вахшском магистральном канале сооружены две малые ГЭС: Пе-репадная - мощностью 30 МВт и Центральная - мощностью 18 МВт. Рассмот-$ ренные гидроузлы Вахшского каскада обеспечивают требования водопользова
Оценка экологического состояния малых рек и организация их охраны и восстановления
Огромное количество малых рек при их уникальности, особая чувстви тельность к антропогенным воздействиям делают весьма сложной оценку их состояния. Поэтому исследования, посвященные конкретным рекам, трудно поддаются систематизации. Это не позволяет разработать единую систему оценки экологического состояния малых рек, а, следовательно, прогнозировать их использование. В связи с тем, что основная и главная роль малых рек в на родном хозяйстве заключается в обеспечении водоснабжения и приеме стоков, - исследования посвящены, в основном, влиянию такого рода антропогенной на грузки. Наиболее глубоко изученными можно считать вопросы гидрологии ма лых рек, причем не только их специфические характеристики водного режима ф рек, но и влияние на сток и его элементы отдельных видов хозяйственной дея тельности: агромелиорации, урбанизации, гидротехнического строительства и др. [181, 186,187]. Важнейшей характеристикой состояния не только малой реки, но и всего водосборного бассейна, является качество воды. На качество воды в малых ре ках влияют ландшафтно-структурные особенности территории, хозяйственное освоение водосбора, мозаичность и разнообразие природных комплексов, их устойчивость к антропогенному воздействию, способность ассимилировать за грязнения, соотношение водозабора и речного стока, а также объемы и харак тер сточных вод и т.д. [180]. Причем каждый из этих факторов требует отдель ного изучения. ф В силу безусловной значимости наибольшее внимание уделялось про блеме загрязненных стоков. Проведены натурные исследования и оценка поступления загрязнений, их влияния на качество воды конкретных малых рек, а также предприняты попытки создания моделей для расчета влияния загрязняющих веществ на водные экосистемы [186, 187, 194, 195]. Важнейшей составной частью речного бассейна являются малые водохранилища. Их хозяйственное значение, многообразие форм влияния на окружающую среду, доступность для изучения определили большое количество по этой теме исследований [196, 197]. Вопросы гидрологии, заиления, зарастания, обрушения берегов, качества воды, изменения в окружающей природе и т.д. для водохранилищ изучены более глубоко, чем для самих малых рек. Особенно следует отметить работы по оценке и экологическому обоснованию степени регулирования речного стока [198, 199] - фактора, определяющего возможности развития водного хозяйства на каждой конкретной реке. Именно этот фактор, а не водный потенциал реки или потребности народного хозяйства, становится определяющим для развития гидроэнергетики на малых реках. Остаточный экологический сток ниже гидроузлов и водозаборов долженобеспечивать определенный режим параметров затопления поймы в весенне ф летний период, уровенный, скоростной и газовый режим в межень для сохра нения биопродуктивности речного бассейна.
Выполненные исследования позволяют решить весьма важные, но все таки частные проблемы охраны природы и не дают возможности судить об экологическом благополучии речного бассейна в целом. В последние 10-15 лет определилась тенденция к принципиально новому подходу - экосистемному анализу состояния бассейнов малых рек. К настоящему времени не сложилось исчерпывающее понятие экосистемы бассейна малой реки. Однако уже можно выделить ряд основных ее признаков. Экосистемы бассейнов малых рек харак теризуются автономностью вещественно-энергетических процессов, опреде ленной структурой с четко обозначенными границами между отдельными ком g понентами, функциональной устойчивостью, обеспечивающей необходимый уровень биопродуктивности, ярко выраженным взаимодействием между абиотическими и биотическими компонентами и др. Необходимость теоретического обоснования системного подхода к ох ране малых рек достаточно полно отражена в литературе [177, 178, 180, 181, 186]. Использование же на практике этих принципов затрудняется отсутствием критериев оценки состояния речного бассейна и его компонентов. Имеются лишь отдельные работы, в которых предприняты попытки установить характер взаимосвязей между компонентами экосистемы бассейна малой реки [200, 201], а также дать количественную оценку их взаимодействия в естественных условиях и при антропогенной нагрузке. Поскольку взаимодействие компо нентов можно рассматривать как функцию строения системы, имеет смысл в первую очередь дать количественную оценку именно структуры экосистемы малой реки. С этой целью автором данной работы были использованы крите щ рии допустимых изменений структуры экосистемы речного бассейна - крите рии сохранения биоразнообразия [124]. Апробация критериев проводилась на водосборах нескольких малых рек Ленинградской области, характеризующихся различным уровнем хозяйственного освоения. Определены граничные зна чения соотношения антропогенных и естественных экосистем (Нд/НЕ) - 0,47 0,67. Значения граничных соотношений и использование картографического материала позволило определить, что из пяти изученных водосборов малых рек только для одного соотношения Нд/НЕ 0,47. Значит, лишь на этом водосборе допустимо отчуждение земель достаточное для строительства энергетического объекта. Для двух водосборов соотношение НД/НЕ 0,67, что указывает на высокую степень антропогенной нагрузки и на необходимость рекультивацион-ных мероприятий. Для остальных двух водосборов 0,47 НД/НЕ 0,67, т.е. степень использования водосбора близка к критической и дополнительная антропогенная нагрузка может привести к нарушению устойчивости природной системы [202]. ц Очевидно, что количественная оценка состояния речных бассейнов не возможна без соответствующей базы данных. В этом заключается главное за труднение, так как мониторинг малых рек находится в самой начальной стадии своего развития, хотя уже в 1970 г.г. ставился вопрос о масштабной их паспор тизации для водохозяйственных целей [203]. В частности, практически не изу чено влияние опасных природных и техногенных явлений, таких как паводки, сели, оползни, аварии и т.д. Большой объем и сложность не позволили до на стоящего времени выполнить эту задачу. Имеются водохозяйственные паспор та для небольшого количества рек, созданные в основном в 1970-80 г.г. и не удовлетворяющие современным требованиям [204]. Идею использования но вейших методов дистанционного зондирования [205], к сожалению, не удалось реализовать из-за сложной экономической ситуации в России. В этих условиях приобретает весьма существенное значение экспертная оценка хозяйственного, экологического потенциала малых рек и природоохранных мероприятий [206]. .« Не решая задач получения исчерпывающей информации о бассейне малой ре ки, экспертная оценка позволяет выделить основные, наиболее важные на дан
Разработка и реализация информационно-аналитической системы «Экологическая безопасность ГЭС»
В Санкт-Петербургском государственном техническом университетеразрабатывается методология, позволяющая получить информацию по первоочередным природоохранным мероприятиям для включения в программу реконструкции и технического перевооружения ГЭС. В основу метода положены принципы мониторинга экологической ситуации в районе действующих ГЭС путем опроса эксплуатационных служб.
Опыт персонала эксплуатационных служб представляет большую ценность, т.к. являясь, с одной стороны, квалифицированными специалистами, а с другой - местными жителями, они наиболее полно и объективно могут оценить воздействия гидроэлектростанций на окружающую среду и мероприятия пообеспечению экологической безопасности, а следовательно, являются источник-ком зачастую уникальной информации, до настоящего времени практически невостребованной. В последние десять лет исследования с использованием экспертных оценок эксплуатационных служб успешно проводятся в СПбГТУ под руководством академика РАН Ю.С. Васильева по некоторым экологическим проблемам гидроэнергетики, в частности, для определения факторов, отражающих экологическую ситуацию на ГЭС и для ранжирования экологических факторов по их значимости [263].
Потребности настоящего времени переросли рамки только сбора информации о воздействии ГЭС на окружающую среду. Необходимо наметить наиболее рациональные пути обеспечения экологической безопасности станций. В связи с этим крайне важно определить первоочередные природоохранные мероприятия для включения в перечень работ при реконструкции ГЭС и возможные источники финансирования. С целью сбора и обобщения информации о наиболее острых экологических проблемах ГЭС и предполагаемых способах их решения совместно с АО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева были проведены исследо вания, в которых использовалась разработанная автором анкета. Анкеты рассылались на все эксплуатируемые ГЭС и каскады ГЭС России, а также в управ щі ления эксплуатации водохранилищ Роскомвода. Примерно от 70% запраши ваемых станций получены ответы.
Анкета включала вопросы о параметрах ГЭС (проектных и фактических), а также перечень необходимых природоохранных мероприятий, предполагаемых к осуществлению при реконструкции ГЭС (применительно к основным гидротехническим сооружениям, верхнему и нижнему бьефам ГЭС), состоящий из 13 разделов [264].
Выделены следующие мероприятия: - очистка от мусора, затопленных и плавающих предметов; - защита берегов от разрушения; - управление качеством воды; « - борьба с затоплением и подтоплением земель; - обеспечение жизнедеятельности гидробионтов (рыбы, планктона и других водных организмов); - борьба с цветением воды; - предотвращение загрязнения воды при эксплуатации судов; - поддержание естественного температурного режима воды в нижнем бьефе ГЭС; - поддержание естественного режима твердого стока в нижнем бьефе ГЭС; - обеспечение безопасности окружающей среды при возбужденной сейсмичности; - борьба с кровососущими насекомыми; - управление отдыхом населения; - прочие мероприятия. Ф Каждое из предлагаемых в анкете мероприятий было снабжено подроб ным перечнем видов работ с указанием степени их значимости: «крайне необ ходимо», «желательно», «нет надобности». Кроме того, в анкете предусматри валась возможность определения источника финансирования мероприятия. :ф При этом рассматривались варианты: - централизованный (федеральный бюджет, федеральный экологический фонд, средства РАО и т.д.); - региональный (республиканский, краевой, областной, городской бюджеты, муниципальный экологический фонд, средства энергосистемы и т.д.); - собственные средства станции. В анкету также был включен раздел, позволяющий получить сведения об эксперте (должность, производственная квалификация, стаж работы). Это дает возможность учитывать уровень компетентности эксперта. Была проведена оценка квалифицированности ответов группой экспертов из СПбГТУ и АО #/ ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, подтвердивших высокий уровень профессионализ ма опрашиваемых. Сведения, полученные в результате многократного анкетирования эксплуатационных служб, послужили основой для создания базы данных информационно-аналитической системы «Экологическая безопасность ГЭС» [265]. Использование новых компьютерных технологий позволяет анализировать множество параметров, характеризующих экологическую ситуацию в зоне ГЭС, а также обширную информацию по первоочередным природоохранным мероприятиям, степени их важности и видам работ, источникам их финансирования. При разработке структуры базы данных и алгоритмов системы учитывалась необходимость обеспечения удобства анализа и наглядности полученных результатов. Функционирование автоматизированной информационно-аналитической Я системы осуществляется в режимах поиска, обработки и корректировки. Работа в режиме «поиск по параметрам» позволяет получить данные ан кет по природоохранным мероприятиям, содержащие оценку степени целесо ф образности способа их реализации с указанием источника финансирования ра бот. Работа в режиме «поиск по названию» позволяет получить для выбранной ГЭС общие сведения и перечень всех природоохранных мероприятий с указанием вида работ, степени их целесообразности и источников финансирования. Работа в режиме «обработка» позволяет получить информацию в виде гистограмм распределения по различным укрупненным параметрам и информацию по составляющим каждого пункта гистограмм, а также сгруппировать ГЭС по видам работ. Работа в режиме «ввод и корректировка» позволяет осуществить разви % тие системы и пополнение анкеты. По материалам анкетирования 43 ГЭС можно выделить группу мероприятий, которые эксплуатационный персонал считает «крайне необходимыми» для включения в перечень работ при реконструкции и экологическом обустройстве ГЭС. Эти сведения представлены в таблице 4.1. Из таблицы 4.1 следует, что наиболее часто среди ответов на вопросы анкеты отмечались мероприятия: 1. Очистка от мусора и затопленных предметов ( в зонах верхнего бьефа и основных гидротехнических сооружений). 2. Управление качеством воды (в зонах верхнего бьефа, основных ГТС, нижнего бьефа на водотоке). Несколько реже отмечаются другие мероприятия. На рис. 4.1-4.3 пред ставлены результаты анкетирования по перечням работ для каждого из крайне необходимых мероприятий. В качестве примера проанализируем работы, наи id более часто отмечающихся в ответах мероприятий 1 и 3.
