Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния водосбора р. Таналык Республики Башкортостан 9
1.1 Состояние изученности вопроса комплексного обустройства водосборов 9
1.2 Анализ природных условий исследуемого объекта 15
1.3 Зарегулированность стока водосбора р. Таналык 27
1.4 Постановка цели и задачи исследований 33
2. Теоретические предпосылки комплексного обустройства (мелиорации) водосбора р. Таналык 34
2.1 Водосбор как единая геоэкологическая система 34
2.2 Обоснование необходимости обустройства водосбора р. Таналык 39
2.2.1 Мелиоративноесостояние территории водосбора 44
2.2.2 Оценка смыва почв на территории водосбора 54
2.3 Рекультивация техногенно-нарушенных земель водосбора 59
2.4 Оценка устойчивости водосбора р. Таналык 68
2.5 Модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык... 71
2.6 Выводы по главе 78
3. Анализ и методика прогноза химического состава воды водохранилищ водосбора р. Таналык 79
3.1 Комплексный подход при изучении гидрохимических компонентов водосбора р. Таналык 79
3.2 Макрокомпонентный состав поверхностных вод как показатель антропогенного воздействия на водосбор 84
3.2.1 Воздействие АПК 85
3.2.2 Воздействие добывающих и перерабатывающих предприятий 87
3.3 Оценка качества оросительной воды 90
3.4 Анализ химического состава вод водохранилищ водосбора р. Таналык 93
3.4.1 Прогнозный расчет качества воды водохранилищ 93
3.4.1.1 Бузавлыкское водохранилище 97
3.4.1.2 Акъярское водохранилище 100
3.5 Выводы по главе 101
4. Методика оценки риска возникновения аварийных ситуаций на водохранилищах в границах водосбора 102
4.1 Предварительный анализ риска аварий 102
4.2 Вероятностная оценка аварий на водохранилищах 105
4.3 Сценарии возникновения аварийных ситуаций на водохранилищах 108
4.3.1 Условия возникновения и развития гидродинамических аварий 114
4.4 Анализ натурных фильтрационных исследований на грунтовых плотинах водохранилищ водосбора р. Таналык 117
4.4.1 Разработка методики построения депрессионных кривых в теле грунтовых плотин водохранилищ 117
4.5 Выводы по главе 125
5. Разработка модели «ГИС-водосбор р. ТАНАЛЫК» 126
5.1 Прикладные ГИС-системы 126
5.2 Модель пространственных данных 129
5.3 Структура программного пакета ГИС «ИнГео» 130
5.3.1 Разработка цифровой модели 132
5.4 Систематизация данных 134
5.5 Вывод по главе 137
Выводы 138
Список использованной литературы 140
Приложения 161
- Анализ природных условий исследуемого объекта
- Обоснование необходимости обустройства водосбора р. Таналык
- Макрокомпонентный состав поверхностных вод как показатель антропогенного воздействия на водосбор
- Вероятностная оценка аварий на водохранилищах
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развитие народного хозяйства характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Существенное влияние на формирование экологической среды природных ландшафтов оказывают сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство, добыча полезных ископаемых.
Наряду с достижением определенного положительного эффекта хозяйственная деятельность человека сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий и приводит к осложнению экологической ситуации различных природных систем. Наиболее ярким примером такой сложной системы является водосбор реки.
Недостаточность знаний о закономерностях взаимодействия природных и антропогенных факторов, о процессах, развивающихся в природной среде при комплексном обустройстве водосборов, является одним из препятствий на пути к созданию экологически устойчивых и экономически эффективных систем функционирования водосборов.
Научный интерес к оценке экологического состояния водосборов рек и проблеме их комплексного обустройства возник сравнительно недавно. Это объясняется повышением в современных условиях антропогенной нагрузки на водосборы, необходимостью оценки степени воздействия таких нагрузок на экологическую устойчивость водосборов и возникновением проблемы обеспечения устойчивого функционирования водосборов.
В основе научных исследований и решений поставленной проблемы лежат труды Л.С. Берга, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, А.Н. Костякова, А.В. Ковды, Б.Б. Полынова, И.Р. Пригожина, а также И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Д. Исаевой, Л.В. Кирейчевой, В.Н. Краснощекова, Д.А. Манукьяна, Б.С. Маслова, Н.И. Парфеновой, В.В. Пчелкина, Л.М. Рекса, Н.Ф. Реймерса, Н.М. Решеткиной, В.И. Сметанина, В.В. Шабанова и др.
Однако труды отечественных и зарубежных учёных свидетельствуют о необходимости дальнейшего научного обоснования мероприятий комплексного обустройства водосборов. Расширение предметной области исследований обеспечивает повышение надежности научного обоснования комплексного обустройства интенсивно освоенных водосборов и обеспечение их устойчивого функционирования.
Одним из интенсивно осваиваемых водосборов Республики Башкортостан (РБ) является водосбор р. Таналык, расположенный в степной зоне Башкирского Зауралья. По ландшафтным признакам водосбор относится к ландшафтной стране Б (Уральские горы и плоскогорья с высотными - поясными и зональными ландшафтами умеренного климата), горно-степной области, Зауральской типично степной мелкосопочно-плоскогорной провинции. Природные ландшафты водосбора испытывают воздействие человека уже на протяжении длительного времени. Особенно сильные изменения произошли за последние 50 лет: продолжается интенсивное сельскохозяйственное освоение территории, увеличиваются объемы добычи полезных ископаемых и их переработки. Ситуация, сложившаяся в результате такого интенсивного антропогенного вмешательства, вызывает ответную реакцию со стороны естественных ландшафтов водосбора.
Актуальность проведенных исследований обусловлена необходимостью обоснования мелиоративных мероприятий и развития научных представлений в этой области.
Комплексный подход к обоснованию необходимости обустройства и мелиорации водосбора р. Таналык в настоящей работе является логическим развитием адаптивно-ландшафтного подхода к созданию высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов.
Основным методом изучения таких природно-техногенных систем, как водосборы, является моделирование. Взаимосвязанные природно-техногенные объекты представляют собой многоуровневую систему подобъектов, имеющих свои собственные атрибуты. Набор средств для решения задач, связанных с изучением местности водосбора и представлением набора информации, наиболее полно реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).
Цель и задачи исследований Цель исследований - оценить экологическое состояние, разработать модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и дать рекомендации для комплексного обустройства водосбора.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
1) дать оценку современного состояния природной среды водосбора р. Таналык и обосновать необходимость его комплексного обустройства;
2) разработать модель устойчивого функционирования водосбора и выделить основные критерии экологической устойчивости его территории;
3) разработать методику прогноза химического состава воды водохранилищ изучаемого водосбора;
4) на основе теоретических и экспериментальных исследований оценить опасность и риск развития аварийных ситуаций на ГТС водохранилищ водосбора р. Таналык;
5) разработать информационную модель водосбора, используя ГИС;
6) разработать практические рекомендации по комплексному обустройству водосбора р. Таналык.
Объектом исследования является водосбор р. Таналык.
Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются геосистемный и статистический подходы, базирующиеся на методах моделирования, статистики, регрессионного анализа и теории вероятности. Для статистической обработки данных натурных исследований использованы пакет анализа данных Excel и система обработки данных STATISTICA.
Научная новизна:
• впервые проведена комплексная оценка современного состояния водосбора р. Таналык и разработана методика комплексного обустройства с учетом оценки устойчивости водосбора;
• разработана модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и обоснованы пути обустройства водосбора;
• предложена методика прогноза химического состава воды водохранилищ для условий степной зоны Башкирского Зауралья;
• проведены экспериментальные исследования фильтрационного состояния грунтовых плотин водохранилищ водосбора р. Таналык и предложена зависимость для расчета фильтрации плотин для степной зоны, на основе комплексного подхода оценены опасность и риск возникновения аварий на ГТС водохранилищ;
• разработана информационная модель водосбора с использованием ГИС - технологий;
• разработаны рекомендации по комплексному обустройству водосбора р.
Таналык.
Практическая значимость.
Полученные результаты дают достоверное представление о структуре и современном состоянии ландшафтов водосбора р. Таналык, позволяют обеспечить устойчивое функционирование водосбора и могут быть учтены при оптимизации технологии использования природных ресурсов территории. Модель «ГИС - водосбор р. Таналык», интегрирующая большой объем данных о водосборе, является составной частью информационного обеспечения управления и охраны природных ресурсов, а также служит для оперативного и качественного представления информации при обустройстве водосбора р. Таналык.
Основные результаты исследования использованы:
• для разработки рекомендаций при прогнозе качества воды Акъярского и Бузавлыкского водохранилищ, при гидрогеолого-мелиоративной оценке состояния лиманов Маканской оросительной системы;
• при разработке проектов и деклараций безопасности водохранилищ степной зоны Башкирского Зауралья;
• в учебном процессе ФГОУ ВПО «БГАУ» при проведении автором занятий по дисциплинам «Природоохранные сооружения», «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Природно-техногенные комплексы», «Основы комплексного природопользования».
Полученные в процессе исследования результаты приняты к внедрению в ОАО ПИИ «Башгипроводхоз» и ГУП Управление «Башмелиоводхоз».
Материалы ГИС могут быть использованы для дальнейшей планировки и обустройства региона.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005 г.), «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2006 г.), «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (Москва, 2006 г.), «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008 г.), на Всероссийской конференции молодых ученых «Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра»» (Москва, 2004 г.), на Всероссийском научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы - 2005» (Уфа-Москва, 2005 г.), на Республиканской научно-практической конференции «90 лет мелиорации земель в Республике Башкортостан» (Уфа, 2004 г.), на Межрегиональной научно-практической конференции «Чистая вода Башкортостана-2008» (Уфа, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Башкирского государственного аграрного университета в 2003-2008 гг.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 31 печатная работа общим объемом 7 п.л., в т.ч. 4 в журналах, включенных в список ВАК («Мелиорация и водное хозяйство», «Достижения науки и техники АПК», «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель»).
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений, списка литературы. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35 рисунков. Библиографический список включает 245 наименований.
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОСБОРА Р. ТАНАЛЫК РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
Анализ природных условий исследуемого объекта
Объект исследований - водосбор р. Таналык — расположен в юго-восточной части Республики Башкортостан и представляет собой южную составляющую региона, называемого Башкирским Зауральем. Гидрографическая сеть водосбора находится в тесной взаимосвязи с особенностями рельефа и климата и представляет собой систему правобережных притоков р. Урал. Река Таналык является главной водной артерией района исследований, берет начало в западных предгорьях хребта Ирендык на высокой Сакмаро-Таналыкской равнине в 5 км к востоку от озера Талкас. Длина р. Таналык со-ставляет 225 км, площадь водосбора - 4160 км (рис. 1.1). Максимальный расход воды в устье равен 260 м /сек., минимальный - 0,1 -1,0 м /сек. Река протекает с севера на юг, густота речной сети составляет 0,24 км/км (рис. 1.2). Межень устойчива, летние паводки редки, берега реки закустарены; вода чистая, мягкая. Русло извилистое, пойма развита слабо, ширина долины в верхней части до 2 км. Модуль годового стока составляет 2,0 л/с км . Среднегодовой расход воды в устье - 7,90 м /с. Наибольшая густота речной сети бассейна р. Таналык наблюдается в среднем течении реки. Водосбор реки асимметричный, вытянутой формы, наибольшая длина 117 км, ширина 27 км. Озерность составляет 1%, заболоченность - 0%. Продолжительность половодья поймы до 10 суток. Дождевыми паводками пойма не затапливается. Русло реки извилистое, с перекатами и плесами. Берега пологие, местами обрывистые, высотой 3-4 м, сложены суглинком и аллювием поймы. Донные отложения илистые на плесах и песчано-гравийно-галечниковые на перекатах. Ширина русла 10-30 м, средний уклон водной поверхности 2,9 %, средневзвешенный 1,5 %. Процесс водной эрозии на водосборе активный, в виде овражно-бал очной сети, плоскостного смыва и боковой эрозии. В русле реки умеренная донная и боковая эрозия.
Основными притоками являются реки: Юлалы, Кузянелга, Бузавлык, Ерана 17 гас, Ташла, Туратка и Макан-1. Общая протяженность указанных рек составляет 213 км. Кроме того, имеется свыше 100 притоков длиной до 10 км. Мелкие ручьи, являющиеся притоками р. Таналык, имеют большей частью временный сток в весеннее половодье, летом они мелеют, а в засушливые годы пересыхают [11, 108].
Снежный покров водосбора р. Таналык маломощный и распределен крайне неравномерно в зависимости от характера рельефа, крутизны и экспозиции склона, наличия растительности. Высота снежного покрова в районе метеостанции Баймак в середине марта не превышает 20 см, а в предгорной части 30-25 см. Недостаточная мощность снежного покрова иногда служит причиной гибели озимых сельхозкультур. Запасы воды в снеге к моменту максимального его накопления в степной части в среднем 50-60 см, в предгорной - 80 см.
В южной части водосбора р. Таналык высота снежного покрова максимальна во второй декаде марта (26 см), абсолютный максимум мощности снежного покрова, наблюдавшийся здесь, равен 48 см. Максимальная глубина промерзания почвы в районе г. Баймака установлена в марте - 136 см, а средняя многолетняя в феврале - 42 см; для района Акъяра эти показатели характеризуют март месяц и имеют соответствующие следующие значения: 124 и 65 см. В зимние периоды часто отмечаются сильные ветры, сдувающие не только снежный покров, но и частицы почвы. В летние периоды (июнь-июль) отмечаются суховейные ветры (до 65 дней). Наряду с вышеуказанными особенностями климата наблюдается некоторая дифференциация климатических условий в направлении с севера на юг и с запада на восток. В указанных направлениях (с севера на юг и с запада на восток) увеличиваются среднемесячные температуры вегетационного периода и уменьшается количество летних осадков. Падает относительная влажность воздуха и увеличивается величина испаряемости. Агропочвенные условия На водосборе р. Таналык распространены серые и темно-серые лесные почвы, а в долинах рек - средне- и маломощные горные оподзоленные выщелоченные черноземы и лугово - черноземные почвы. Под пашни освоены все степные и пригодные для этих целей площади. В сельскохозяйственном отношении территория является малоосвоенной. В почвенном покрове степной зоны преобладают черноземы (рис. 1.3).
В понижениях рельефа распространены лугово-черноземные, торфяно-болотные, влажно-луговые почвы. Аллювиальные почвы развиты в долинах рек. Структура почвенного покрова Баймакского района представлена различными подтипами почв черноземов (55,4 % от общей площади), серых лесных (0,2 %), солонцов (1,2 %), пойменных (2,9 %) и другими типами почв.
Общая площадь почв солонцово-солончакового комплекса на территории Баймакского и Хайбуллинского районов составляет порядка 24 тыс. га [223].
Высокая распаханность территории водосбора и сложный рельеф обусловили значительную подверженность пашни эрозионным процессам. По факторам, определяющим развитие эрозионных процессов, по интенсивности их проявления исследуемая территория относится к зоне преимущественного проявления ветровой и слабой водной эрозии. При этом 38,4% пашни подвержено слабой эрозии, 7,6% - средней и 2,4% - сильной [223].
Степные площади, составляющие значительную часть территории исследований, подвергаются главным образом дефляции. Эти процессы существенно усилились в связи с началом интенсивного освоения целинно-залежных земель (1954-1963 гг.). Пыльные бури выдували с пашни до 10-15 см верхнего плодородного слоя почвы.
Обоснование необходимости обустройства водосбора р. Таналык
Понимание необходимости комплексного обустройства (мелиорации) водосборов сложилось еще во второй половине прошедшего столетия. Недостаточность знаний о закономерностях, определяющих взаимодействие и взаимовлияние природных и антропогенных факторов, о процессах, развивающихся в природной среде при вмешательстве в ее функционирование, является одним из главных препятствий на пути к обоснованию экологически и экономически эффективных мелиоративных мероприятий на водосборах. Мелиорация земель способна предотвратить ухудшение состояния окружающей среды, в этом ее важная экологическая роль. Для этого мелиоративные мероприятия должны быть адекватны природным условиям, а возможное развитие процессов, предсказуемо. В практическом аспекте это означает необходимость обоснования обустройства с учетом экологической устойчивости природной среды и геосистем как ее компонентов. Выявление особенностей строения и функционирования природных систем как объектов мелиорации в естественных и нарушенных условиях имеет определяющее значение для успеха мелиорации и является сложной, многоплановой задачей.
Основными факторами антропогенного воздействия на территории водосбора р. Таналык являются развитие сельского хозяйства и деятельность горнорудного комплекса. Наиболее распространенными среди антропогенных комплексов на территории водосбора являются агроландшафты. Вопросы рационального использования земельного фонда на основе анализа и учета неоднородности и изменчивости ландшафтной структуры территории все еще остаются недостаточно изученными и мало освещенными в научной литературе. Отсутствуют или слабо еще внедряются в практике комплексные (техногенно-адаптивные) системы землеустройства и землепользования, не используются существующие покомпонентные методические рекомендации по оптимизации природной среды.
По комплексу природных условий в пределах республики выделяют три зоны: лесостепную, степную и горно-лесную. В сельскохозяйственном отношении республику подразделяют на 6 зон: Северную; Северо-восточную и Южную лесостепные; Предуральскую и Зауральскую степные и Горно-лесную (рис. 2.1). В пределах республики выделяют 16 агропочвенных, 14 агрохимиче 41 ских, 12 почвенно-эрозионных районов.
Загрязнение включает в себя много разнообразных факторов, связанных большим количеством экологически опасных источников. В каждом конкретном случае следует определить вызывающий проблему загрязнитель, выяснить его источник, а затем разработать и внедрить приемлемую стратегию контроля. Экологическая ситуация на территории водосбора р. Таналык определяется: - количеством и составом поступающих в окружающую среду загрязнителей; - площадью территорий, где размещены источники опасных загрязняющих веществ; - особенностями природных условий водосбора [128]. На территории исследуемого водосбора наблюдаются существенные, часто необратимые изменения природной среды в условиях возрастающего антро 43 погенного воздействия, что требует экстренных мер, направленных на снятие экологической напряженности [137].
Деятельность горнопромышленного комплекса на водосборе р. Таналык привела к изменениям почвенного покрова, поверхностных и подземных вод при добыче полезных ископаемых открытыми горными выработками (карьерами, отвалами, дренажными канавами), к изменению рельефа вследствие интенсивных горных работ, к химическому преобразованию литосферы и нерациональному использованию ресурсов полезных ископаемых.
Экологические проблемы, вызванные деятельностью горнообогатительных комбинатов, обусловлены как составом перерабатываемых руд и горных пород, так и технологией их добычи. Экологические проблемы повсеместно носят комплексный характер. Это заключается во включении в техногенные миграционные потоки всех основных цепей распространения загрязняющих веществ: воздушной (дробление, обогащение, хранение отходов) и водной (водоотведение, сток с хвостохранилищ, технологические стоки при обогащении).
Для отдельных территорий водосбора характерны разнообразные антропогенные воздействия различной интенсивности. В результате этого многие при-родно-территориальные комплексы коренным образом преобразованы, и они становятся природно-техногенными.
При изучении и оценке нарушенности природных комплексов водосбора р. Таналык мы руководствовались следующими моментами: -взаимосвязь природных и антропогенных процессов, протекающих на водосборе р. Таналык, изучена недостаточно; -ввиду сложного взаимодействия компонентов и большого многообразия процессов, протекающих на водосборе р. Таналык, контролировать их очень сложно; -необходимо определить основные показатели нарушенности природных комплексов водосбора р. Таналык, которые в полной мере характеризуют изменение его структур и особенностей; -материалы по оценке нарушенности природных комплексов водосбора должны стать основой для принятия необходимых мер по созданию благопри 44 ятных условий устойчивого функционирования водосбора р. Таналык.
Соотношение между уровнем антропогенной нагрузки и природным потенциалом ландшафта водосбора р. Таналык свидетельствует об экологическом неблагополучии территории. Здесь важно выявлять характер взаимоотношения человека с природой и точно устанавливать (количественно и качественно) ответную реакцию природной среды на разного рода воздействия человека.
Антропогенная нагрузка на ландшафт оценивается по видам использования земель и характеру заселения территории (плотность населения). В данном случае вид использования земель рассматривается как с точки зрения сочетания территории и технических систем, располагающихся на этой территории, так и с точки зрения антропогенного, главным образом, техногенного, действия на природу [140]. В конечном счете, изучение и оценка природной среды водосбора р. Таналык имеет целью ранжировать её экологическое состояние на устойчивое и неустойчивое.
Макрокомпонентный состав поверхностных вод как показатель антропогенного воздействия на водосбор
Ухудшение качества воды реки может быть вызвано как естественными, так и антропогенными (хозяйственными) изменениями природной среды на территории водосбора. Хозяйственная деятельность человека на водосборе р. Таналык в последние десятилетия оказывает мощное воздействие на природную среду и приводит к появлению рассредоточенных и сосредоточенных источников загрязнения. Она приводит к уменьшению водности и ухудшению качества воды рек, значительно ограничивает их возможности как источников питьевого и технического водоснабжения и удовлетворения водопользователей многих сфер народного хозяйства. С учетом рассмотренных в предыдущих разделах закономерностей трансформации солевого состава поверхностных вод возникает необходимость выяснения долевого участия антропогенных факторов в генезисе выявленных изменений.
На качественное и количественное состояние водных ресурсов водосбора р. Таналык основное воздействие оказывают предприятия аграрного производства, стоки коммунально-бытовых и промышленных предприятий. Последние представлены в основном горнодобывающими предприятиями.
Река Таналык и ее притоки протекают по территории трех районов (Бай-макский, Зилаирский и Хайбуллинский). Основная хозяйственная деятельность, определяющая качество воды в реке, ведется на территории Баймакского и Хайбуллинского районов. На берегах р. Таналык и ее притоках расположены более 45 объектов, непосредственно влияющих на качество воды, поэтому необходимо проводить мероприятия по устранению источников загрязнения водосбора р. Таналык, особенно в водоохранных зонах. По данным МЧС в пределах водоохранных зон р. Таналык и их притоков в настоящее время расположены фермы КРС, коровники, откормочные площадки летних лагерей, нефтебазы, склады горюче-смазочных материалов, автозаправочные станции, ремонтные мастерские, отвалы пустой породы (у г. Бурибай), свинарники, конюшни, силосные ямы, навозохранилища, жижесборники и много другое.
Интенсивное сельскохозяйственное использование территории водосбора р. Таналык во второй половине XX века стало ведущим фактором поступления загрязняющих веществ в гидрографическую сеть. Интенсивному поступлению веществ в притоки способствовало слабое развитие пойм. Увеличение твердого стока связано с масштабными вырубками лесов, расширением площади полей, переходом на механическую обработку почв. Внесение минеральных удобрений трансформировало химический состав почвенно-грунтовых вод, что повысило вынос биогенных элементов в реки. Традиционная приуроченность населения к долинам основных притоков усиливает поступление веществ в водосбор р. Таналык.
Вследствие распашки водосборов трансформируется характер протекания процессов испарения, инфильтрации и стока атмосферных осадков, т.е. изменяются условия взаимодействия веществ с водой и их миграции в пределах окультуренных ландшафтов. В частности, усиливается передвижение веществ в минеральной форме и в составе твердой фазы почв. С другой стороны, агрохимическая деятельность человека приводит к увеличению содержаний минеральных компонентов в почвенных растворах и почвенно-грунтовых водах, что находит свое отражение в гидрохимических показателях речных вод.
Почвенный покров трансформирует выпавшие осадки в речной сток. Важнейшее значение при этом имеет способность пропускать воду вглубь и удерживать ее. От этого зависят размеры стока, расход воды на испарение, транспирацию, питание подземных вод [149]. При слабой инфильтрационной способности почв (глинистого и тяжелого суглинистого состава) велик поверхностный сток, в почве влага аккумулируется мало.
Плотные тяжелые почвы Зауралья плохо пропускают дождевые и талые воды вглубь, поэтому загрязняющие вещества в значительной степени смываются в поверхностные водоемы - реки и озера. Эрозия почв, смыв удобрений и ядохимикатов с полей, промышленные загрязнения приводят к повышению мутности, изменению химического состава, возрастанию концентрации вредных примесей. Коммунально-бытовые стоки животноводческой отрасли приводят к загрязнению органическими веществами, бактериологическому загрязнению. Поступление некоторого количества удобрений в водные объекты является неизбежным следствием их массового применения. Этот процесс может усугубляться, если допускаются нарушения правил агротехники, не соблюдаются сроки внесения удобрений. С поверхностным и дренажным стоком с сельскохозяйственных угодий водосбора р. Тана-лык наиболее легко вымываются ионы СГ, SO2-, NOj, Na+, Са2+, Mg2+ , несколько слабее К+ и еще меньше — NH . Вынос ионов РО считается возможным только при поверхностном стоке, сопровождающемся водной эрозией почв.
Существенный негативный вклад в миграцию биогенных и органических веществ вносят животноводческие фермы, многие из которых расположены по берегам рек. При инвентаризации источников загрязнения окружающей среды в сфере агропромышленного комплекса выявлено 14 потенциально возможных источников поступления стоков в водные объекты водосбора р. Таналык. Многие животноводческие фермы, комплексы, летние лагеря и хозяйственные дворы расположены в водоохранных зонах или в непосредственной близости от них. Эти хозяйственные объекты не имеют очистных соорулсений, отсутствуют заградительные валы. В связи с этим стоки ферм, хозяйственных дворов поступают непосредственно в реки.
На водосборе р. Таналык животные в хозяйствах и у жителей образуют большое количество отходов, требующих обезвреживания. Содержание веществ в отходах одного крупнорогатого скота (КРС) за сутки составляет 180 г азота и 45 г фосфора.
Ежегодно в поверхностные водные объекты сбрасываются большие объемы сточных вод, в том числе около 40% без какой-либо очистки. Это приводит к изменению донных отложений, увеличению поглощения солнечной радиации, повышению температуры воды и нарушению баланса кислорода. Кроме того, изме 87 няется внутригодовое распределение стока реки при орошении сельскохозяйственных угодий и уничтожении прибрежной растительности [135, 137]. Основной причиной, способствующей загрязнению вод, является несоблюдение режима хозяйственной деятельности в водоохранных зонах водных объектов, зонах санитарной охраны источников питьевого водоснабжения. В связи с этим происходит существенное угнетение сложившихся водных и береговых экосистем.
Вероятностная оценка аварий на водохранилищах
Одной из основных задач оценки и управления рисками является определение количественных характеристик опасности (количественная оценка риска). Зная эти характеристики, можно на базе общих методов разработать эффективные частные методы обеспечения безопасности и оценивать существующие технические системы и объекты с точки зрения их безопасности.
Анализ статистики аварий и повреждений гидротехнических сооружений свидетельствует о практической невозможности достижения абсолютной безопасности, так современные нормы допускают вероятность аварии 0,0001-0,00001 [113]. Для водохранилищ важно знать, какой уровень риска или безопасности приемлем и обеспечивает достижение максимальной выгоды при минимальной опасности.
Таким образом, для оценки риска и безопасности сооружений на водосборе определим вероятность аварийной ситуации на ГТС. По формуле полной вероятности [42] для рассматриваемых условий, определяем вероятность аварийного события С, которое может наступить только при условии появления одного из возможных событий Н], Н2, Н3, ... НП) образующих полную группу попарно несовместимых, и определяется как сумма произведений вероятностей каждого из событий Hi, Н2, ИЗ, ... Нп и соответствующей условной вероятности событий С, т.е. Р(С) = Р(Я,)/ Я(С), (4.1) где Ри (С) -вероятность возникновения головного события С; Р(#,) - веро ятность возникновения инициируемого события Я,. В нашем случае эта формула преобразуется в прикладную: Р(С) = / (#, )PC (С) (4.2) Определение частоты возникновения аварийных ситуаций на ГТС водохранилищ основано на их распределении во времени [8].
Для определения частоты перехода в аварийное состояние сооружений, определим А, как отношение числа перешедших в аварийное состояние сооружений гидроузла рассматриваемого вида в единицу времени, к среднему числу этих сооружений, исправно работающих в данный отрезок времени [190,191]. Итак, в даном разделе выполнен первый шаг по количественному определению частоты аварии Рв на ГТС водохранилищ, которая является одной из составляющих при определении рисков аварий на водосборах. Следующим этапом должно быть определение количественной величины вреда, возникающего вследствие аварийной ситуации ГТС, для населения и техно - природных компонентов водосбора.
Для того чтобы правильно оценить возможность возникновения аварий на гидротехнических сооружениях водохранилищ водосбора р. Таналык, прежде всего, необходимо выделить те причины, которые приводят к их появлениям. Поэтому целью данного раздела является анализ факторов, приводящих к авариям на гидротехнических сооружениях водосбора р. Таналык.
Все факторы, влияющие на возникновение аварий на сооружениях, можно разделить на внешние, влияние которых не предусмотрено заранее конструкциями данного сооружения, и факторы, связанные с техническими нарушениями самого гидроузла.
Основным из наиболее значимых факторов риска возникновения аварий на гидротехнических сооружениях, является надёжность работ гидроузлов. Имеющиеся в Республике Башкортостан объекты по надежности сооружений можно разделить на три основных вида состояний: 1) Надежное (работоспособное) эксплуатационное состояние, при котором сооружение соответствует всем требованиям нормативных документов и проекта при действии нагрузок основного сочетания. 2) Удовлетворительное (частично неработоспособное) эксплуатационное состояние ГТС, при котором значения хотя бы одного контролируемого показателя стали больше (меньше) соответствующих критериев безопасности, а само сооружение находится под действием нагрузок и воздействий, не превышающих предусмотренные проектом значения нагрузок особого сочетания. 3) Предаварийное (предельное) эксплуатационное состояние ГТС. В этом случае сооружение имеет повреждения или дефекты, при которых оно не может эксплуатироваться под воздействием основного сочетания нагрузок ввиду угрозы аварии. При таком состоянии ГТС его нельзя эксплуатировать в проектном режиме.
С точки зрения энергоэнтропийной концепции опасности [58] выделяют 3 источника воздействия, непосредственно влияющих на возникновение аварийной ситуации на ГТС: действие энергии окружающей среды (воздействие приходящей воды во время прохождения паводков); внутренние источники энергии (связаны как с рабочими процессами, протекающими в гидроузле, так и с работой отдельных его частей, например, сифонного водосброса); потенциальная энергия (содержится в материалах и элементах гидроузла в процессе его сооружения). Воздействие таких видов энергии вызывает в элементах сооружения процессы, связанные со сложными физико-химическими явлениями, приводящими к деформации, износу, коррозии и другим видам повреждений.
Сооружения водохранилищ существенно отличаются от других инженерных сооружений тем, что они подвергаются воздействию движущейся или находящейся в покое воды. При этом водоподпорные гидросооружения испытывают наряду с вертикальными и большие горизонтальные нагрузки, в виде давления воды, отложившихся наносов и др. [58].
Фильтрационные воды, проходящие через тело и основание плотины, создают фильтрационное давление W(j„ которое может вызывать различные фильтрационные деформации грунта - суффозию, фильтрационный вынос грунта, контактные размыв и выпор (отслаивание).
Повреждения на ГТС сопряжены с серьезными угрозами для жизни и здоровья людей, состояния окружающей природы и других ценностей. Игнорирование и недоучёт того или иного фактора может иметь самые непредсказуемые последствия. В то же время выделить среди возможных причин аварий и нарушений превалирующие для конкретного, индивидуального объекта очень сложно. Поэтому при построении сценариев возникновения аварийных ситуаций на водосборах необходимо, во-первых, исходить из потенциальной возможности наступления различных нежелательных событий и состояний, во-вторых, учитывать самые разнообразные причины их реализации.
