Регулирование и территориальное перераспределение стока Зав кафедрой КИВР

Регулирование и территориальное перераспределение стока Зав. кафедрой КИВР ФГОУ ВПО МГУП Раткович Л. Д.

Регулирование речного стока • Несмотря на значительные запасы природных вод, их часто бывает недостаточно по причине неравномерного распределения по территории и во времени. Характерный для многих рек России водный режим с весенним половодьем, осенними дождевыми паводками и длительной летне-осенней и зимней меженью отличается от режима использования вод. Хозяйственно-питьевое водоснабжение требует воды почти равномерно весь год, как и промышленность. Высокие зимние расходы нужны гидроэнергетике. Весной необходимы высокие расходы воды для прохода рыб на нерест. Летом нужно орошать земли. Для того чтобы вода служила обществу необходимо строительство гидроузлов для регулирования стока. • Регулирование речного стока это вид антропогенного воздействия, заключающийся в направленном изменении естественного гидрологического режима рек с целью его использования для хозяйственных целей или защиты от опасных проявлений водной стихии. Регулирование стока может быть масштабным и локальным. Это зависит от конкретных проектных задач и способов их решения.

ПРИЧИНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ • • • Действительные причины регулирования речного стока, обусловленные необходимостью решения конкретных задач, приведены ниже: несовпадение водного режима и режима требований к водным ресурсам. Режим водопользования и водный режим рек, как правило, не совпадают. Причем несовпадение имеет место во всех временных интервалах, от суток до многолетия. Поэтому и типы регулирования имеют соответствующие названия – суточное, сезонное, многолетнее. недостаточная водообеспеченность отраслей экономики на современном уровне развития и в планируемой перспективе. Отбирая воду из источника, нельзя просто изменить гидрологический режим, необходимо после воздействия сохранить санитарно-экологическое состояние «страдающего водного объекта» . высокая изменчивость стока внутри года и в многолетнем разрезе. Данное обстоятельство сильно ограничивает возможности отбора из живого тока, либо просто исключает такие возможности. необходимость обводнения пойм рек, подверженных опасности истощения водных ресурсов необходимость защиты территорий от водной эрозии, наводнений, селей

РАСПОЛАГАЕМЫЕ РЕСУРСЫ И МАСШТАБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА • • В России имеется около 4270 км 3 возобновляемых ресурсов речных вод. Большая часть названного объема (более 70 %) приходится на Сибирь и Дальний Восток, а не на экономически более развитые регионы России (Центральный, Приволжский, Северо-Кавказский, Уральский). Как следствие - напряженность водохозяйственной обстановки, усугубляемая тем, что в процессе водопотребления изымается значительная часть минимального стока зимнего периода. В бассейнах рек Дон и Кубань цифры безвозвратного водопотребления особенно велики. Изъятие стока этих рек, впадающих в Азовское море, составляет примерно 30% от среднемноголетнего стока, главным образом на орошение (отметим, однако, что в настоящее время наблюдается резкое падение водопотребления орошения практически по всем бассейнам). Помимо высокой степени антропогенной нагрузки непосредственно на эти бассейны, имеет место сокращение пресного притока в Азовское море, определяющее неблагоприятную для рыбы динамику изменения солености. В стране построено более 2300 средних и крупных водохранилищ с объемом порядка 900 км 3, в том числе примерно 260 считаются крупными и особо крупными. Кроме того, значительную роль играют так называемые малые пруды и водохранилища, которые решают локальные задачи водообеспечения и защиты от наводнений. Число таких объектов десятки тысяч.

Виды регулирования стока • Виды регулирования стока включают три основных группы, отличающиеся схемой реализации; режимом водоподачи к целевому створу и характером изменения гидрологического режима. Наконец по масштабам влияния можно выделить объекты местного значения; государственного или регионального значения и трансграничные. • Русловые водохранилища располагаются непосредственно в русле реки, контролируя сток в створе плотины. Такая компоновка не всегда возможна по топографическим или гидрогеологическим условиям. В таких случаях может использоваться схема размещения регулирующей емкости в имеющемся естественном понижении, балке, где указанные условия соблюдаются. В этом случае устраивается деривация в виде канала, туннеля или водовода, транспортирующих воду реки к месту предполагаемой аккумуляции стока

Гидротехническое строительство • • Середина и вторая половина 20 века ознаменовалась грандиозным гидротехническим строительством, результаты которого воплощены в многочисленных гидроузлах энергетического и комплексного назначения. Построен Иваньковский гидроузел (1937 г. ), водохранилища Волжско-Камского (1954 -1980) и Ангаро - Енисейского (1960 -1980) каскадов. Иваньковский гидроузел играет важную роль в водоснабжении Москвы (~ 80 м 3/с из общей суммы требований мегаполиса - 130 м 3/с). Другим источником водоснабжения Москвы является Москворецкая водная система (сл. слайд), которая в сочетании с Вазузской гидротехнической системой, ведет компенсированное многолетнее регулирование Москвы реки к створу Рублевского гидроузла. Иваньковский гидроузел расположен на р. Волге в 117 км ниже г. Твери. Подпор от плотины распространяется примерно до города. Само водохранилище находится в пределах Московской и Тверской областей. Кроме водоснабжения Москвы и прилегающих территорий, в системе решаются вопросы гидроэнергетики и водного транспорта, рыбного хозяйства, обводнения рек Яузы, Клязьмы, Учи. Проплывая, тем не менее, на теплоходе по каналу им. Москвы, нельзя забывать, что история этой и многих других строек коммунизма связана с искалеченными судьбами и гибелью миллионов людей, ставших жертвами сталинских репрессий. Большая часть водохранилищ России расположена в Приволжском и Центральном федеральных округах, в бассейнах рек Волга и Дон. Сейчас, после многолетнего перерыва в стране возрождается гидроэнергетическое и водохозяйственное строительство. Пущена и достраивается Бурейская ГЭС на р. Бурее, левобережном притоке Амура. Возобновлено строительство Богучанской ГЭС, одной из ступеней Ангаро Енисейского каскада (АЕК). Установленная мощность АЕК составляет более 20 тыс. мвт с выработкой электроэнергии около 100 млрд квт*час в год.

МОСКВОРЕЦКАЯ ВОДНАЯ СИСТЕМА

ВОЛЖСКО-КАМСКИЙ КАСКАД Иваньковское - 0. 81 км 3 Камское - 9. 8 км 3 Угличское - 0. 81 км 3 Рыбинское - 16. 7 км 3 Воткинское - 3. 7 км 3 Нижегородское - 3. 9 км 3 Чебоксарское - 5. 4 км 3 Нижне - Камское - 4. 6 км 3 Куйбышевское - 33. 9 км 3 Саратовское - 1. 75 км 3 Волгоградское- 8. 3 км 3 Каспийское море

Многолетнее регулирование стока • В тех случаях, когда ресурсов расчетного года недостаточно для удовлетворения отраслевых и санитарно – экологических требований, возникает необходимость многолетнего регулирования. Многолетнее регулирование требуется и в тех случаях, когда сток остромаловодных лет (90% и 95% обеспеченности) меньше сокращенных объемов требований с учетом их допустимой урезки. Во многих случаях многолетнее регулирование требует строительства крупных водохранилищ, что ведет к дополнительным затоплениям и подтоплениям территорий. Многолетнее перераспределение стока, как правило, связано с решением множества хозяйственных и экологических проблем. Характерным примером многолетнего регулирования стока в условиях комплексного использования водных ресурсов является река Иртыша (Бухтарминская ГЭС) и ее притоки Тобол и Ишим, где хозяйственные проблемы тесно переплетаются с вопросами межгосударственного вододеления.

Бухтарминская ГЭС — 1966 год, установленная мощность 675 мвт, среднегодовая выработка — 2, 5 млрд к. Вт*ч, расчётный напор - 67 м; объем водохранилища – 53 км 3 (31 км 3 – полезный объем).

Многолетнее регулирование стока • Еще одним известным в России водохранилищем многолетнего регулирования является Цимлянское водохранилище, которое является гарантом водопользования в бассейне Дона. Водохранилище работает в интересах водообеспечения отраслей экономики, включая энергетику и водный транспорт. Водохранилище общей емкостью 21, 5 км 3 (полезная емкость 12, 6 км 3) образовано 13 – ти километровой плотиной, создающей напор 27 м. Мощность при плотинной ГЭС 160 тыс. квт. Следствием многолетнего регулирования явилось практически полное прекращение половодий и иссушение пойменных земель Нижнего Дона, нарушившее естественное воспроизводство рыб в Азовском море. Воды Дона сильно загрязнены промышленными стоками центрально-черноземной зоны и Донбасса.

Территориальное перераспределение стока • Территориальное перераспределение стока стоит в числе наиболее часто обсуждаемых в нашей стране водохозяйственных проблем. Отчасти это связано с активной поддержкой Ю. М. Лужковым одного из сложных и масштабных проектов нашего времени - переброски части стока сибирских рек в Среднюю Азию. Но главным образом потому, что данная проблема является вероятной составляющей стратегии перспективного использования водных ресурсов страны. • Основная причина территориального перераспределения стока заключается в неравномерности распределения природных вод, несоответствии в распределении водных и других природных ресурсов географии размещения водоемких отраслей экономики. В частности, южные районы, где сосредоточены благоприятные агроклиматические ресурсы, недостаточно обеспечены водой. Многочисленные каналы Средней Азии и Казахстана требуют отдельного рассмотрения, поскольку их рождение связано с древними историческими особенностями, необходимостью обводнения пустынных и безводных областей.

МВС и канал им. Москвы • Наиболее эффективны системы территориального перераспределения стока, если они создают единые водохозяйственные комплексы с централизованным управлением водными ресурсами. Характерный пример – Москворецкая водная система в сочетании с Вазузской гидротехнической системой и Каналом им. Москвы, входящего в Волжскую водную систему в зоне деятельности Московско-Окского БВУ. • Считается, что Волжская система переброски, соединяющая две реки Москву и Волгу, обладает высокой водохозяйственной, экономической и социальной эффективностью, не оказывая значительного негативного воздействия на экологическое состояние прилегающих территорий.

Канал им. Москвы • Целью строительства канала кроме водоснабжения столицы и прилегающих районов Московской области являлось санитарное обводнение рек и создание транспортной магистрали, соединяющей Москву с пятью морями Европейской части страны. • Волжская вода поступает в канал длиной около 130 км из Иваньковского водохранилища с помощью пяти насосных станций, поднимающих воду на высоту 38 метров. Водораздельный бьеф канала им. Москвы состоит из группы водохранилищ (Икшинского, Пестовского, Пяловского, Учинского (Акуловского), Клязьминского и Химкинского), после чего сливается с р. Москвой.

Канал им. Москвы Схема продольного профиля канала им. Москвы Плановая схема водоподачи

Предпосылки территориального перераспределения стока: • Неравномерность распределения природных вод по территории РФ • Несоответствие в распределении водных и других природных ресурсов • Малая водообеспеченность южных районов страны, где сосредоточены благоприятные агроклиматические ресурсы

ТИПЫ ПЕРЕБРОСОК • Межрегиональные • между азиатской и европейской частями РФ; северными и южными склонами – Сибирских рек в (Волгу), в Ср. Азию и Казахстан, северных рек в Волгу • Региональные : • межбассейновые (Волго – Дон; Чусовая – Исеть) • внутрибассейновые (Тобол) Суммарный объем перераспределяемой воды оценивается по стране примерно в 80 км 3

Мотивация перебросок • • • не хватает собственных водных ресурсов рассматриваемого водотока без регулирования стока, а регулировать нет возможности по топографии, большой площади затопления и т. д. перебрасывать выгоднее с экономической или экологической точки зрения, а специальные водохозяйственные мероприятия по экономии воды и поддержанию ее качества недостаточны даже при высокой стоимости • качество воды по месту использования неприемлемо, полная очистка стоков несоизмеримо дороже дотации стока извне (водоснабжение Екатеринбурга из бассейна р. Уфы) • необходимость создания единых водохозяйственных комплексов с централизованным управлением водными ресурсами • в зоне интенсивного использования стока полностью исчерпаны водные ресурсов (Средняя Азия)

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЗОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАКТ ПЕРЕБРОСКИ ЗОНА ИЗЪЯТИЯ БВ

Водохозяйственные задачи в проектах переброски • оценка возможного отбора стока в зоне изъятия в условиях бесплотинного водозабора и с регулированием стока, построение многопараметрических анализирующих зависимостей для выбора проектного варианта • определение пропускной способности тракта, перерегулирование стока в график водопотребления, зимний режим канала, сокращение потерь на испарение и фильтрацию, инженерное и водохозяйственное решение пересечений с водотоками по трассе переброски • оптимальное распределение водных ресурсов в зоне водоподачи • Снижение эксплуатационных затрат, связанных с насосной подкачкой • Другие инженерные задачи

Мировые тенденции в области территориального перераспределения водных ресурсов • • Проблема гарантированного водообеспечения растущего населения земного шара, сельскохозяйственного и промышленного производства является одной из наиболее актуальных проблем современности. Напряженное положение с ресурсами пресных вод во многих районах мира, прогрессирующее загрязнение рек и водоемов заставляют изыскивать новые способы экономии воды, очистки сточных вод и освоения дополнительных источников водоснабжения. Все актуальнее становятся вопросы оценки водных ресурсов и водопотребления, прогноза их состояния на ближайшую и отдаленную перспективу, охраны водных объектов. По оценке Лондонского института стратегических исследований, в ХХI в. главной причиной конфликтов и войн будет борьба за водные ресурсы. Эксперты предупреждают, что становящаяся “международным товаром” вода будет в ХХI в. тем же, чем в ХХ в. была нефть, а в недалеком будущем цена литра воды превысит цену литра бензина.

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ АЛЬТЕРНАТИВА ПЕРЕБРОСКАМ • • В качестве одного из возможных путей решения водной проблемы рассматривается временное и территориальное перераспределение речных вод. Однако исследования последних лет показали, что по мере роста масштаба перебросок стока рек стоимость их становится очень высокой, влияние на окружающуюю природную среду значительным, а прогноз влияния в достаточной степени неопределенным. Кроме того оказались чрезвычайно сложно преодолимыми социально-правовые и политические аспекты проектов территориального перераспределения больших масс воды между различными природными и административными районами. В связи с этим в настоящее время во многих странах мира к осуществлению проектов перебросок стока подходят с большой осторожностью, выполняя комплексные научные исследования по их обоснованию, изыскивая всевозможные альтернативные варианты восполнения дефицита водных ресурсов помимо перебросок, осуществляя различные мероприятия по экономному использованию пресных вод, по сохранению их качества. Проекты крупномасштабных перебросок стока стали предметом ожесточенных дискуссий и критики, в основном с природно-экологических позиций.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ • • • В настоящее время среди всех подобных мероприятий, можно отметить следующие: экономия и охрана водных ресурсов путем резкого снижения водопотребления сокращение или полное прекращение сбросов в озерно-речную сеть сточных вод более полное использование местных вод в результате сезонного и многолетнего регулирования стока расширение использования соленых морских и подземных вод сработка (в ограниченных пределах) вековых запасов воды в озерах, льдах и снеге активное воздействие на процессы осадкообразования Перечисленные способы получения дополнительных ресурсов прес-ных вод разнообразны и специфичны. Они требуют больших материальных затрат, имеют те или иные ограничения и оказывают значительные воздей-ствия на окружающую среду. Отдать предпочтение тому или иному спосо-бу (за исключением экономного использования воды, а также очистки сточных вод, которые всегда необходимы) можно только сравнивая их по всему комплексу показателей.

Наиболее известные проекты • Многие годы идет дискуссия о целесообразности переброски части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря. Проект разрабатывался более, чем сотней учреждений СССР, включая НИИ, занимающиеся вопросами экологии. В последнем варианте проекта предусматривалась переброска 27 км 3 год из нижнего течения Иртыша каналом протяженнос-тью более 2000 км с водоподачей в бассейны Сыр-Дарьи и Амударьи. Расчетный расход канала нес-колько выше 1000 м 3/с. Канал должен был проходить через дефицитные по воде районы РФ – Тюменскую, Курганскую и Челябинскую области, где предполагалось «оставить» примерно 3 -4 км 3 и территорию Казахстана (см. публикации Н. С. Гришенко по теме).

СХЕМА КАНАЛА СИБИРСКОЙ ПЕРЕБРОСКИ

Зарубежные проекты • Причиной переброски стока может быть чисто экологическая проблема. За последние несколько десятилетий уникальное Мертвое море, расположенное на границе между Израилем, Иорданией и Западным берегом Иордана, потеряло более трети своих запасов, и ему грозит полное исчезновение. По сообщениям прессы около двух десятков стран готовы участвовать в масштабном проекте переброски вод из Красного в стремительно высыхающее Мертвое. • США, Япония и Нидерланды взяли на себя большую часть финансирования ТЭО проекта под патронажем Всемирного банка. Планируемый объем переброски оценивается в два кубических километра. Из названного объема 850 млн. м 3 предполагается опреснить и использовать для покрытия дефицита воды в засушливых областях Иордании, Израиля и Палестины. Остальная вода (1150 млн. м 3) пойдет на восполнение Мертвого моря. • Прогнозируемая стоимость реализации проекта составляет примерно 3, 5 млрд долларов включая возведение опреснительного комплекса. Противником проекта выступает Египет, считающий, что строительство канала экологически опасным.

КНР • Наиболее масштабным проектом территориального перераспределения стока, реализуемым в настоящее время, является переброска на север вод реки Янцзы, прогнозируемая стоимость которой близка к 60 млрд долларов. Предусматривается строительство трех каналов длиной 1300 км каждый для перевода в засушливые северные территории часть стока реки Янцзы, регулярно вызывающей на юге страны катастрофические наводнения. • Суммарный объем переброски к 2050 году должен достигнуть примерно 45 кубических километров. По центральной трассе вода Янцзы будет поступать в Пекин. Первая очередь строительства (от пяти до десяти лет) восточной и центральной трасс, увеличит водоснабжение северных районов на 13, 4 кубокилометров. Правительство КНР полагает, что идея проекта отвечает планам экономического развитием Китая. • Несмотря на опасения китайских ученых по поводу возможного уничтожения сотен памятников исторического наследия, считается, что осуществление проекта позволит уменьшить остроту проблемы водоснабжения северных районов, которая, в связи с ростом населения, может к 2030 году стать критической.

Заключение • Очевидно, любой из проектов территориального перераспределения стока требует основательных научных исследований, как в части эффективности самого проекта, так и многочисленных последствий его реализации. В зависимости от охвата территорий, происходят изменения гидрологического режима водотоков, взаимодействия поверхностных и подземных вод. Комплексные компенсационные мероприятия должны быть составляющей проекта. Необходим многофакторный анализ его эффективности: водохозяйственной, экономической, экологической и социальной.