Анализ влияния крупных водохранилищ на окружающую природную среду Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 630.378.4.627.81

С. В. Лабетиков, В. П. Корпачев, Н. Д. Гайденок

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КРУПНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ

Рассматривается влияние крупных гидросооружений на качество речной воды. Проводится анализ проблем, возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации водохранилищ.

Ярким примером использования водных ресурсов в Ангаро-Енисейском регионе служит гидроэнергетика. Водные ресурсы в регионе зарегулированы каскадом гидроузлов: на Енисее - Саяно-Шушенской, Майнской и Красноярской ГЭС, на Ангаре - Иркутской, Братской, Усть-Илимской ГЭС, в стадии строительства находится Богучанская ГЭС [1].

При проектировании, строительстве и эксплуатации водохранилище должно рассматриваться как склад воды или объект, существенно изменяющий исходное качество речной воды (улучшая или ухудшая ее показания); как акватория, используемая водным транспортом, лесосплавом, рыбным хозяйством, в целях рекреации; как объект, позволяющий в ряде районов значительно увеличить использование земельных ресурсов за счет ирригации, борьбы с наводнениями, территориального перераспределения стока; как объект, вносящий заметные изменения в природу и хозяйство речных долин, дельт, озер. В связи с этим понятно, насколько велико значение проблемы правильной оценки качественных изменений речного стока, взаимосвязанных природных и антропогенных явлений, обусловленных эксплуатацией водных ресурсов [2].

Проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией крупных гидротехнических сооружений, можно разделить на первичные, предвиденные на стадии проектирования, и вторичные, возникающие как следствие возведения гидросооружений и водохранилищ. Кроме того, возникают и научно-технические проблемы.

Из первичных проблем выделим основные:

- выбор генеральной схемы использования водных ресурсов;

- обоснование оптимальных параметров гидроузлов и водохранилищ;

- мониторинг водных, земельных и лесных ресурсов в зоне строительства гидроузла;

- эколого-экономическое обоснование подготовки ложа водохранилища под затопление;

- инженерная защита от затопления и подтопления городов, населенных пунктов, отдельных предприятий;

- восстановление на новом месте сельскохозяйственных угодий вместо затопленных водохранилищем;

- рыбохозяйственное освоение водоема, строительство рыбоходов, восстановление естественного воспроизводства рыб;

- транспортное освоение водохранилища: увеличение глубин, устройство убежищ для судов и плотов при штормах; создание новой судовой обстановки, строительство пристаней; перевалка грузов через плотины;

- санитарная подготовка ложа перед затоплением (дезинфекция населенных пунктов, кладбищ, скотомогильников, ликвидация различных вредных загрязнений);

- агролесомелиоративные гидротехнические мероприятия по предотвращению водной и ветровой эрозии в зоне водохранилищ;

- лесосводка и лесоочистка ложа перед затоплением и посадка лесных насаждений на новом месте.

Более сложны и взаимосвязанны вторичные проблемы, последствия которых проявляются через многие годы после завершения строительства. Их во многих случаях трудно предсказать с достаточной научной обоснованностью. И многие из этих проблем так и остаются неразрешимыми в обозримом будущем.

Вторичные проблемы можно подразделить на экологические и социальные. Основные экологические проблемы следующие [1; 3]:

- эрозия береговой линии водохранилищ, переформирование берегов, дна, устьевых участков рек, впадающих в водохранилища, формирование баров;

- появление на акватории водохранилищ запасов плавающей древесины вследствие береговой эрозии;

- изменение уровня грунтовых вод;

- изменение температурного режима водной массы и окружающей среды, приводящее к повышению влажности, появлению интенсивных и продолжительных по времени туманов;

- дополнительные потери воды на испарение;

- изменение качественного состава воды в водохранилище;

- радикальные изменения растительного и животного мира;

- нарушения условий нереста рыбы;

- опасность провокации колебания земной коры в связи с сооружением крупных плотин и водохранилищ.

Суммируя перечень первичных и вторичных проблем, можно выделить основные последствия регулирования стока рек гидроузлами, оказывающие положительное или отрицательное влияние на хозяйственную деятельность и окружающую природу:

- изъятие земель под водохранилище и строительные площадки для возведения основных сооружений гидроузла, создания стройбазы и переустройства объектов хозяйства и выноса из зоны затопления, а также в связи с берегопереработкой и подтоплением территории выше критического уровня;

- ухудшение мелиоративного состояния земель в связи с их подтоплением водохранилищами;

- увеличение продолжительности затопления земель в верхнем бьефе гидроузлов, особенно в хвостовой части водохранилищ в связи с подпором стока реки;

- сокращение частоты (вероятности) и продолжительности затопления пойменных земель в период весеннего

половодья на участке, расположенном в нижнем бьефе гидроузла;

- создание условий для самотечного орошения при заборе воды из водохранилища;

- повышение зимних уровней реки в нижних бьефах ГЭС, вызывающих затопление и подтопление приречных территорий и образование на них наледи;

- изменение условий судоходства и отстоя судов в межнавигационный период;

- изменение технологий лесосплава на зарегулированных реках;

- затопление лесопокрытых территорий;

- изменение условий эксплуатации жилищных, коммунально-бытовых, промышленных предприятий, водозаборных сооружений, выпусков сточных вод и других объектов вследствие повышения или снижения расходов и уровней воды в верхнем и нижнем бьефе гидроузлов;

- ухудшение условий миграции и воспроизводства проходных и полупроходных рыб, сокращение площади естественных нерестилищ;

- изменение санитарного состояния реки, физико-химических и медико-биологических свойств воды;

- изменение климатических и ландшафтных условий;

- недостаточно глубокая проработка проблем и отступление от обоснованных проектных решений в период строительства и эксплуатации, зачастую приводящие не только к огромным материальным убыткам, но и к необратимым экологическим последствиям.

Для доказательства того, что эти проблемы реальны и требуют разрешения, приведем лишь некоторые факты [3; 4].

Прежде всего отметим абразию берегов и ложа. Берега водохранилищ находятся под воздействием ветровых волн, движущихся вдоль берега течений, колебания уровня воды, воздействия ледяного поля. Наибольшую опасность для берегов водохранилищ представляют волновые нагрузки и береговые течения. Здесь переработка берегов идет наиболее интенсивно в первые годы эксплуатации - от 5 до 10 лет, а для стабилизации берега требуется срок от 20 до 30 лет.

Скорость отступления берегов составляет десятки и сотни метров в год. Так, на Братском водохранилище берег с 1962 по 1967 гг. отступил на 759 м.

Переработка берегов - в значительной мере процесс дискретный: на наиболее активное разрушение происходит во время штормов. Это говорит о том, что именно волнение является основной причиной абразии берегов водохранилищ. Перемещение и переотложение продуктов происходит под воздействием волнения и вдоль береговых, генерируемых волнением течений.

На водохранилищах абразионные и аккумулятивные берега весьма динамичны и изменчивы, так как процесс их формирования происходит при частом изменении уровня, иногда весьма значительном: на некоторых равнинных водохранилищах уровень при сработке меняется до 8 м и более. Такой уровневый режим усиливает абразию берегов и их протяженность, которая на некоторых водохранилищах достигает от 50 до 70 % и более от общей длины. Так, длина абразионных участков на Братском водохранилище составляет 41 %.

Береговая эрозия видна даже невооруженным глазом. Так, на Красноярском водохранилище более 1 000 км пе-

риметра берега подвержены деформациям, а на отдельных участках бровка берега отошла более чем на 300 м. Причиной береговой эрозии служат колебания уровня воды в водохранилище, волновое воздействие на берега.

На береговую эрозию большое влияние также оказывают ледяные поля, которыми покрываются водохранилища Сибири. Узкий каньон, в котором расположено водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС, и сработка уровня водохранилища за зимний период до 40 м и более значительно ослабляют покрытие береговых склонов водохранилища: ледяные поля, осевшие на склонах, ломают затопленный древостой и кустарники.

Опыт эксплуатации Братского и Усть-Илимского водохранилищ показывает, что наибольшая активизация эрозивных процессов отмечается в местах сведения лесных массивов и уничтожения почвенно-дернового покрова. При промежуточном заполнении Усть-Илимско-го водохранилища 70 % вновь образованных оползней-смывов по крутым береговым уступам приходилось на участки со сведенным лесом. Эти водохранилища формировались в руслах рек, расположенных в лесопокрытой зоне. Поэтому, несмотря на разнообразие процессов формирования лож водохранилищ, их объединяет одна проблема - затопление лесных массивов и процесс формирования запасов плавающей древесной массы на акваториях водохранилищ.

Следует отметить активизацию абразионного процесса, происходящую в последние годы на Иркутском водохранилище на береговых склонах, формирующихся в лесовидных суглинках по правому берегу в приплотненной части. В осенний период 1994 г. величина размыва здесь составила около 5 м, а в период с 1987 по 1994 гг. среднегодовая величина отступления бровки берегового уступа изменялась от 3 до 6 м.

Интенсивное протекание и активность техногенных процессов привели к значительным потерям земель, которые на 1995 г. составили более 6 тыс. га.

Негативное влияние на окружающую природную среду оказывает повышение уровня воды в верхнем бьефе и посадка уровня воды в реке в нижнем бьефе.

Так, повышение отметки нормального подпорного уровня (НПУ) Новосибирского водохранилища на 20 см привело к активизации негативных процессов в береговой зоне и подтоплению территорий, способствовало появлению в зоне берегового разрушения падающего леса, возникновению очагов энтомовредителей и грибковых заболеваний, а в целом - к снижению рекреационных функций леса и увеличению капиталовложений на берегоукрепительные работы. А в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС произошла значительная посадка уровня реки (1,5 м) вследствие размыва русла, главным образом за счет искусственной выемки грунта из русловой части. Ухудшилось естественное орошение поймы.

В качестве другого примера рассмотрим реку Ангара, имеющую очень малый сток. Мутность реки в естественном состоянии составляла от 25 до 50 г / м3. Твердый сток в створе Богучанской ГЭС уменьшится в связи с постройкой вышележащего Усть-Илимского водохранилища.

Недостаток насыщения реки наносами ниже плотины, являющийся следствием отложения их в водохрани-

лище, восполняется размывом русла реки, с которым приходится считаться. Расчеты показали, что при расходе воды 1 % обеспеченности <2 = 11 950 м3 / с дно реки в нижнем бьефе Богучанской ГЭС в пределе понизится до

1.2 м, а непосредственно за сооружением - от 0,8 до 1,0 м.

Подъем уровня грунтовых вод после затопления водохранилища вызывает такие отрицательные последствия, как заболачивание и засоление почвы в лесостепной и степной зонах, ухудшение санитарного состояния местности.

Влияние подъема уровня грунтовых вод на прилегающей к водохранилищу территории выявляется реакцией древесного яруса, т. е. изменением текущего периодического прироста по диаметру, высоте и объему за период до и после образования водохранилища. Отрицательное влияние подтопления в сильной степени прослеживается обычно до высоты 1,0 м над НПУ, в умеренной и слабой степени - до высоты 3,0 м.

Потери воды за счет разности испарения с водной поверхности водохранилища и с той же поверхности до затопления составляют 4 % от объема, т. е. огромные объемы водохранилищ служат не столько источником аккумулирования пресной воды, сколько дополнительным источником потерь воды. Так, ежегодные потери воды на испарение в Куйбышевском водохранилище составляют

1.2 км3, Волгоградском - 1,1 км3, Бухтарминском - 1,5 км3.

Водохранилища ГЭС представляют собой важную

часть рыбохозяйственного фонда внутренних водоемов страны. Улов рыбы в водохранилищах, как правило, превышает вылов местной рыбы, оставшейся в речных условиях до гидростроительства. Однако улов рыбы в подавляющем большинстве водохранилищ оказывается более низким, чем предполагали рыбохозяйственные прогнозы.

Таким образом, проблема эффективной эксплуатации крупных водохранилищ требует детальных знаний об особенностях функционирования их экосистем.

На базе кафедры использования водных ресурсов Сибирского государственного технологического университета (СибГТУ) была предпринята попытка решить одну

из рассмотренных выше проблем. Авторами была дана оценка антропогенного воздействия на планктонное сообщество реки Енисей на участке Минусинск - Дивно-горск, на основании которой разработаны рекомендации по повышению эффективности эксплуатации Красноярского водохранилища.

Под процедурой оценки антропогенного воздействия на планктонное сообщество понимается измерение количественных показателей функционирования биоценоза на данном участке в естественном состоянии и сравнение их с теми же показателями, но полученными уже после зарегулирования стока.

Для обоснования выбора планктонного сообщества в качестве объекта исследования потребовалось определение гидрологического статуса рассматриваемого участка, т. е. характеристики экотопа (табл. 1). Исходными данными для модели функционирования экосистемы Красноярского водохранилища послужила информация по экототопу и биоценозу, полученная в ходе анализа периодической литературы и годового полевого эксперимента проведенного с 4 февраля 2004 г. по 17 февраля 2005 г. Результаты этого эксперимента по определению объемов выноса органического вещества и биогенов (азот, фосфор) вблизи гидрометеопоста, расположенного в поселке Хмельники в центральной части Красноярского водохранилища позволило дополнить представление о гидрохимическом режиме рассматриваемого участка.

В ходе обработки проб на кафедре аналитической химии СибГТУ были использованы стандартные методики ИСО по определению концентраций органического углерода, минерального фосфора и минеральных форм азота.

Полученные данные показали, что наиболее существенные преобразования в результате антропогенного воздействия испытал на себе такой блок биоценоза, как планктонное сообщество. Изменение параметров окружающей среды перестроило саму структуру биоценоза: на месте сугубо рефильных ценозов возникли типично лимнические.

Таблица 1

Характеристика антропогенного воздействия на экотоп верхнего участка реки Енисея

от Минусинска до Дивногорска

ЩказатєХь ПєриОд ПєриОд упрарХяємОгО

єстєстРєннОгО стОка стОка

ТєрритОриаХьньїй, км2 180 2 000

ГидрОграт ичєский:

срєдняя гХубина, м 3,5 50

срєдняя пЦюадь стРОра, м2 2 100 150 000

^бъЕМ, КМ3 0,73 73

Обьєм накОпХєния аХХОхтОннОй субстанфии, Мт / гОд 0 2,39

УрОРнєРьій, м 2,5 8,2

Г идрОтєрмичєский (срєдняя тємпєратура пєриОда), °С:

РєгєтафиОнньїй 10,1 9,4

ХєдОРьій 0,2 2

наХичиє гОмОтєрмии ПОстОяннО Вєсна, Осєнь

СкОрОстнОй, м / с 1,2 0,25

Расходный, м3 / с 392...5 900 2 020.4 250

Мутность, мг / X 82,6 7,4

Прозрачность, м 0,6 4

ОрганичєскОє РєюєстРО, мгС / X 6,1 3,2

МинєраХьньїй т Ост Ор, мгР / X 0,005 0,009

МинєраХьньїє т Ормьі азОта, мгЫ / X 0,54 0,28

Необходимость проведения вычислительного эксперимента для восстановления динамики продукции план-ктоноценоза потребовала разработки математического аппарата на основе направления Ивлева-Меншуткина, что дало алгоритм расчета фактического прироста биомассы, исходя из знания величины потребленной пищи. Затем было осуществлено практическое моделирование функционирования ^-видового сообщества организмов, представленного в виде точечной модели. Для этих целей использовалась система уравнений являющаяся обобщением ключевых зависимостей в выбранном направлении и позволяющая получить годовой прогноз продукции элементов планктоноценоза Красноярского водохранилища:

ГйХг(Г) / <И = 1(а}с-с, ) - ,Х + Р(Ь, X) - У(Ь, X), I с [Р, С, Л],

}

<1Хр) / йг = УХ + ИР,./! - а )С} -Ъсы + 1^Х+ Р(Ь, X,) - У(Ь, X,), ■I йХгО) / Л = ухг + У,хл + Их(1 - РД1 - а,} )С}-1сг + Р(Ь, хущ, X), ¿Хп(г) / М = УтХг +11(1 - ^)(1 - Ри)(1 - а} )с} - Есй + Р(Ь, X) - Щ, X), ' } '

^Х-(4 0) = х0,, (1)

где - коэффициент смертности; - доля детрита (не-заглоченная (^) + неусвоенная пища (V) + экзувиальная продукция (Рех); УЛг- скорость трансформации детрита в РОВ; Угп - скорость трансформации РОВ в биогены; У - доля РОВ в V и P .

* I ет

Выполненные авторами исследования позволили осуществить вычислительный эксперимент по функционированию экосистемы Красноярского водохранилища и восстановить динамику его планктонного сообщества, что сделало возможным проведение процедуры оценки антропогенного воздействия на планктонное сообщество реки Енисей на участке Минусинск - Дивногорск в полном объеме (табл. 2).

Сравнение распределения величин годовой продукции элементов биоценоза в период естественного и управляемого стока, данные о которых получены в результате вычислительного эксперимента на основе математической модели и являются принципиально новым знанием, отсутствующим в исследованиях других авторов, показывают, что величины продуцирования разных периодов различаются на порядок (100 и 1 600 ккал / м2 / год). Резко повысился уровень функционирования продуцентов. Однако здесь одновременно произошла смена доминанта функционирования: в естественном состоянии основная продукция создавалась микрофитобентосом, после зарегулирования реки - фитопланктоном.

Все указанные изменения являются отражением перемены гидрологического статуса рассматриваемого участ-

ка реки Енисей. В период естественного стока здесь был лотический режим и основную роль играл бентоценоз: средняя биомасса зообентоса и планктона - 2,2 и 0,4 г / м2 соответственно. После создания Красноярского водохранилища, являющегося сугубо лимническим водоемом, основную роль начал играть планктоноценоз: средняя биомасса зообентоса и планктона - 1,3 „ .2,4 и 67 г / м2 соответственно.

Таким образом, авторами впервые была предпринята попытка оценить антропогенное воздействие на планктонное сообщество Красноярского водохранилища за счет применения математического инструмента оценки. Верификация математической модели показала, что абсолютная ошибка результатов исследования не превышает 15 %.

Полученные результаты, касающиеся оценок биомасс и продукций планктонного сообщества Красноярского водохранилища, были внедрены в ФГУ «Енисейрыбвод», что дало положительный эффект при разработке квот добычи промысловых видов ихтиофауны в данном водоеме.

Традиционный подход к исследованию особенностей функционирования конкретной экосистемы, основанный на лабораторном анализе проб воды, уступает предложенной авторами данной статьи альтернативе по ряду показателей: во-первых, был не только охвачен вегетационный период, но и приведена полная месячная динамика по всему годовому циклу; во-вторых, был сведен к минимуму субъективный фактор за счет привязки результатов оценки к устойчивым законам функционирования экосистемы.

Библиографический список

1. Корпачев, В. П. Водные ресурсы и основы водного законодательства : учеб. пособие для вузов / В. П. Корпа-чев, И. В. Бабкина ; Сиб. гос. технол. ун-т. Красноярск, 2001. С. 76-81.

2. Корпачев, В. П. Некоторые проблемы взаимодействия крупных водохранилищ с окружающей природной средой / В. П. Корпачев ; Краснояр. гос. технол. акад. Красноярск, 1997.

3. Буторин, Н. В. Современное состояние и пути рыбохозяйственного использования водохранилищ ГЭС / Н. В. Буторин, А. Г. Подрубный, А. С. Стрельников // Влияние водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду. : материалы конф. и совещ. по гидротехнике / Всесоюз. НИИгидротехники им. В. Е. Веденеева. Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. С. 58-61.

4. Вышегородский, А. А. Красноярское водохранилище / А. А. Вышегородский, М. В. Петров, Т. Г. Андреева. Новосибирск : Наука. Сиб. изд. фирма Рос. акад. наук, 2006.

Таблица 2

Характеристика антропогенного воздействия на биоценоз верхнего участка реки Енисея

от Минусинска до Дивногорска

ПОказатеХь ПериОд естестРеннОгО стОка ПериОд упраРХяемОгО стОка

ФитОпХанктОн, ккаХ / м2 / г 10,6 1 369

БактериОпХанктОн, ккаХ / м2 / г 67,0 673

ПрОтОзОйный пХанктОн, ккаХ / м2 / г 1,2 347

МнОгОкХетОчный зООпХактОн, ккаХ / м2/ г 0,1 230

S. V. Labetikov, V. P. Korpachov, N. D. Gaydenok ANALYSIS OF BIG WATER POOLS INFLUENCE TO THE ENVIRONMENT

Some aspects of big water pools influence to the river water quality. Giving analysis of existing problems, caused by projecting, building and using of water pools.

УДК 378.147

М. В. Литвинцева

ФОРМИРОВАНИЕ ПОИСКОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ

Рассмотрена проблема формирования поисковой деятельности студентов в процессе математической подготовки. Приведена структура поисковой деятельности и соответствующая ей спецификация действий, выполняемых преподавателем и студентами в процессе совместной поисковой деятельности, направленной на решение учебной задачи

Компетентностный подход в образовании как олицетворение новой образовательной парадигмы в настоящее время находится в стадии активной теоретической разработки, но для его практической реализации в системе высшего образования еще предстоит долгий путь воплощения теоретических концепций в конкретные методические системы и образовательные технологии. Исходя из того что компетентностный подход - это подход, акцентирующий внимание на результате образования, причем в качестве результата рассматривается не сумма усвоенной информации, а способность человека действовать в различных проблемных ситуациях [1], автор считает актуальным построение методической системы формирования учебной поисковой деятельности обучаемых в процессе изучения ими математических дисциплин.

Поисковая деятельность в данной статье рассматривается в широком смысле - как деятельность по разрешению проблемной ситуации, возникшей на базе математической, собственно учебной или квазипрофессиональ-ной задачи (классификация соответствует структуре учебно-познавательной деятельности студентов [2]).

Формируя систему заданий для студентов при изучении конкретной математической дисциплины, мы планируем не только достижение предметных целей (овладение соответствующими математическими знаниями, умениями, навыками), но и целенаправленное формирование общеучебных и других значимых для будущей профессиональной деятельности компетенций (организационной, коммуникативной, информационной), а также создание условий для личностного развития студентов. Для этого недостаточно иметь только систему поисковых учебных задач, которая сама по себе, хотя и является мощным средством формирования поисковой деятельности обучаемых, одним фактом своего предъявления студентам, очевидно, не способна возбудить их поисковую активность. При встрече с задачей, отнесенной студентами к классу «Мы таких задач не решали», большинство из них психологически не готово к самостоятельным поискам решения и ждет указаний преподавателя.

Этот феномен «выученной беспомощности», по мнению автора, является следствием «знаниевой» парадигмы в образовании, когда конечный диагностируемый результат обучения выражается некоторой системой относительно простых предметных навыков и умений, что и привело традиционное обучение в нашей стране к ориентации на репродуктивную деятельность обучаемых. Школьники в своем большинстве привыкли к тому, что от них на уроках математики требуется внимательно выслушать учителя, запомнить алгоритм выполняемых действий при решении определенного класса задач, а затем воспроизвести его в своей деятельности. Эта психологическая установка не всеми преодолевается и в высшей школе. Поэтому формирование поисковой деятельности обучаемых представляет собой сложную задачу, решение которой требует выхода за границы узкопредметных функций преподавателя.

В работе [3] были сформулированы принципы формирования поисковой деятельности студентов в процессе предметной подготовки:

- соответствие целям предметной и профессиональной подготовки;

- систематичность и последовательность;

- технологичность;

- сотрудничество;

- открытость методической системы;

- опора на субъектный опыт участников образовательного процесса;

- рефлексивность.

Там же приведена структура поисковой деятельности и выделены следующие компоненты: постановка проблемы, собственно поисковые действия, верификация результата поисковых действий, рефлексия.

В условиях процесса обучения каждый компонент реализуется в группах действий, осуществляемых преподавателем и студентами (см. таблицу).

Автором разработан комплекс задач, решение которых предполагает выполнение студентами вышеуказанных действий. Разумеется, их конкретный набор может