CC BY
32
УДК 556.18
О.Н. Урбанова, А.Т. Горшкова, Д.А. Семанов, Ю.В. Мутыгуллина, Н.В. Бортникова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, agorshkova@gmail.com
МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЁТОВ ВОДНОГО И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО БАЛАНСОВ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
В статье приведены расчеты водного и водохозяйственного балансов для отдельных рек, водохранилищ и озёр, выполненные специалистами Института проблем экологии и недропользования АН РТ в последнее десятилетие в рамках исследования условий и характера формирования поверхностного стока на территории республики. Показаны источники исходной информации, необходимой для проведения расчётов, а также результаты анализов, в большинстве своём отражающие сбалансированное состояние исследованных водных объектов.
Ключевые слова: водный баланс; водохозяйственный баланс; формулы расчета.
Введение
Расчеты водного и водохозяйственного балансов позволяют оценить как объёмы водных ресурсов в исследуемых водных системах, так и возможности количественного изъятия их в водохозяйственных целях.
Водный баланс России, территория которой занимает 1/9 часть земной суши, рассчитанный по бассейнам морей ее омывающих, показывает, что наиболее увлажненными являются водосборы бассейнов северных морей и морей Дальнего Востока. Достаточное количество осадков выпадает и в бассейнах Каспийского, Черного и Азовского морей, но большая их часть тратится на испарение, оставляя незначительную часть на речной сток.
Республика Татарстан, расположенная в среднем течении р. Волга, лежит в пределах двух природных зон с достаточным увлажнением — смешанных лесов и лесостепи. Большая часть водных объектов республики вовлечена в хозяйственный оборот, из чего вытекает необходимость в уточнении количественных характеристик стока для выявления экономически целесообразных к использованию водных ресурсов и разработки способов управления ими в соответствии с общей и специальной изученностью территории бассейнов в гидрологическом и водохозяйственном отношении.
Материалы и методы исследования
Расчет водного баланса — один из основных методов, позволяющий сопоставить отдельные источники поступления влаги и установить степень их влияния на общий ход формирования гидрологического режима изучаемого объекта.
Общепринятое уравнение водного баланса, составленного для земного шара, а именно, осадки (Х) = испарение (2) + сток (У) для больших, средних и малых бассейнов рек и озер требует детализации его составляющих (Давыдов, 1973; Чеботарев, 1975; Ресурсы ..., 1973). Если для больших и средних речных бассейнов с естественным режимом стока в расчет вводится показатель изменения запасов подземных вод в бассейне, то для малого речного бассейна этот показатель подразделяется на дренируемый и недренируемый рекой подземный сток. Если режим стока малой реки нарушен различными хозяйственными мероприятиями, то в формулу расчета вводятся дополнительные параметры, среди которых аккумуляция (плюс) и сработка (минус) воды на поверхности водосбора, забор воды из водного объекта или сброс сточных вод. При расчете водного баланса озер и водохранилищ к основным элементам баланса (осадки, приток поверхностных и грунтовых вод, испарение, русловой сток) добавляется изменение уровня (объема) воды в водоеме, безвозвратный забор воды, конденсация водяных паров и фильтрация воды из водоема. Последние составляющие обычно невелики и существенной роли в расчетах не имеют. Формула водного баланса с учетом всех дополнительных составляющих позволяет рассматривать результаты расчета как водохозяйственный баланс, так как она включает не только наличие водных ресурсов, но и их использование. Наличие исторического материала в случае необходимости даёт возможность оценивать динамику происходящих изменений водности.
Источниками исходной информации для расчетов является годовое количество атмосферных осадков, выпадающих на водосбор, определяемое
Таблица 1. Водный баланс рек Шукралинка и Мелекеска
Элементы водного баланса (мм) Шукралинка Мелекеска
Х0 - атмосферные осадки 550 550
У0 пов - поверхностный сток 93 78
У0 др - дренируемый подземный сток 32 25
У0 недр - недренируемый подземный сток 15 22
Е0 - суммарное испарение с поверхности водосбора 470 470
Х0 а - аккумуляция воды на поверхности водосбора (+) или сработка аккумулированных запасов воды (-) 0 0
с0 - водозабор из реки на хозяйственные нужды 0 0
у0 - возврат (сброс) воды в реку 0 0
е - остаточный член -60 -45
Баланс 550 550
как среднее арифметическое по данным всех ближайших к водосбору метеорологических станций. Приток поверхностных вод рассчитывали по данным гидрологических наблюдений. Подземный приток и величину испарения с поверхности водосбора выполняли с использованием картографических методов (Ресурсы ..., 1973; Методика ..., 2007). Безвозвратный расход воды определяли по материалам статистической отчетности 2-ТП (водхоз).
В 1990-е гг. были выполнены расчеты водохозяйственного баланса для всех малых рек республики, результаты анализа находятся в «Базе данных водных ресурсов Республики Татарстан» ИПЭН АН РТ. Данные представляют собой мно-
готабличные цифровые матрицы, сформированные в отдельные тематические директории. В последние годы разработана специализированная Программа расчета водохозяйственного баланса (ВХБ), позволяющая оперативно получить требуемый результат (Урбанова и др., 2008). Программа состоит из трех взаимосвязанных модулей, из которых первые два редактируемые, в них вносят сведения о водных ресурсах, о водопользователях и о внутригодовом распределении стока. Третий - автоматически производящий расчет баланса заданного участка в целом по году или по каждому месяцу в отдельности, что даёт возможность определить наиболее напряженные периоды года. При внесении каких-либо изменений в первые две
Таблица 2. Водный баланс некоторых озер Республики Татарстан
Комсомольское Парк Победы Черемшан Ореховка-1 Ореховка-2
Приходная часть
Элементы баланса млн. м3 % млн. м3 % млн. м3 % млн. м3 % млн. м3 %
Осадки 0.008 6.9 0.021 3.88 0.0029 4.70 0.01 0.5 0.01 0.5
Подземный приток 0.053 46.1 0.05 9.24 0.0001 0.16 0.05 2.6 0.07 3.5
Поверхностный приток 0.054 47.0 0.47 86.88 0.0587 95.14 1.85 96.9 1.92 96.0
Всего 0.115 100 0.541 100 0.0617 100 1.91 100 2.00 100
Расходная часть
Испарение 0.010 55.6 0.027 100 0.0033 9.71 0.01 100 0.02 100
Поверхностный сток 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Изменение объема воды 0.008 44.4 0 0 0.0307 90.29 0 0 0 0
Всего 0.018 100 0.027 100 0.0340 100 0.01 100 0.02 100
Таблица 3. ВХБ Заинского водохранилища
Приходная часть, млн. м3/год Расходная часть, млн. м3/год
Сток, поступающий с вышерасположенных участков Сток, формирующийся на участке Осадки на поверхность вдхр. Итого Безвозвратное водопотребление ГРЭС ОАО «Заинский сахар» Ущерб за счет изъятия подземных вод Потери на естественное испарение с вдхр Потери на дополнительное испарение с вдхр. Водоохранный (санитарный) попуск Итого Баланс
Средневодные условия (обеспеченность 50 %)
355 24.58 8.67 388.25 0.96 0.69 0.37 10.92 22.29 144.3 179.53 208.72
Маловодные условия (обеспеченность 95%)
144.3 10.95 8.67 163.92 0.96 0.69 0.37 10.92 22.29 115.4 150.65 13.24
части программы происходит автоматический перерасчет ВХБ. Наличие данных ретроспективных исследований на глубину полувекового периода дают возможность анализировать динамику изменения водности и выявлять причины количественного перераспределения стока.
Результаты и их обсуждение
В ходе работ по определению условий формирования стока, с использованием уравнения водного баланса для малого речного бассейна с нарушением естественного режима стока, были рассчитаны водные балансы бассейнов р.р. Шу-кралинка и Мелекеска, протекающих в Тукаев-ском муниципальном районе Республики Татарстан (табл. 1).
В меженный период питание рек обе спечивается за счет подземных вод, поступающих в русловую сеть частично. Так, р. Шукралинка дренирует 32 мм подземного стока, р. Мелекеска 25 мм. До 15 мм стока р. Шукралинка и 22 мм стока р. Мелекеска уходит за пределы их водосборного бассейна. Осадки в количестве 550 мм, выпадающие на водосборы этих рек, при испарении с их поверхности в 470 мм формируют на водосборе слой речного стока 93 мм (р. Шукралинка) и 78 мм (р. Мелекеска).
В ходе работ по исследованию водоемов республики, подверженных воздействию чрезмерной антропогенной нагрузки, рассчитаны водные балансы озер Верхний, Средний и Нижний Кабан (Урбанова, 2012), оз. Комсомольское и оз. в Парке Победы (г. Казань), оз. Черемшан в Черемшанском муниципальном районе и озер в н.п. Ореховка Зеленодольского муниципального района (табл. 2).
Водный баланс всех исследуемых озер положительный, так как объем приходной части превышает расходную. Основную долю приходной части баланса составляет поверхностный и подземный приток в озера. Испарение с водоемов компенсируется осадками, выпадающими на них, при подобном соотношении создаются условия для существования озер.
Проблема обеспечения населения и экономики Республики Татарстан достаточным количеством водных ресурсов решается в основном за счет регулирования стока Куйбышевским и Нижнекамским водохранилищами. Количественная оценка водных ресурсов, сосредоточенных в этих водоемах, также выполнена на основе данных ВХБ. Баланс, представляющий собой сопоставление наличных (приходная часть), доступных к использованию водных ресурсов с потребностями в воде (расходная часть) был рассчитан в пределах 14 выделенных участков Куйбышевского водохранилища за пятилетний период (Шагидуллин и др., 2011). Годовой водохозяйственный баланс водохранилищ, рассчитанный для средних по водности (50% обеспеченности) и маловодных (95% обеспеченности) лет остается положительным по всем выделенным участкам.
Приходную часть ВХБ составляют водные ресурсы р. Степной Зай, а также формирующийся в пределах бассейна Заинского водохранилища подземный и поверхностный сток. Основу расходной части составляет водоохранный попуск и испарение с поверхности водоема. Результаты показывают, что ВХБ водохранилища остается положительным даже в очень маловодные годы, и это позволяет без экономии использовать его
Таблица 4. Расчеты ВХБучастка р. Шешма
р. Шешма
Код реки КАС ВОЛГА 1800 0121
Расстояние от устья (в км) до входного створа 234.1 Исток
Расстояние от устья (в км) до замыкающего створа 190.4 после впадения р. Лесная Шешма
млн. м3 млн. м3
Статья баланса Год в целом Январь
Обепеченность(%) Обеспеченность(%)
50 75 95 50 75 95
1. ПРИХОДНАЯ ЧАСТЬ
1.1. Расчетное поступление воды с вышерасположенных участков реки 0 0 0 0 0 0
1.2. Естественный речной сток (восстановленный), формирующийся на участке 161.565 113.443 82.667 6.947 4.651 3.389
1.3. Поступление воды из других бассейнов (участков) 0 0 0 0 0 0
1.4. Сброс сточных вод в природные поверхностные источники на участке 0.015 0.015 0.015 0.0013 0.0013 0.0013
1.5. Сработка водохранилищ 0 0 0 0 0 0
1.6. Сработка прудов 0.667 0.667 0.667 0 0 0
ИТОГО 162.247 114.125 83.349 6.949 4.652 3.391
2. РАСХОДНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Уменьшение речного стока вследствие забора воды из подземных источников 0.219 0.219 0.219 0.0182 0.0182 0.0182
2.2. Забор воды из поверхностных источников 0.360 0.360 0.360 0.030 0.030 0.030
2.2.1. В т. ч. на орошение 0 0 0 0 0 0
2.3. Наполнение водохранилищ 0 0 0 0 0 0
2.4. Наполнение прудов 0.667 0.667 0.667 0 0 0
2.5. Суммарное дополнительное испарение с поверхности водохранилищ (включая наливные) 0 0 0 0 0 0
2.6. Суммарное дополнительное испарение с поверхности прудов (включая наливные) 0 0 0 0 0 0
2.7. Необходимый попуск 82.667 82.667 66.134 3.389 3.389 2.711
2.8. Потеря воды по длине реки
ИТОГО 83.912 83.912 67.379 3.438 3.438 2.760
3. БАЛАНС
3.1. Избыток воды (+) 78.335 30.212 15.970 3.511 1.215 0.631
недостаток воды (-)
4. Расчетное поступление воды на нижерасположенный участок 161.565 113.443 82.667 6.947 4.651 3.389
5. Забор воды из подземных источников 0.656 0.656 0.656 0.0547 0.0547 0.0547
6. Степень использования поверхностного стока, % 52 74 81 49 74 81
2/2121
39
водные ресурсы в хозяйственных целях. Кроме того, результат расчета водного баланса показал, что Заинское водохранилище может эксплуатироваться на отметке уровня, близкой к нормальному подпорному уровню 73.05 м БС при объеме воды 56 млн. м3.
С помощью программы расчета ВХБ разработаны «оценочные» балансы бассейнов рр. Свияга, Большой Черемшан, Шешма. В таблице 4 приведены расчёты ВХБ (год в целом и январь месяц в частности) для участка р. Шешма от истока до места впадения в нее р. Лесная Шешма (234.1-190.4 км от устья).
Анализ составляющих баланса показывает, что основой приходной части является ресурсная величина стока, формирующийся на данном участке и небольшой по объему сброс сточных вод. Приходная часть ВХБ участка р. Шешма рассчитана для трех обеспеченных значений: средние по водности годы 50% обеспеченности, маловодные 75% обеспеченности и очень маловодные 95% обеспеченности. Основу расходной части баланса составляет забор русловой воды и уменьшение речного стока вследствие забора воды из подземных источников, объем забора которых выделен отдельной строкой баланса. Результатом соотношения приходной и расходной частей является баланс, выраженный в виде избытка (+) или недостатка (-) воды на участке, а также расчетное поступление воды на нижерасположенный участок и степень использования поверхностного стока.
Анализ расчета ВХБ бассейнов р.р. Свияга, Большой Черемшан и Шешма показал, что в средние по водности годы водных ресурсов рек достаточно для водохозяйственного использования, в очень маловодные годы и в зимнюю межень часто наблюдаются дефициты водных ресурсов, особенно на участках, расположенных в истоках рек. Анализ отдельных составляющих ВХБ позволяет делать выводы о причинах появления дефицита водных ресурсов (Урбанова и др., 2008).
Заключение
Водные объекты, для которых были сделаны расчёты водного и водохозяйственного балансов, в достаточной мере обеспечены поверхностным и подземным питанием. При необходимости определения количественных характеристик запасов водных ресурсов, а также источников их формирования и составления прогноза пролонгированного состояния, следует производить расчёты водного баланса. В случаях необходимости производства оценки возможного изъятия объёмов водных ресурсов целесообразно и необходимо рассчитывать водохозяйственный баланс.
Список литературы
1. Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов. М., 2007. 50 с.
2. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 11. Средний Урал и Приуралье. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 848 с.
3. Урбанова О.Н. Водный баланс системы озер Кабан как метод изучения их гидрологического режима // Георесурсы. 2012. №7(49). С. 7-10.
4. Урбанова О.Н., Мошкова Л. В. Семанов Д.А. Водохозяйственный баланс бассейна малой реки как метод решения водохозяйственных проблем // Доклады VI Всероссийского гидрологического съезда. М.: Метеоагенство Росгидромета, 2008. Ч. 1. С. 126-130.
5. Шагидуллин Р.Р., Горшкова А.Т., Урбанова О.Н. Интегральная оценка водных ресурсов Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ в пределах Республики Татарстан // Георесурсы. 2011. №2(38). С. 34-40.
References
1. Metodika rascheta vodohozyajstvennyh balansov vodnyh ob"ektov [Methodology for calculating water balances of water bodies]. M., 2007. 50 p.
2. Resursy poverhnostnyh vod SSSR. V. 11. Srednij Ural i Priural'e [Surface water resources of the USSR. Vol. 11. Middle Urals and Cisurals]. L.: Gidrometeoizdat, 1973. 848 p.
3. Urbanova O.N. Vodnyj balans sistemy ozer Kaban kak metod izucheniya ih gidrologicheskogo rezhima [The water balance of the Kaban lakes system as a method of studying their hydrological regime] // Georesursy [Georesources]. 2012. No 7 (49). P. 7-10.
4. Urbanova O.N., Moshkova L. V. Semanov D.A. Vodohozyajstvennyj balans bassejna maloj reki kak metod resheniya vodohozyajstvennyh problem [The water balance of a small river basin as a method of solving water problems] // Doklady VI Vserossijskogo gidrologicheskogo s"ezda [Reports of the VI Russian Hydrological Congress]. M.: Meteoagenstvo Rosgidrometa, 2008. Vol. 1. P. 126-130.
5. Shagidullin R.R., Gorshkova A.T., Urbanova O.N. In-tegral'naya ocenka vodnyh resursov Kujbyshevskogo i Nizh-nekamskogo vodohranilishch v predelah Respubliki Tatarstan [Integral assessment of water resources of the Kuibyshev and Nizhnekamsk reservoirs within the Republic of Tatarstan] // Georesursy [Georesources]. 2011. No 2 (38). P. 34-40.
Urbanova O.N., Gorshkova A.T., Semanov D.A., Mutygullina Y.V., Bortnikova N.V. Methodology for calculating water and water management balances for some water bodies of the Republic of Tatarstan.
The article presents calculations of water and water management balances for individual rivers, reservoirs and lakes, performed by hydrologists of Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences in the last decade as part of the study of conditions and nature of the formation of surface runoff on the territory of the Republic. The sources of initial information required for calculations are shown, as well as the results of analysis, which mostly reflect the balanced state of the studied water pools.
Keywords: water; water management; water balance; calculation formulas.
Информация об авторах
Урбанова Ольга Николаевна, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: urbanovoi@mail.ru.
Горшкова Асия Тихоновна, кандидат географических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: agorshkova@gmail.com.
Семанов Дмитрий Александрович, кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: dmitrii.semanov@gmail.com.
Мутыгуллина Юлия Владимировна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: juliagorbunova18@mail.ru.
Бортникова Наталья Валерьевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: nataly.bortnikova@gmail.com.
Information about the authors
Olga N. Urbanova, Senior Researcher, Research Institute for Problem of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: urbanovoi@mail.ru.
Asiya T. Gorschkova, Ph.D. in Geography, Head of laboratory, Researcher Institute for Problem of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: agorshkova@gmail.com.
Dmitry A. Semanov, Ph.D. in Chemistry, Researcher, Research Institute for Problem of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: dmitrii.semanov@gmail.com.
Yulia V. Mutygullina, Junior Researcher, Research Institute for Problem of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: juliagorbunova18@ mail.ru.
Nataly V. Bortnikova, Researcher, Research Institute for Problem of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: nataly.bortnikova@gmail.com.
2/212!
41
