CC BY
23УДК556.048; 556.5
DOI 10.35567/1999-4508-2017-3-5
многолетние изменения уровня озера ханка и проблемы его регулирования
© 2017 г. В.Ю. Георгиевский1, А.Л. Шалыгин1 М.В. Болгов2, Е.А. Коробкина2
1 ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Санкт-Петербург, Россия
2 ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Москва, Россия
Ключевые слова: оз. Ханка, водный баланс, модель гидрологической системы, гидрологический режим, уровень воды, водопотребление, испарение, затопление, имитационное моделирование, вероятностный прогноз, трансграничный водный объект.
В.Ю. Георгиевский А.Л. Шалыгин М.В. Болгов Е.А. Коробкина
Рассмотрены закономерности водного баланса и колебаний уровня трансграничного оз. Ханка. Показано, что наряду с климатическими, важными факторами, влияющими на гидрологический режим озера, являются антропогенные, связанные, прежде всего, с развитием орошаемого земледелия на российской и китайской частях бассейна озера. Водообеспечение рисосеяния достигается за счет создания сложных технических систем перераспределения водных ресурсов.
Учет влияния создаваемых технических систем на колебания уровня оз. Ханка, а также оценка эффективности возможных мероприятий по снижению риска затопления прибрежных территорий выполнены методом многовариантных расчетов и имитационных экспериментов с моделью гидрологической системы озера и его водосбора с использованием новых данных по всем основным элементам водного баланса водоема за период 1949-2015 гг.
Озеру Ханка свойственны многолетние циклические колебания уровня воды, в результате которых площадь водной поверхности озера и объем воды существенно изменяются. За период наблюдений максимальная
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
водное хозяйство россии
амплитуда среднегодовых уровней воды составила 221 см (рис. 1). Вну-тригодовая амплитуда уровня в отдельные годы достигает 50-60 см, но в большинстве случаев составляет около 20 см. В периоды высокого стояния уровня наложение ветровых нагонных явлений, которые могут достигать 1,6 м, приводит к затоплениям и разрушениям в прибрежной зоне.
Год
Рис. 1. Многолетний ход среднегодового уровня воды оз. Ханка.
В 2000 г. начался очередной цикл повышения уровня оз. Ханка, достигший в 2015 г. отметки 69,78 м (отметки уровня приведены в Балтийской системе 1977 г.), что превышает исторический максимум. В результате негативному воздействию подверглись сельскохозяйственные угодья, объекты инфраструктуры и жилая застройка сельских населенных пунктов в прибрежных районах, затоплена низинная часть территории Ханкайского государственного природного заповедника. Общая площадь затопления и подтопления в пределах российской части бассейна озера составила 812 км2 [1].
Сложившаяся ситуация требует проведения неотложных мероприятий по обеспечению безопасной жизнедеятельности населения в прибрежной зоне и ее эффективного экономического использования в условиях экстремального повышения уровня озера. Для их обоснования необходимо проведение комплекса научных исследований по изучению гидрологических особенностей водного режима оз. Ханка, выявлению естественных и антропогенных причин современного повышения уровня озера и разработке вероятностного прогноза для различных сценариев климатических условий будущего и вариантов развития водохозяйственной деятельности в его бассейне, обоснованию мероприятий по регулированию уровня.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
В 2016 г. такие исследования выполнены коллективом специалистов Государственного гидрологического института (ГГИ), Приморского УГМС, Дальневосточного центра ФГБУ «НИЦ Планета», Гидрометцентра России, Института водных проблем РАН [1]. В статье представлены результаты, полученные в рамках исследований по установлению причин многолетних изменений уровня оз. Ханка и обоснованию мероприятий по его регулированию.
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ МНОГОЛЕТНИХ ИЗМЕНЕНИЙ УРОВНЯ ОЗЕРА ХАНКА
Основными гидрометеорологическими факторами, определяющими баланс воды в озере, являются речной приток, выпадающие на его поверхность осадки и испарение с акватории. В ГГИ были выполнены оценки этих элементов водного баланса за период 1949-2015 гг. [1].
При расчетах притока речных вод в озеро максимально использовали всю имеющуюся гидрологическую информацию по всем гидрологическим постам, в т. ч. и закрытым, за весь период наблюдений по 2015 г. включительно с последующим приведением всех стоковых рядов к единому многолетнему периоду 1949-2015 гг. Оценка притока с площади водосбора озера, не имеющей данных наблюдений, в т. ч. для китайской территории, произведена с использованием информации по рекам-аналогам.
Для оценки годовых сумм осадков выполнен анализ их пространственного распределения по территории с применением современных методов пространственной интерполяции данных с использованием наблюдений по 23 метеостанциям, в т. ч. и расположенным на территории КНР. Сравнительный анализ результатов расчетов осадков, выпадающих на поверхность озера, полученных различными методами, показал, что оценки средних многолетних значений отличаются незначительно (на 2-3 %). В связи с этим, при расчете слоев осадков на поверхность озера в дальнейшем использовали данные по трем метеостанциям - на юго-западном берегу (Астраханка), северо-западном (Турий Рог) и расположенной в 6 км на востоке от побережья (Новосельская) с введением всех видов поправок.
Расчет годового испарения с акватории оз. Ханка за период с 1949 по 2015 гг. выполнен по методике, основанной на использовании действующих рекомендаций. Для получения необходимых для расчета метеорологических характеристик на акватории озера выполнен анализ и восстановление пропусков в рядах наблюдений на береговых метеостанциях Астраханка, Турий Рог и Новосельская и их пересчет с учетом разделения акватории озера на участки, прилегающие к этим метеостанциям. Устранена неоднородность в рядах скорости ветра, возникшая с 1966 г. в связи с переходом с 4-срочных на 8-срочные наблюдения.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
Обобщение материалов наблюдений за испарением с 1957 по 2015 гг. по испарительному бассейну площадью 20 м2 и испарителю ГГИ-3000, установленным на метеостанции Астраханка, позволило сопоставить расчетные и наблюденные значения испарения. Хронологический график показал не только синхронность колебаний величин испарения, но и наличие практически одинаковых трендов как расчетных, так и наблюденных на испарительных установках значений испарения [1].
Полученные погодичные данные составляющих водного баланса озера (рис. 2) и результаты их статистического анализа показали, что ряды притока речных вод в озеро и осадков на его поверхность являются стационарными, в их многолетних изменениях отсутствуют значимые тренды.
Что касается многолетней динамики испарения с водной поверхности, выявлены следующие особенности: в первой половине рассматриваемого многолетнего периода в преобладающем числе лет испарение было выше среднего многолетнего значения, а во второй - ниже. В результате ряд испарения является неоднородным со значимым отрицательным трендом. Специально выполненный анализ [1] позволил прийти к выводу, что основной причиной этого является уменьшение скорости ветра над акваторией озера.
По многолетним данным по притоку, осадкам и испарению были оценены их статистические характеристики (табл. 1), а также корреляционная матрица (табл. 2), используемые далее для стохастического моделирования уровня оз. Ханка. Учитывая, что ряд испарения с водной поверхности озера является неоднородным, параметры кривой распределения определялись по составным кривым.
Таблица 1. Оценки статистических характеристик годовых значений компонент водного баланса оз. Ханка, принятые для стохастического моделирования
Ряд наблюдений Параметры распределения
среднее C V C $ C ^ ь V R (1)
Приток 1,87 км3* 0,48 1,14 2,5 0,1
Осадки 632 мм 0,17 0,51 3,0 0,1
Испарение 666 мм 0,09 0,09 1,0 0,3
Уровень воды (до 1986 г.) 68,48 м 0,17 -0,59 -3,5 0,85
Уровень воды (после 1986 г.) 68,69 м 0,15 0,19 1,2 0,86
Уровень воды (весь ряд) 68,54 м 0,17 -0,37 -2,2 0,86
Примечание: * - приток с российской части водосбора.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
водное хозяйство России
В табл. 1 также приведены статистические характеристики средних годовых уровней озера за отдельные многолетние периоды. Следует отметить высокий коэффициент автокорреляции уровня, что свойственно замкнутым и слабопроточным водоемам, коэффициент водообмена которых невелик.
Совокупное влияние естественных гидрометеорологических факторов на уровень оз. Ханка можно объективно оценить путем совместного анализа многолетних колебаний годовых значений «полезного притока» в озеро («полезный приток» - сумма притока речных вод и осадков на поверхность озера за вычетом испарения с его акватории) и годовых приращений уровня озера. На рис. 3 приведены разностные интегральные кривые «полезного притока» к озеру и годовых изменений его уровня за 1949-2015 гг. Практически полная синхронность колебаний этих кривых позволяет сделать вывод, что многолетние изменения уровня оз. Ханка, в т. ч. и его современное повышение, определяются, главным образом, изменениями «полезного притока» в озеро.
Таблица 2. Корреляционная матрица годовых значений компонент водного баланса оз. Ханка
Компонент баланса озера Приток Осадки Испарение
Приток 1,0 0,8 -0,3
Осадки 0,8 1,0 -0,2
Испарение -0,3 -0,2 1,0
Разгрузка из озера происходит по р. Сунгача, сток которой зависит от уровня озера и пропускной способности, определяемой положением бара и его отметкой в истоке реки. На основе анализа всей имеющейся информации по эпизодическим измерениям расходов воды, в т. ч. в рамках российско-китайского сотрудничества по трансграничной р. Сунгача и во время специально выполненных в 2016 г. сотрудниками ФГБУ «Приморское УГМС» полевых работ установлены ряды зависимостей стока реки от уровня озера для отдельных многолетних периодов, характеризующихся различными условиями пропускной способности [1]. Отмечено уменьшение пропускной способности реки в последние два десятилетия в результате прекращения работ по расчистке бара в ее истоке. В результате оценен годовой сток из озера за 1949-2015 гг., составивший в среднем за этот период 1,54 км3/год.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
^—испарение
Л/ /\Ад Д- л,--* -
V г у ■чД л
V А/
1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015
Год
Год
Рис. 2. Многолетние колебания составляющих водного баланса оз. Ханка.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
водное хозяйство России
Рис. 3. Разностные интегральные кривые.
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В БАССЕЙНЕ ОЗЕРА ХАНКА И НА СОПРЕДЕЛЬНОЙ ТЕРРИТОРИИ
Наряду с гидрометеорологическими факторами, на многолетние изменения уровня озера оказывает влияние и хозяйственная деятельность, связанная с использованием водных ресурсов его бассейна и сопредельной территории. Наличие водных и земельных ресурсов в бассейне оз. Ханка в совокупности с природными и климатическими факторами сформировали благоприятные условия для возделывания риса как на российской, так и на китайской частях бассейна.
На российской территории бассейна интенсивное развитие рисосеяния началось в 1960-е годы и максимального развития достигло к середине 1980-х годов, когда площадь орошения превысила 500 км2. В результате социально-экономического кризиса 1990-х годов, площади под рисосеяние сократились более чем в 10 раз. В последние годы наметилась тенденция к увеличению орошаемых земель, площадь которых в 2015 г. составила около 200 км2. Водозабор непосредственно из озера на нужды орошения составляет около 95 %, остальное количество воды забирается из рек бассейна озера. Максимальные объемы водопотребления в 1980-е годы достигали 600 млн м3. В настоящее время водопотребление оценивается в 200-250 млн м3 в год [1]. При этом безвозвратные потери воды в бассейне оз. Ханка составляют до 70 % от общего водозабора.
На российской территории бассейна в 1970-х годах для водообеспече-ния орошаемого земледелия была создана водохозяйственная система, включающая комплекс гидротехнических сооружений рисовых ороситель-
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
ных систем (РОС) - оросительных и сбросных каналов, насосных станций, рисовых карт и чеков, а также противопаводковых дамб для защиты сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов от наводнений. В систему гидротехнических сооружений на российской территории входят также два канала, расположенных южнее истока р. Сунгача и отводящих воду из озера. Первый - Сунгачинский канал протяженностью 8,2 км, шириной 25-30 м, глубиной до 2 м, исток находится в 1 км южнее истока р. Сунгача и соединяется с Александровским магистральным каналом. Канал действует с начала 1970-х годов. Второй канал (без названия) протяженностью 11 км, шириной 15 м расположен в 8,7 км южнее истока р. Сунгача и также соединяется с Александровским магистральным каналом. Далее по Александровскому каналу вода поступает в р. Сунгача.
На основе проведенных морфометрических и гидрометрических работ на каналах [1] выполнена оценка их пропускной способности. Установлено, что в настоящее время пропускная способность Сунгачинского канала определяется не его морфометрическими параметрами, а ограничивающими искусственными факторами в истоке канала и в его устье. С использованием этих данных, а также сведений об эпизодически измеренных расходах были оценены годовые объемы стока из озера по каналам - суммарный сток в последние годы составил 0,26 ^ 0,36 км3/год.
На китайской части бассейна оз. Ханка и прилегающих территориях интенсивное развитие рисовых оросительных систем началось со второй половины 1990-х годов, в настоящее время их площадь составляет около 900 км2. В эти же годы создана уникальная водохозяйственная система перераспределения и использования водных ресурсов, включающая китайскую часть бассейна озер Ханка, Малая Ханка и р. Мулинхэ, которая предназначена для борьбы с наводнениями и обеспечения водой рисовых оросительных систем (рис. 4). Водохозяйственная система включает: во-доделитель на р. Мулинхэ; канал Мусин (Донгдихэ), подающий воду из р. Мулинхэ в район расположения РОС и бассейн Малой Ханки; распределительное водохранилище; два сбросных канала, отводящих воду из водохранилища на РОС и в р. Сунгача; оз. Малая Ханка, используемое как водоем-накопитель; три гидротехнических сооружения (ГТС) на перешейке между озерами Малая Ханка и Ханка, осуществляющие сброс излишков воды и перекачку воды из оз. Ханка.
ГТС на р. Мулинхэ расположено в 5,5 км ниже ответвления канала Мусин и представляет собой плоский затвор шириной 12 м с пропускной способностью до 120 м3/с. За счет создаваемого подпора значительная часть стока р. Мулинхэ направляется в канал Мусин, на котором регулирующих сооружений нет. Основной рукав канала Мусин завершается водохранили-
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
щем, связанным с оз. Малая Ханка несколькими протоками. Из водохранилища часть воды используется непосредственно на РОС, другая отводится двумя каналами в р. Сунгача, по пути распределяясь также на РОС. Сбросы воды с РОС осуществляются в р. Сунгача.
Рис. 4. Водохозяйственная система КНР на оз. Ханка, Малая Ханка и р. Мулинхэ: 1 - вододелитель на р. Мулинхэ; 2 - канал Донгдихэ; 3 - водохранилище Циншань; 4 - два сбросных канала, отводящих воду из водохранилища на рисовые оросительные системы и в р. Сунгача; 5 - оз. Малая Ханка; 6 - три ГТС на перешейке между озерами Малая Ханка и Ханка.
Озеро Малая Ханка отделено от оз. Ханка перешейком, на котором расположены туристические базы, причалы, рыболовецкие хозяйства, автомобильная дорога, а также три ГТС, регулирующие водообмен между озерами (водосбросы и насосные станции). Приходными составляющими водного баланса оз. Малая Ханка являются: осадки на водную поверхность, сток с собственной водосборной территории, переброска стока из р. Мулинхэ по каналу Мусин, закачка воды насосными станциями из оз. Ханка при недостатке воды в озере для водообеспечения РОС. Расходные составляющие баланса: испарение с водной поверхности, забор воды в оросительные системы, а также сбросы в оз. Ханка при росте уровня воды выше критического значения 71,2 м (устное сообщение китайских специалистов). Возможна также фильтрация через перешеек, сложенный песчаными отложениями, однако при небольшом перепаде уровней воды этой составляющей можно пренебречь. ГТС на перешейке между озерами Малая Ханка и Ханка пред-
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
водное хозяйство России
ставляют собой сбросные сооружения, состоящие из 10 пролетов шириной по 8 м, каждое из которых обеспечивает максимальный расход до 100 м3/с. Насосная станция из двух блоков по 10 насосов производительностью 5 м3/с примыкает непосредственно к водосбросу.
Имеющиеся сведения об объектах переброски стока позволяют сделать вывод, что оз. Малая Ханка выполняет функцию водоема-накопителя для водоснабжения РОС. Вместе с тем, наличие водосбросных сооружений общей пропускной способностью до 200 м3/с свидетельствует о том, что китайской стороной они предназначены для сброса именно паводковых вод р. Мулинхэ, т. к. собственный водосбор оз. Малая Ханка очень мал, сток с него не может достигнуть таких больших значений.
Оценка влияния схемы переброски стока р. Мулинхэ в бассейн оз. Ханка вместе с реализацией проекта развития РОС заключается в следующем. В средние по водности годы, когда объем забираемой воды из р. Мулинхэ примерно равен водопотреблению РОС, отрицательный эффект незначителен или может отсутствовать. В маловодные годы дефицит воды для орошения будет покрываться за счет водных ресурсов оз. Ханка, что будет способствовать снижению уровня озера. В многоводные годы в оз. Ханка будут сбрасываться все излишки воды, поступающей в систему. В многоводные 2000-е годы дополнительные сбросы воды из оз. Малая Ханка в оз. Ханка по приближенным расчетам оценены в 0,30 - 0,35 км3/год.
В целом функционирование и развитие системы использования водных ресурсов КНР в бассейне оз. Ханка в существующем варианте приведет к увеличению амплитуды колебаний уровня воды в озере по сравнению с естественными условиями. Количественная оценка этих изменений с учетом различных вариантов может быть получена на основе динамико-стохастического моделирования уровенного режима водоема.
Полученные данные по всем основным элементам водного баланса озера позволили оценить вклад естественных и антропогенных факторов в современное повышение уровня оз. Ханка. Такая оценка была выполнена с использованием имитационной воднобалансовой модели.
Основной вклад в повышение уровня оз. Ханка за период 2000-2015 гг. принадлежит естественным гидрометеорологическим факторам. Их совокупное влияние на общий подъем уровня составило 82 %. В наиболее интенсивную фазу повышения в 2006-2015 гг., когда уровень возрос на 136 см, в озеро поступало в среднем за год 2,29 км3 речных вод, что на 14,5 % превысило норму, слой осадков на его поверхность составил 676 мм/год и на 6,6 % был выше среднего многолетнего, испарение - 607 мм/год, что на 8,9 % меньше нормы. Результирующая водообмена на поверхность озера (видимое испарение) была положительна - 6,9 см. Такое соотношение основных элементов водного баланса, формирующегося под влиянием естественных
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
факторов, обусловило значительное превышение его приходной части над расходной и, как следствие, резкое повышение уровня оз. Ханка.
При оценке вклада антропогенных факторов в современное повышение уровня озера были учтены безвозвратное водопотребление, сток из озера по искусственным водоотводящим каналам, дополнительный приток из оз. Малая Ханка в результате переброски стока р. Мулинхэ. Также к этим факторам отнесено уменьшение пропускной способности р. Сунгача, обусловленное прекращением расчисток бара в ее истоке.
Безвозвратные потери, формирующиеся в результате заборов воды из озера для оросительных систем, наряду с дополнительным стоком из озера по искусственным водоотводящим каналам, увеличивают расходную часть водного баланса. Это увеличение в значительной мере компенсируется «экономией» водных ресурсов в результате снижения стока р. Сунгача. Поступление воды из оз. Малая Ханка за счет переброски стока р. Мулинхэ является дополнительной приходной статьей баланса. Ввиду отсутствия каких-либо количественных данных о сбросах в оз. Ханка из оз. Малая Ханка, осуществляемых китайской стороной, эта антропогенная составляющая оценена приближенно, по результатам модельных расчетов.
На основе анализа водного баланса оз. Ханка и результатов имитационных расчетов оценен вклад естественных и антропогенных факторов в современное повышение его уровня (табл. 3).
Таблица 3. Вклад естественных гидрометеорологических и антропогенных факторов в изменение уровня оз. Ханка в период с 1 января 2000 г. по 1 января 2016 г.
Факторы
Вклад факторов в изменение уровня
см
%
Суммарный приток в озеро, осадки на поверхность и испарение, в т. ч.:
153
82
- суммарный приток
20 43 90 -24 -11 35
11
23 48 -13 -6 19
- осадки на поверхность
- испарение Сток в водоотводящие каналы Безвозвратное водопотребление Снижение стока р. Сунгача в результате уменьшения ее пропускной способности в истоке Поступление воды из оз. Малая Ханка в результате переброски части стока р. Мулинхэ
34
18
Е 187
Е 100
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
ДИНАМИКО-СТОХАСТИЧЕСКАЯ ВОДНОБАЛАНСОВАЯ МОДЕЛЬ МНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ ОЗЕРА ХАНКА
Для обоснования инженерных решений в целях управления уровен-ным режимом оз. Ханка необходимы его прогнозы в вероятностной форме. Эффективным методом получения такого прогноза является динамико-стохастическое моделирование колебаний уровня водоема на основе уравнения водного баланса и вероятностных моделей колебаний его составляющих - притока, осадков и испарения.
Первая попытка решения задачи прогноза уровня оз. Ханка на основе нелинейной вероятностной модели была предпринята в 1988 г. К.Г. Бака-новым в рамках диссертационного исследования [2]. Ограниченность вычислительных возможностей и чрезмерное упрощение вероятностной модели (сведение к решению уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова) не позволили автору получить достаточно надежные выводы, кроме того, в модели не учитывались масштабы хозяйственной деятельности на китайской части водосбора, информация о которой в те годы была значительно ограничена.
В рамках данного исследования использован метод моделирования искусственных последовательностей, необходимых для выполнения имитационных расчетов, в ходе которых оцениваются последствия реализации различных водохозяйственных мероприятий. Метод состоит в моделировании нормализованных значений составляющих водного баланса, представляющих попарно коррелированные случайные процессы, путем разложения по совокупности естественных ортогональных функций (ЕОФ) с последующим переходом к гамма-распределенным величинам [3]. Ряды компонент водного баланса оз. Ханка характеризуются небольшими значениями автокорреляции, что позволяет использовать для моделирования схему простой цепи Маркова.
Основным требованием к стохастической модели является условие воспроизведения статистических характеристик выборочной (наблюденной) реализации случайного процесса - среднего, коэффициента вариации Cv и коэффициента автокорреляции г(1), хотя последнему удовлетворить трудно из-за большой погрешности определения г(1) по коротким рядам наблюдений.
Имитационное моделирование уровенного режима оз. Ханка
Реализации выходного процесса (т. е. уровенного режима озера и связанного с ним расхода р. Сунгача) получены с помощью решения уравнения водного баланса озера в конечно-разностной форме с использованием мор-фометрической зависимости F(H) и зависимости расхода (стока) от уровня озера Q(H) для оз. Ханка. Расчеты водного баланса выполнялись для
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
нескольких вариантов водопользования, включающих различные условия оттока из озера и сценарии использования стока р. Мулинхэ (табл. 4).
Смоделированные искусственные ряды притока, испарения и осадков делили на отрезки по 50 лет, расчет будущих значений уровня многократно повторялся при одном и том же начальном наполнении озера (69,9 м БС), соответствующем состоянию озера на 01.01.2016. Полученные распределения уровня воды в оз. Ханка с заблаговременностью до 50 лет различной обеспеченности (1 %, 10 %, 50 %, 90 % и 99 %) приведены на рис. 5 и в табл. 5 для различных вариантов расчетов. Прогнозные кривые распределения для всех четырех вариантов расчета 1 % и 50 % обеспеченности представлены на рис. 6 и 7.
Таблица 4. Варианты различных условий оттока из озера и сценариев использования стока р. Мулинхэ для динамико-стохастического моделирования уровня воды в оз. Ханка
Вариант Режимы использования водных ресурсов (сценарии) Отметка порога (бара) в истоке р. Сунгача, см над нулем графика
1 Естественный режим 125
2 Естественный режим 180
3 Переброска стока р. Мулинхэ и забор воды из оз. Ханка 125
4 Переброска стока р. Мулинхэ и забор воды из оз. Ханка 180
Прогнозные значения уровня для 1 % обеспеченности показывают, что эти расчетные уровни будут находиться в пределах отметок 70,1 - 71,8 м для различных сценариев водопользования, что существенно выше максимальных уровней наблюдаемых в XX столетии. В значительной степени это определено тем, что до начала интенсивного водохозяйственного строительства на прибрежных территориях озера колебания уровня происходили в условиях ненарушенного рельефа. В настоящее время свободному стеканию вод озера с затопленных территорий восточного побережья в р. Сунгача препятствует, в первую очередь, наличие дамбы обвалования Александровского канала. Этот факт учтен при построении цифровой модели рельефа прибрежной зоны и построении современной батиграфиче-ской кривой [1].
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
Таблица 5. Результаты динамико-стохастического моделирования уровня воды в оз. Ханка для различных вариантов расчета
Варианты (в соответствии с таблицей 4)
1 2 3 4
Средний уровень озера, м 68,75 69,02 69,24 69,77
Коэффициент асимметрии, С 0,26 0,18 0,14 0,17
Среднее квадратическое отклонение, а 0,54 0,52 0,85 0,82
г(1) 0,84 0,85 0,85 0,86
Средний расход р. Сунгача, Q, м3/с 54,9 54,7 69,1 68,6
Расчетные значения уровня оз. Ханка, Н, м
0,1 % 70,54 71,04 72,02 72,55
1,0 % 70,08 70,57 71,27 71,79
99 % 67,63 68,19 67,41 67,96
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
Оценка эффективности мероприятий по регулированию уровня оз. Ханка
Оценка эффективности мероприятий по регулированию уровенного режима оз. Ханка выполнена с использованием вероятностной модели многолетних колебаний уровня воды и результатов гидродинамического моделирования движения воды в руслах вытекающих водотоков.
Для расчета гидрологического режима поверхностных водных объектов на исследуемой территории использован программный комплекс (модель управления ливневым стоком) [4]. Комплекс включает несколько модулей, но на данном этапе применен только один из них, реализующий алгоритм решения уравнения Сен-Венана для системы открытых и закрытых (напорных и безнапорных) водоводов и водотоков. Результатом моделирования являются профили водной поверхности и расходы воды в заданных точках системы.
С использованием гидродинамической модели получена зави-
симость стока воды из оз. Ханка от его уровня при реализации различных мероприятий (рис. 8).
* * * т • ..........
* * t *
* * *
* ✓ * / • • -р. Сунгача (наблюдения)
« р. wyni CJ4CJ крайне 1 ) ——— отводящий канал (расчет)
•••• р. Сунгача и отводящий канал (расчет)
0 50 100 150 200 250 300 350
Расход воды, м3/с
Рис. 8. Зависимости расхода отводящего канала и р. Сунгача от уровня оз. Ханка (расчетные и по данным наблюдений).
Как следует из рис. 8, расчеты пропускной способности русла по гидродинамической модели дают приемлемые результаты в диапазоне уровня 69-72 м. При более низких уровнях результаты модельных расчетов и эмпирическая кривая расходятся. Однако следует отметить, что при уровнях воды в озере более 70 м измерений расходов воды в р. Сунгача не производилось, поэтому надежность экстраполяции эмпирической кривой рас-
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
ходов в зону больших уровней невысока. Реконструкция (дноуглубление) дополнительного канала приведет к увеличению суммарной пропускной способности отводящих сток канала и русла, и, соответственно, к уменьшению уровня воды в озере.
Полученные на основе гидродинамической модели зависимости расхода от уровня использованы далее при оценке эффекта от принятых мероприятий по дноуглублению и расчисткам с помощью имитационных расчетов. Оценка влияния предлагаемых мероприятий на уровенный режим озера выполнена с использованием кривых пропускной способности р. Сунгача и водоотводящих каналов, смоделированных продолжительных рядов компонент водного баланса и имеющихся сведений о регулировании стока на китайской территории (табл. 6).
Таблица 6. Варианты различных мероприятий по регулированию уровня оз. Ханка
Вариант Название мероприятия
1 Сокращение поступления стока р. Мулинхэ в оз. Малая Ханка
2 Реконструкция Сунгачинского канала для организации дополнительного сброса с отметкой дна на выходе из озера 68,5 м
3 Расчет с учетом климатических изменений
4 Расчет с учетом безвозвратных изъятий
Одна из причин современного роста уровня оз. Ханка - переброска стока р. Мулинхэ в бассейн оз. Малая Ханка и затем в оз. Ханка по системе каналов, емкостей и регулирующих гидротехнических сооружений. Первое рассматриваемое мероприятие заключается в сокращении непосредственного сброса паводочных вод в озеро и перенаправлении части паводочного стока непосредственно в р. Сунгача.
Выполненные расчеты показывают (табл. 7), что в результате перераспределения перебрасываемого паводочного стока между оз. Малая Ханка и р. Сунгача наблюдается некоторое снижение расчетных уровней воды в озере, однако, надо признать, что надежные данные о стоке р. Мулинхэ отсутствуют, гидравлические параметры каналов, емкостей и сооружений, расположенных на китайской территории, а также режимы эксплуатации всей системы известны ориентировочно. Сравнение результатов расчетов, выполненных для естественных и измененных условий, показало, что негативное воздействие переброски стока на уровенный режим оз. Ханка весьма существенно. Таким образом, китайской стороне может быть предложено изменить режим эксплуатации водохозяйственной системы с целью минимизации негативного воздействия на российскую часть побережья озера.
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
Второй возможный подход к регулированию уровня воды в озере заключается в увеличении пропускной способности р. Сунгача и Сунгачинского канала, осуществляющих сброс воды из оз. Ханка. В качестве первоочередного мероприятия рекомендуется выполнить восстановление пропускной способности Сунгачинского канала, полностью расположенного на российской территории. Мероприятие заключается в расчистке головной части канала, непосредственно примыкающей к оз. Ханка до отметки 68,5 м, расчистке основного русла и в реконструкции узла слияния р. Сунгача, Сунгачинского и Александровского каналов. Одновременно целесообразно произвести расчистку бара в истоке р. Сунгача. Эффект от осуществления этих работ весьма существенен, особенно для высоких уровней малой обеспеченности. Расчетные уровни 1 % обеспеченности снижаются на 60 см, средние многолетние уровни - примерно на 30 см, минимальные уровни меняются мало. Последнее обстоятельство связано с тем, что сбросной канал начинает работать с отметок воды в оз. Ханка, превышающих 68,5 м.
Таблица 7. Результаты моделирования для различных проектных вариантов по регулированию уровня воды в оз. Ханка
Параметры распределения уровня Варианты (в соответствии с табл. 6)
1 2 3 4
Средний уровень озера, м 69,39 69,05 69,31 68,68
Коэффициент асимметрии, С 0,26 0,28 0,32 -0,08
Среднее квадратическое отклонение, а 0,65 0,54 0,57 0,60
г(1) 0,831 0,73 0,73 0,76
Средний расход р. Сунгач, м3/с 54,4 54,6 68,9 36,2
Расчетные значения уровня оз. Ханка, Н, м
0,1 % 71,62 70,94 71,31 70,64
1,0 % 71,02 70,42 70,75 70,10
99 % 68,02 67,91 68,15 67,14
Третий вариант расчетов показывает влияние возможных изменений климата на результаты оценки эффективности предлагаемых мероприятий. Учет климатических изменений выполнен путем корректировки параметров распределений компонент водного баланса озера в соответствии с принятыми сценариями. На основе данных современных климатических гидродинамических моделей в работе [1] установлено, что в ближайшие десятилетия следует ожидать увеличения осадков на поверхность оз. Ханка и притока речных вод в пределах 4-6 % при минимальных изменениях испарения с водной поверхности. В соответствии с результатами расчетов
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
можно сделать вывод, что изменения климата приведут к росту уровней воды в озере, особенно - максимальных.
Четвертый вариант расчетов учитывает возможность увеличения безвозвратных изъятий в объеме до 0,55 км3 в год. Это максимальная величина, которая может быть достигнута через 10-12 лет. Принятое значение величины изъятий учтено при выполнении имитационных расчетов для рассмотренного ранее основного расчетного случая (с реконструкцией Сунгачинского канала). Результаты расчетов приведены в табл. 7 (четвертая колонка). Как следует из результатов, средний уровень оз. Ханка и уровни заданной (малой) обеспеченности при учете объемов безвозвратного водо-потребления существенно уменьшаются. Таким образом, развитие водоемких производств, в первую очередь - рисосеяния, может рассматриваться в качестве мероприятия, способствующего снижению средних и максимальных уровней воды в оз. Ханка. Проблема заключается в том, что объемы сельскохозяйственного производства должны быть существенно увеличены, что потребует достаточно продолжительного периода времени.
ВЫВОДЫ
Ведущими факторами, определяющими многолетние изменения уровня оз. Ханка, являются гидрометеорологические. Их вклад в современное повышение уровня воды составил 82 %. Однако в последние десятилетия отмечено разнонаправленное влияние и антропогенных факторов. Так, вклад безвозвратного водопотребления в изменение уровней в 2000-2016 гг. составляет -11 см. Влияние дополнительного стока по водоотводящим каналам оценено в -24 см. В свою очередь, в результате снижения пропускной способности р. Сунгача дополнительное повышение уровня озера составило 35 см, а за счет дополнительного поступления воды из оз. Малая Ханка уровень воды повысился на 34 см. В итоге общий вклад антропогенных факторов в современное повышение уровня равен 34 см, что составляет 18 %.
Вероятностный прогноз уровня воды в оз. Ханка, полученный на перспективу 30-50 лет, показал, что доверительный интервал вероятностного прогноза при всех сценариях водопользования достаточно большой. Средние значения уровня и максимальные уровни обеспеченностью 1 % могут отличаться для разных вариантов на величину до одного метра. Моделирование в сочетании с оценками пропускной способности русел показало, что колебания уровенного режима озера в существенной мере определяются условиями стока, что и определяет направление разработки мероприятий по снижению максимальных уровней воды в оз. Ханка.
Мероприятиями по регулированию уровня оз. Ханка (в настоящее время направленными, прежде всего, на его понижение) являются сокращение объемов стока р. Мулинхэ, поступающих в оз. Малая Ханка и затем
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
в оз. Ханка за счет перераспределения непосредственно в р. Сунгача и увеличение пропускной способности водотоков, по которым происходит сток воды из оз. Ханка. Наиболее эффективна совместная реализация этих мероприятий. Однако с учетом того, что позиция китайской стороны по вопросам перераспределения части паводочного стока р. Мулинхэ неизвестна, а согласование этого вопроса может занять длительное время, оптимальной представляется система мер, включающая расчистку русла Сунгачинского канала на входном участке для доведения его пропускной способности до современной пропускной способности русла всего канала и реконструкцию сбросного участка Сунгачинского и Александровского каналов с переносом точки их сопряжения с руслом р. Сунгача, а также периодическую расчистку прибрежного бара на акватории оз. Ханка и приустьевых участках р. Сунгача и Сунгачинского канала. Оценки последствий реализации данной системы мер и степени ее воздействия на уровенный режим озера показывают их высокую эффективность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Научные исследования по изучению гидрологических особенностей водного режима озера Ханка в целях определения причин аномального повышения уровня воды и выработки научно-обоснованных предложений по регулированию уровня воды в озере, формированию комплекса мер по снижению негативного воздействия вод озера на территории Приморского края // Отчет о НИР (заключительный) / ФГБУ ГГИ, рук. В.Ю. Георгиевский. СПб., 2016. 236 с.
2. Баканов К.Г. Многолетний режим уровня озера Ханка: автореф. дис.... канд. техн. наук., М., 1988. 125 с.
3. Болгов М.В. Моделирование многомерных гидрологических характеристик методом разложения по естественным ортогональным функциям //Метеорология и гидрология.1994. № 7. С. 82-95.
4. James W., Huber W.C. User System Models. User's guide to SWMM4 Transport, Extran and Storage Modules. CHI Publications. 2000. 295 p.
Сведения об авторах:
Георгиевский Владимир Юрьевич, д-р геогр. наук, директор института, ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Россия, 199053, Санкт-Петербург, 2-ая линия В.О., д. 23; e-mail: onti@ggi.nw.ru
Шалыгин Андрей Ленович, канд. техн. наук, зав. отделом, ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Россия, 199053, Санкт-Петербург, 2-ая линия В.О., д. 23; e-mail: onti@ggi.nw.ru
Болгов Михаил Васильевич, д-р техн. наук, заведующий лабораторией моделирования поверхностных вод, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3; e-mail: bolgovmv@mail.ru
Коробкина Елена Александровна, канд. техн. наук, научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3
Водное хозяйство России № 3, 2017 г.
