CC BY
39УДК 628.89; 551.584.2
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩА ГЭС НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТ
РАЙОНЫ ОКРЕСТНОСТИ
КУРБОНОВ НОМВАР БОЙНАЗАРОВИЧ
Кандидат технических наук, заместитель директора по науке Института водных проблем, гидроэнергетики и экологии НАНТ, Душанбе, Таджикистан
НОРМАТОВ ИНОМ ШЕРОВИЧ
Доктор химических наук, член-корреспондент НАНТ, профессор кафедры метеорологии и климатологии Таджикского национального университета, Душанбе, Таджикистан
БОЕВ БАХТИЁР МУЗАФФАРОВИЧ
Докторант (PhD) Института водных проблем, гидроэнергетики и экологии НАНТ, Душанбе,
Таджикистан
Аннотация. В работе рассматривается проблемы влияния крупных водоемов и сохранения резервируемых зон в регионе Центральной Азии, в условиях изменения климата, вызванные размещением и конструкцией больших резервуаров. Был установлен критерий оптимальности размещения и конструкции резервуаров, обеспечивающих минимальное воздействие на окружающую среду. Необходимость бухгалтерского учета метеорологических параметров (температуры, осадков и влажности) показана в определении водного количества для сельскохозяйственного орошения земель. Поэтому, в данной статье рассматриваются изменения метеорологических параметров до (1950-1980 гг.) и после (1981-2019 гг.) возведения Нурекского водохранилища по наблюдениям метеорологических станций Файзабад, Дангары и Яван.
Ключевые слова: водохранилище; микроклимат; Центральный Азия; Таджикистан; Нурек.
Abstract. The paper considers the problems of the influence of large reservoirs and the conservation of reserved areas in the Central Asian region, in the face of climate change, caused by the placement and design of large reservoirs. A criterion has been establishedfor optimal placement and design of tanks to ensure minimal environmental impact. The need for accounting for meteorological parameters (temperature, precipitation and humidity) is shown in the determination of the water quantity for agricultural irrigation of lands. Therefore, this article discusses changes in meteorological parameters before (1950-1980) and after (1981-2018) the construction of the Nurek reservoir according to the observations of meteorological stations Faizabad, Dangara and Yavan.
Key words: reservoir; microclimate; Central Asia; Tajikistan; Nurek.
1. Введение
В условиях зоны формирования водных ресурсов, в странах верховья - Таджикистан и Кыргызстан, для комплексно-рационального использования водных артерий строительство водохранилищ имеет важное энергетическое и экономическое значение. Потому что, водохранилище прежде всего решает две актуальные проблемы: накопление большого количества воды и дает возможность строительства гидроэлектростанций. Во-первых, обеспечивает неполивных земель водой и регулирует разделения воды на орошаемых земель и речных сток. Во-вторых, гидроэлектростанции при водохранилищах производят электроэнергию, обеспечивая все отрасли хозяйств и население. С учетом этих проблем в Таджикистане до сих пор было построено несколько водохранилищ: «Бахри точик», Нурек,
Сангтуда-1, Сангтуда-2, Сельбур, Муминабад, Фарход, Даханасай и, продолжается строительство других водохранилищах.
Неоспоримо, в эколого-экономическом плане одним из наиболее чистых типов сооружений для выработки электроэнергии являются гидроэлектростанции (ГЭС). ГЭС в отличие от тепло- и атомных электростанций не вбрасывает в атмосферу вредные газообразные либо другие побочные продукты деятельности станции: 1) радиацию, которая является продуктом влияния АЭС, 2) сточные воды и 3) тепло. Мониторинги показывают, что окружающие атмосфера и гидросфера не страдают от различного вида загрязнений. В результате функционирования ГЭС оказывается другой вид воздействия на окружающую среду [1-3]. Оно небольшое, но все-таки оно есть и влияет на пахотные земли и окружающие сооружение.
Спецификой работы ГЭС является необходимость создания вблизи нее водохранилища. Сооружается плотина, которая сопровождается выходом речных вод из русла и затоплением близлежащих пойменных территорий. На маленькой речке создается маленькое водохранилище с незначительной площадью затопляемых земель. Крупная ГЭС, строящаяся на многоводной реке, требует затопления значительных площадей, переселения жителей деревень, расположенных вдоль речного русла и выведения из сельскохозяйственного оборота большого количества гектаров пашни.
2. Материал и методы.
Авторы хотели бы показать, в этой статье влияние водохранилища ГЭС на изменения метрологических условий местности, т.е. целью настоящего исследования является ретроспективный сравнительный анализ статистических параметров 60-летних временных рядов температуры, атмосферных осадков, влажности и влияния водохранилища на тренд изменения метеопараметров. Потому что метеорологи, климатологи, экологи, географы и гидрологи имеют различные мнения относительно этой проблемы. Речь идет лишь о влиянии на микроклимат отдельных территорий, т.е. близлежащих районов водохранилищ. Первая группа ученых убеждена [1-5], что водохранилище ГЭС действительно влияет на изменения метеорологических параметров, таких как температура воздуха, атмосферные осадки, влажность, сила и направление ветра. Они считают, что над акваторией и прилегающей к ней территории крупных водохранилищ изменяется температурный режим, уменьшается суточный ход температур и увеличиваются среднегодовая температура, относительная и абсолютная влажность воздуха, развивается ярко выраженная бризовая циркуляция, увеличиваются туманообразование и испаряемость, на наветренных склонах в теплый период увеличивается количество осадков. Другая группа ученых [6] считает, что водоемы (кроме крупных водохранилищ, типа Вольты, Виктории и Куйбышевские) на климат не влияют.
Климат как многолетний режим погоды формируется под влиянием ряда факторов, важнейшими из которых являются два: приход-расход солнечной энергии и циркуляция атмосферы. Именно они определяют смену времен года, оттепели зимой и похолодания летом, продолжительные засушливые и влажные периоды и т.д. Но важную роль играют и местные факторы. В их число входят: рельеф территории (расчлененность, экспозиция и крутизна склонов, высота), характер растительного покрова, степень хозяйственного освоения районов. Наличие большого водохранилища играет роль местного фактора. Поэтому специфические черты изменения микроклимата побережий озер и водохранилищ проявляются на фоне общих особенностей и колебаний климата данного района.
Влияние водохранилищ на климат распространяется на сравнительно небольшую территорию прилегающих районов и еще менее заметно в нижних бьефах гидроузлов. Изменения микроклимата при создании водоема определяется увеличением суммарной радиации и радиационного баланса, большей теплоемкостью водохранилищ по сравнению с сушей, уменьшением шероховатости поверхности и другими факторами [1]. Следует отметить, что интенсивность изменений климата под влиянием водохранилищ зависит также
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
от рельефа (чем выше берег, тем быстрее затухают эти изменения), от параметров водохранилища, особенно объема водной массы, и других факторов. Основные изменения метеоусловий под влиянием водохранилищ состоят в следующем: увеличивается радиационный баланс, испарение, ослабляется континентальность климата, возрастают скорости ветра, появляются ветры типа бризов.
Микроклиматическое влияние водохранилищах подразделяется на две периода: преимущественно охлаждающего и отепляющего действия. Охлаждающий период более делительный, чем отепляющий. Отепляющий период менее выражен и значительно менее продолжительный. Яркое влияние охлаждения продолжается 2-3 месяца. Зона влияния водохранилища зависит от рельефа побережья, особенности водосбора и особенно прибрежной зоны, ориентации чаши водохранилища, общей циркуляции атмосферы. Зона влияния водохранилища среднего размера в теплый период года - до 500 метров (чаще меньше), а зимой - не более 200 метров. У более крупных водохранилищ зона влияния увеличивается до нескольких километров, у крупнейших - десятков километров. Происходит следующее: увеличивается влажность воздуха в радиусе примерно 5-10 километров от водохранилища для крупных сооружений [1-5]. И из-за этого изменяется температура (летом - снижается, зимой - увеличивается) и изменяется режим ветров. Чаще всего на берегах водохранилища усиливаются максимальные и средние скорости ветра, но это влияние сильно лишь при условии открытых котловин, а в других случаях режим местной циркуляции не меняется совсем.
Изменения затрагивают практически все элементы климата акватории и прибрежных территорий [3, 5]. Известно также что причина специфичности климата прибрежной зоны водоемов кроется в различии физических свойств воды и суши. Альбедо водной поверхности при большой высоте Солнца колеблется всего от 7 до 11% и всегда меньше альбедо поверхности суши [1]. Интенсивность потери тепла деятельной поверхностью в основном зависит от ее температуры, а, следовательно, различия в суммах эффективного излучения водой и сушей тем больше, чем больше термические контрасты между ними, которые тесно связаны с географической зональностью.
Для глубоких водохранилищ характерны большие сезонные колебания радиационного баланса воды к радиационному балансу суши [1]. Весной водохранилища оказывают охлаждающее влияние на прибрежные территории, а во второй половине теплового периода отдавая накопленное тепло, оказывают отепляющее воздействие. Под воздействием водохранилищ в прибрежной полосе, как правило, уменьшается континентальность климата: ход температур становится плавным, суточная амплитуда температур воздуха уменьшается, влажность воздуха увеличивается, весенние заморозки прекращаются в более ранние сроки, осенние заморозки наступают позже и т.д.
В районе крупных водохранилищ несколько увеличивается количество осадков. За счет испарения с увеличившейся водной поверхности возрастает относительная и абсолютная влажность воздуха, что особенно заметно сказывается в аридных и семи аридных зонах [1-4]. В нижних бьефах гидроэлектростанций внутригодовое перераспределение стока приводит, к увеличению расходов воды в зимнее время и к усилению влияния их на температуру и влажность воздуха. Значительнее изменяется термический режим ниже глубоководных водохранилищ, в районах с холодным климатом. В таких бьефах наблюдается повышение влажности воздуха и образование туманов. Также несколько в нижних бьефах изменяется микроклимат речных долин.
3. Результаты
Вопрос о регулировании речного стока и строительстве крупных водохранилищ в Центральной Азии возник в 50-е годы прошлого века именно в связи с развитием орошаемого земледелия. Только с этого времени началось строительство таких крупных гидросооружений с водохранилищами большого объема как Бахриточикский и Нурекский в Таджикистане,
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Токтогульский в Кыргызстане, Чарвакский, Андижанский и Тюямуюнский в Узбекистане, Зеидский и Копетдагский в Туркменистане, Бухтарминский, Капчагайский, Коксарайский и Шардаринский в Казахстане [5-7]. Ошибочное мнение о том, что естественный режим реки отвечает интересам ирригации, основано на внешнем сходстве этих режимов. В обоих случаях наибольшие расходы происходят летом, а наименьшие - зимой. Однако при более внимательном рассмотрении оказывается, что конкретные распределения расходов реки совершенно не соответствуют требованиям ирригации.
Согласно [3, 5, 8-10] непосредственное влияние водохранилищ на микроклимат близлежащих районов ощущается на расстояниях нескольких сот метров, а в направлении ветра такое влияние может быть зарегистрировано на расстояниях более 10 км. Для установления влияния водохранилищ на возможные изменения агроклиматических условий авторы анализировали тренд метеорологических параметров трех районов Файзабада, Дангары и Явана Республики Таджикистан с развитой аграрной отраслью прибрежной к Нурекскому водохранилищу. Были использованы метеорологические данные периода 19502018 годов метеостанций расположенных в районах исследований.
Строительство Нурекской плотины было начато в 1961 году и в 1979 году уже была достигнут уровень воды 890 м, а отметка нормального подпорного уровня (НПУ) равная 910 м была достигнута в сентябре 1983 года. Следовательно, можно считать, что влияние водохранилища на климат местности должно ощущаться после восьмидесятых годов двадцатого столетия. Исходя из данного предположения, авторы анализировали метеорологические параметры двух периодов - до (1950-1980) и после (1980-2018) возведения плотины.
Для снятия прочих факторов был использован метод анализа пространственных разностей. Если физико-географические условия сильно не изменяются, то пространственные разности между двумя парами станций являются устойчивыми величинами (в многолетнем разрезе). По изменению пространственных разностей двух пар станций, одна из которых расположена в сфере воздействия водохранилища, можно судить, каков эффект влияния водоема. Обязательное условие анализа - длительность ряда метеорологических наблюдений до и после возведения водохранилища.
Исследованные авторами районы прибрежные к Нурекскому водохранилищу расположены в радиусе до 35 км относительно водохранилища и на различных высотах относительно уровня моря и широтах: Файзабад (1215 м н.у.м., 38° 15' К, 69° 32' Е), Дангара (660 м н.у.м., 38° 10' К, 69° 32' е), Яван (632 м н.у.м., 38° 32' К, 69° 05' Е) [8-9].
4. Обсуждение результатов
Необходимо отметить, что за период 1950-2018 годов изменение температуры во всех трех районов имеет возрастающий характер без проявления каких-либо отклонений или экстремумов после 80-их годов, свидетельствующих о влиянии Нурекского водохранилища. Однако при сравнении хода изменения температуры до и после возведения водохранилища наблюдаются различные тренды возрастания температуры (рис.1а, б, в, г, д, е).
ГашаАжмон! ГдоюбпсэсшЯ
Рис. 1. Динамика изменения температуры по наблюдениям метеостанций Файзабад (а, б), Дангары (в, г) и Яван (д, е) до и после возведения Нурекского водохранилища.
Если изменение температуры в районах Файзабада и Дангары до 1980 года имело более плавный ход, то после 1980 года оно приобретает крутой характер увеличения (рис.1 б, г). При этом с точностью до наоборот, изменение температуры наблюдается в Яване. На рис. 1 (д, е) представлено среднегодовое значение температуры Явана. Из рис. 1 (д) видно, что тренд изменения температуры до возведения водохранилища имеет более крутой и выраженный характер сменяющееся на более плавный ход после 1980 года (рис.1 е).
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Объяснение наблюдаемых явлений с точки зрения удаленности расположения районов относительно Нурекского водохранилища является ошибочным, так как Файзабад находится на расстоянии 20 км, Дангара на расстоянии 35 км, а Яван на расстоянии 30 км. По высоте расположения районов над уровнем моря Дангара и Яван более близки друг к другу и логично предположить схожесть поведения их метеопараметров [8-10].
Авторы также проводили анализ пространственно-временного изменения атмосферных осадков вышеперечисленных районов за период 1950-2018 годы. На рис. 2 (а, б) представлены среднегодовые значения осадков в районе Файзабада за периоды 1950-1980 и 1981-2018 годов. Тренд изменения атмосферных осадков Файзабада как до возведения водохранилища, так и после него имеет убывающий характер. Хотя изменение влажности района за рассматриваемые периоды, как видно из рис. 2 (в, г), характеризуется возрастающими трендами.
ГмкмЬиаав! ГлдаиЛтапШ
Я
ялживш! ГпжшпшлсМ
Рис. 2. Динамика изменения атмосферных осадков (а, б) и влажности (в, г) по наблюдениям метеостанции Файзабада до и после возведения Нурекского водохранилища.
Совершенно иной характер изменения атмосферных осадков и влажности был выявлен при мониторинге метеопараметров районов Дангары и Явана. На рис. 3 (а, б, в, г) приведены изменения осадков и влажности Дангары до и после возведения Нурекского водохранилища.
Рис. 3. Динамика изменения атмосферных осадков (а, б) и влажности (в, г) по наблюдениям метеостанции Дангары до и после возведения Нурекского водохранилища.
Как видно из рис. 3 (г) за период после возведения водохранилища, т.е. после 1980 года, наблюдается тенденция уменьшения влажности, хотя ее возрастающий тренд наблюдался до 1980 года. Такой же переход с возрастающего тренда периода 1950-1980 на убывающий тренд периода 1981-2018 гг. наблюдался и в изменение осадков (рис. 3 а, б).
На рис. 4 (а, б, в, г) представлена динамика изменения осадков и влажности Явана до и после возведения Нурекского водохранилища.
Г ии шАкисши Гхш uOiujaul
{MUMBta* Ж.1« * В 4» 4* Г
■ Л . U А - N д л
■ \ л 'U \/щ........
» i jl j lл i»а ллt
iiryi.....
43 4>
ваа*й85|г»г?Рг?Р8 : i i t I ! I !' И Н S i ! - s s - !
£ £ £ 2 £ £ £ 5 - * £ £ £ £ £ £ 2 2 2 2 2 £ 2 £ 2 2 г. г, г, ° fi й Я й (ошпбткт! Гашыбтип^
Рис. 4. Динамика изменения атмосферных осадков (а, б) и влажности (в, г) по наблюдениям метеостанции Явана до и после возведения Нурекского водохранилища.
Из рис. 4 (а, б) видно, что влажность данного района имела все уменьшающий характер до 1980 г. (рис. 4 в) и характеризовалась умеренным нарастанием осадков (рис. 4 а). После 1980 года наблюдается нарастание атмосферных осадков и влажности (рис. 4 б, г).
Расчеты показывают, что уменьшение атмосферных осадков Явана за период 1950-1980 годов составляет 4,7 мм при их увеличении за период 1981-2018 до 443,0 мм, что по сравнению с 1980 годом составляет около 30%. Изменение температуры Явана за период 1980-2018 годов равняется 1,1°С против его увеличения на 0,97°С в период с 1950 по 1980 годы.
Следует особо отметить, что постоянный мониторинг за метеорологическими параметрами крупных водных объектов важен с точки зрения развития сельского хозяйства и окружающей среды. Своевременное установление вариаций метеорологических условий, и разработка технологии адаптации к установившимся условиям, и селекция сельскохозяйственных сортов устойчивых к изменениям климатических факторов и стрессовых ситуаций - залог обеспечения продовольственной безопасности.
Таким образом, проведенный авторами анализ показывает неоднозначное влияние водохранилища на метеорологические условия прибрежных к нему районов. Это прежде всего обусловлено тем, что рассматриваемые районы характеризуется горным рельефом. В горных местностях [8-10], как обычно благодаря влиянию высоких возвышенностей наблюдаются процессы отражения, отклонения и возникновения направленного движения воздушных масс. Исходя из этого наличие развитой сети метеостанций в горных местностях является залогом получения реальной картины метеорологических сценариев. Поэтому влияние водохранилищ на микроклимат в различных зонах неодинаково. В зоне недостаточного увлажнения это влияние затухает быстрее и резче, чем в зоне избыточного увлажнения, и распространяется дальше, но с менее резкими переходами. В тоже время абсолютные и относительные показатели изменения микроклимата возрастают при движении с севера на юг [2, 4].
5. Заключение
Необходимо отметить, что постоянный мониторинг за метеорологическими параметрами крупных водных объектов важен с точки зрения развития аграрного, экологического и экономического секторов. Своевременное установление вариаций метеорологических условий, и разработка технологии адаптации к установившимся условиям, и селекция сельскохозяйственных сортов устойчивых к изменениям климатических факторов и стрессовых ситуаций залог обеспечения продовольственной безопасности. В то же время водохранилищ используется в различных областях, в том числе:
Энергетика. Запас воды, аккумулированный в водохранилищах, предназначается в первую очередь, для гарантированной выработки электроэнергии на ГЭС в зависимости от
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
объема накапливаемой воды. Создание водохранилищ дает возможность максимально использовать проектную мощность гидроэлектростанций. Например, на Нурекском ГЭС вырабатывается 11,2 млрд. кВт/час электроэнергии в год.
Транспорт. Созданные при гидроузлах комплексного назначения водохранилища дают возможность увеличить количество транспортных и пассажирских речных перевозок, так как на водохранилищах обеспечиваются стабильные, в течении всей навигации, гарантированные судоходные глубины. Примером являются водохранилища Красноярск и Цимлянск для России, и Вольта для Ганы, которые позволили создать глубоководную транспортную систему.
Ирригация. Построенные в бассейнах рек водохранилища ГЭС создают необходимые условия для орошения сельскохозяйственных земель. Например, завершение строительства только Рогунской ГЭС в Таджикистане наряду с тем, что обеспечит надежное орошение более 3 млн. га земель бассейна Амударьи в маловодные и засушливые годы, еще позволит сократить выбросы сотни миллионов тон углекислого газа в атмосферу. Во всем мире много каскадных водохранилищах, которые играют такую роль: водохранилища в бассейнах рек Волга (Россия), Колумбия (Канада, США), Янцзы (Китай), Парана (Южная Америка), Рейн (Европа), Нарын, Вахш, Сырдарьи и Амударьи (Центральная Азия).
Экология. При создании водохранилищ выполняется инженерная защита ценных сельскохозяйственных земель, что заметно снижает возможный ущерб от затоплений. Гидроузлы на ГЭС позволяют регулировать и контролировать сток воды, ликвидируя катастрофические наводнения, маловодья, сели. В условиях Центральной Азии водохранилище способствуют предотвращению таких экстремальных гидрологических явлений, как паводки, сели и наводнения. Необходимо отметит, что Зейское (Россия) и Насерское (Египте) водохранилища не раз спасали свои региона от крупных наводнений.
Водоснабжение. Водохранилища, созданные при гидроузлах комплексного назначения с соблюдением требований санитарных правил, также используются как источник хозяйственно-питьевой воды и водоснабжения. На фоне наблюдаемого в Центральной Азии возрастания дефицита водных ресурсов они играют важнейшую роль в обеспечении водной безопасности, также как, Саяно-Шушенское водохранилище в России, Шардаринское водохранилище в Казахстане и водохранилище «Бахри точик» в Таджикистане, которые создавали для обеспечения водой и регулирования стока.
Рыболовство. Водохранилища создают условия для разведения и ловли рыбы, причем уловы рыбы на водохранилищах на порядок выше, чем на речных участках. Например, Куйбышевским, Кумском, Рыбинском, Усть-Илимском водохранилищах в России, Нетешинское водохранилище в Украине, Чарваксое водохранилище в Узбекистане и водохранилище Кариба в Замбии и Зимбабве.
Рекреация. Водохранилища являются одним из привлекательных мест отдыха: на многих благоустроены пляжи, проводятся парусные регаты, дайвинг, теплоходные экскурсии. Характерным примером такого использования являются водохранилища Волжского каскада ГЭС в России, Днепровского каскада ГЭС в Украине, Теннессийского каскада ГЭС в США, Паранейского каскада в Бразилии и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бутысин А.В. Влияние гидроэлектростанций на окружающую среду // URL: https:// files.scienceforum.ru/pdf/2011/article587.pdf.
2. Водохранилища ГЭС влияют на климат региона // URL: https://svyatoslav. livejournal.com/388888.html.
3. Вендров С.Л., Авакян А.Б., Дьяконов К.Н., Ретеюм А.Ю. Роль водохранилищ в изменении природных условий. - М.: Знание, 1968. - 48 с.
4. Большие плотины - нарушенный климат / Перевод с алг. А. Арбачаков, 29.09.2012 // URL: https://ecodelo.org/ekonomika/strategii_razvitiya/17203-bolshie plotiny narushennyi klimat.
5. Муртазаев У.И. Водохранилища Таджикистана и их влияние на прилегающие ландшафты. - Душанбе: Ирфон, 2005. - 304 с.
6. Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища. - М., 1987 - 326 с. // URL: http://sinref.ru/000_uchebniki/01600geografia/003 vodohranilisha avakan 1987/001.htm.
7. Авакян А., Шарапов В. Водохранилища гидроэлектростанций СССР. -М., 1962, 1968 и 1977. - 384 с.
8. Kurbanov N.B., Kurbanov Sh.B. Modern adaptation approach of agriculture to climate change and reservoirs impact // Теоретический и научно-практический журнал «Инновации в сельском хозяйстве». - №3 (8). - 2014. - PP.5-10.
9. Муминов А.О., Курбонов Н.Б., Норматов П.И. Изучение влияния Нурекского водохранилища на метеорологические условия сельскохозяйственных районов Республики Таджикистан // Респуб. научно-теорет. журнал «Наука и новые технологии». - №7. - 2013. -С.52-55.
10. Курбонов Н.Б., Расулзода Т.Х., Машрабов А.А., Одинаев К.Н. Оценка влияния водохранилища Нурекский ГЭС на изменения микроклимата местности // Материалы II Респуб. научно-практ. конф. «Современные технологии в электроэнергетике и промышленности». - Худжанд, Таджикистан, 22 декабря 2018 г. - С.17-23.
11. Архивные данные Агентства по гидрометеорологии Республики Таджикистан (октября 2019 года).
