CC BY
17УДК 556.555: 556.18 DOI: 10.35567/19994508_2022_2_5
Оценка характеристик уровенного режима трансграничного озера Ханка в результате реализации проектных решений по расчистке истока реки Сунгача
М.В. Болгов ISI А , Е.А. Коробкина ©
ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Москва, Россия АННОТАЦИЯ
Актуальность. Трансграничное российско-китайское оз. Ханка характеризуется сложным и трудно предсказуемым гидрологическим режимом с многолетними циклическими колебаниями уровня. Последнее повышение уровня, начавшееся после 2000 г., оказалось аномальным за всю историю инструментальных наблюдений и вызвало сильные затопления прибрежных территорий, в особенности на российской части бассейна с сопутствующим усилением эрозионных процессов, воздействием на экосистемы и т. п. Основными факторами, влияющими на гидрологический режим озера, являются климатические изменения в регионе и антропогенное изменение водных ресурсов, наблюдаемое на водосборе оз. Ханка в результате развития орошаемого земледелия, в основном на китайской территории бассейна. Усугубляет современное состояние водного режима озера сокращение пропускной способности р. Сунгача вследствие занесения наносами русла в истоке. Методы. Для решения задачи оценки действенности предлагаемых методов инженерных решений по управлению уровенным режимом оз. Ханка использовался подход, основанный на динамико-стохастическом моделировании основных компонент водного баланса озера и последующем гидродинамическом моделировании движения воды в русле р. Сунгача. Результаты. С учетом водопользования в бассейне озера и на соседних территориях проведена оценка возможного эффекта от реализации мероприятий по управлению его уровенным режимом с целью снижения максимальных уровней воды. Для выяснения особенностей формирования экстремальных уровней воды и оценки последствий антропогенного воздействия на уровенный режим озера расчеты водного баланса выполнены для нескольких вариантов водопользования, включающих различные условия оттока из озера (естественные условия и два варианта дноуглубления) и сценарии использования стока р. Мулинхэ.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оз. Ханка, трансграничный водный объект, р. Сунгача, гидродинамическая модель, водное хозяйство, антропогенное воздействие, управление водными ресурсами.
Финансирование: Работа выполнена в рамках темы № FMWZ-2022-0001 государственного задания ИВП РАН.
Для цитирования: Болгов М.В., Коробкина Е.А. Оценка характеристик уровенного режима трансграничного озера Ханка в результате реализации проектных решений по расчистке истока реки Сунгача // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 2. С. 53-67. DOI: 10.35567/19994508_2022_2_5.
Дата поступления 15.02.2022.
© Болгов М.В., Коробкина Е.А., 2022
Assessment of the water level of the transboundary Lake IKhanka resulted from implementation of the design solutions on cleaning of the Sungacha riverbed from sediments Mikhail V. Bolgov D, Elena A. Korobkina O
Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia ABSTRACT
Relevance. The transboundary Russian-Chinese Lake Khanka is characterized by a complex and poorly predictable hydrological regime with long-term cyclic fluctuations of the level. The last rise of the level, which began after 2000 year, turned out to be anomalous in the entire history of observations and caused severe flooding of the coastal territories of the Russian part of the basin with related intensification of erosion processes, impact on ecosystems, etc. The main factors affecting the hydrological regime of the lake are climatic changes in the region and anthropogenic impact on the water resources observed in the Khanka Lake catchment area because of the development of irrigated agriculture, especially in the Chinese part of the basin. The reduction in the capacity of the Sungacha River due to the deposition of sediment in the source of the riverbed make current state of the lake's water regime worse. Methods. To solve the problem of evaluating the effectiveness of the proposed methods of engineering solutions for managing the level regime of Lake Khanka, we used an approach based on dynamic-stochastic modeling of the main components of the lake's water balance and subsequent hydrodynamic water flow modeling in the Sungacha River. Results. This paper has paid main attention to accounting for water use in the lake basin and in adjacent territories, and potential effect of implementing measures to manage lake level regime in order to reduce maximum water levels is evaluated. To clarify the features of the formation of extreme water levels and to assess the consequences of anthropogenic impact on the level regime of the lake, water balance calculations were performed for several water use options, including various outflow conditions from the lake (natural conditions and two dredging options) and scenarios for the use of the flow of the Mulinhe River.
Keywords: Lake Khanka, transboundary water body, water level fluctuations, Sungacha River, hydrodynamic model, water management, anthropogenic impact, water resources management.
Financing: This study was carried out under Governmental Order to Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, subject no. FMWZ-2022-0001.
For citation: Bolgov V.M., Korobkina E.A. Assessment of the water level of the transboundary Lake Khanka resulted from implementation of the design solutions on cleaning of the Sungacha riverbed from sediments. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 2. P. 53-67. DOI: 10.35567/19994508_2022_2_5.
Received 15.02.2022.
ВВЕДЕНИЕ
Трансграничное российско-китайское оз. Ханка, расположенное на Дальнем Востоке России, является сложным объектом гидрометеорологических исследований с трудно предсказуемым гидрологическим режимом. Возросший интерес к нему в последние годы обусловлен аномальным повышением уровня водной поверхности озера, провоцирующим затопление прибрежных территорий российской части бассейна.
Характер естественных колебаний уровня оз. Ханка определяется особенностями гидрологического режима водосборной территории, строением гидрографической сети и морфологией озера. Основное питание озеро получает
за счет дождевых осадков как в виде поверхностного притока, так и осадков, выпадающих непосредственно на водную поверхность. Особенностью режима озера является то, что среднемноголетний слой испарения с водной поверхности примерно равен слою осадков, и корреляция между этими величинами отсутствует. Озеро неглубокое, и вдольбереговой транспорт наносов в форме кос и гряд может существенно изменять условия оттока воды. Комплекс естественных факторов, обусловленных вариациями климата, а также антропогенное влияние в виде объема забираемых и дополнительно сбрасываемых вод, привели в последние десятилетия к формированию условий, способствующих аномальному росту уровня воды в оз. Ханка.
Большое количество научных исследований посвящено вопросам колебания уровня оз. Ханка и анализу причин экстремально высоких уровней в последнее десятилетие. Одна из первых и наиболее известных работ с подробным описанием гидрологического режима оз. Ханка - монография М.Г. Васьковского [1]. Наиболее полная из зарубежных публикаций - отчет по проекту Программы ООН по окружающей среде, в рамках которого две прибрежные страны определили основные проблемы управления и устойчивого развития бассейна озера при участии Китайской академии наук об окружающей среде (CRAES) и Тихоокеанского института географии ДВО РАН [2]. Всесторонний обзор современной проблемной ситуации в бассейне оз. Ханка приведен в работе [3].
Анализу современного состояния гидрологического режима озера, его геологических и экологических особенностей, связанных с колебаниями уровня воды, большое внимание уделено в исследованиях последних лет [4-10]. Вопросы современного природопользования и водопользования в бассейне оз. Ханка, в т. ч. и на китайской части бассейна освещены в работах [11-13].
Проблемы управления уровенным режимом озера рассматриваются специалистами с нескольких точек зрения. В первую очередь, это вопросы прогноза уровня [14-17], но не менее важным в современных условиях является выбор инженерных мероприятий и оценка их действенности для снижения ущерба от затопления прибрежных территорий [16-19].
Авторы данной статьи придерживаются вероятностных методов оценки естественного режима колебаний уровня озера и эффективности применения мер по минимизации риска негативного воздействия повышения уровня на возможное затопление территории. Для оценки вероятностей достижения критических уровней воды в оз. Ханка, характеризующих степень «аномальности» ситуации и необходимых для планирования технических мероприятий на озере и его водосборе в целях управления его уровенным режимом, требуется вероятностный прогноз уровня на долгосрочный период. Сложность вероятностной прогнозной задачи заключается в том, что последовательность объемов воды в озере не является последовательностью независимых случайных величин. Во временных рядах уровней озера за счет интегрального эффекта с большой вероятностью могут наблюдаться, на первый взгляд, необъяснимые, продолжительные периоды высокого или низкого стояния.
Проблема заключается в том, что объем имеющихся последовательностей инструментально наблюденных уровней озер, особенно бессточных, совершенно недостаточен для получения надежных оценок параметров вероятностных моделей путем статистической обработки. Эффективным методом получения таких характеристик является динамико-стохастическое моделирование колебаний уровня водоема на основе уравнения водного баланса и вероятностных моделей колебаний его составляющих - притока, осадков и испарения. Такой подход позволяет учесть нелинейный характер морфометрических и гидравлических зависимостей, сложность вероятностных моделей стока и испарения и получить прогнозные оценки уровенного режима для различных сценариев изменений климата и антропогенной деятельности на водосборе.
Важным фактором, влияющим на гидрологический режим озера, является антропогенное изменение водных ресурсов, наблюдаемое на водосборе оз. Ханка в результате развития орошаемого земледелия, в особенности на китайской части бассейна. Возделывание риса требует гарантированной подачи большого количества воды, что достигается за счет создания сложных технических систем переброски стока и его отведения. Учесть влияние эксплуатации технических систем на аномальные колебания уровня оз. Ханка можно с помощью имитационных расчетов, в ходе которых оценивается и эффективность планируемых мероприятий по снижению риска затопления прибрежных территорий.
В статьях [4, 16, 17] подробно рассмотрены особенности гидрологического режима оз. Ханка и водохозяйственной деятельности в его бассейне, а также определены параметры стохастических моделей основных гидрологических процессов. В данной работе основное внимание уделено учету водопользования в бассейне озера и на соседних территориях, оценке возможного эффекта от реализации мероприятий по управлению его уровенным режимом с целью снижения максимальных уровней воды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследования - водосбор трансграничного оз. Ханка и часть сопредельных территорий, водохозяйственная деятельность на которых оказывает влияние на водные ресурсы озера и, соответственно, на его уровень. Около 90 % площади водосбора оз. Ханка расположено на территории Приморского края Российской Федерации, оставшаяся часть водосбора - на территории китайской провинции Хейлунцзян. Из озера вытекает единственная река Сунгача - приток трансграничной р. Уссури, которая впадает в Амур в районе г. Хабаровска. Сток р. Сунгача зависит от уровня озера и количества наносов, отлагающихся в ее истоке в виде бара [1, 9, 16].
Созданная на китайской части бассейна оз. Ханка водохозяйственная система использует водные ресурсы озер Ханка и Малая Ханка, а также р. Мулинхэ в целях борьбы с наводнениями и для обеспечения водой рисовых оросительных систем, площадь которых по информации китайских специалистов составляет в этом регионе более 0,66 млн га. Водохозяйственная система включает:
- вододелитель на р. Мулинхэ;
- канал Мусин, подающий воду из р. Мулинхэ в район расположения рисовых оросительных систем (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 в Малую Ханку.
В результате бассейн оз. Ханка оказывается тесно связанным с бассейном р. Мулинхэ, а переброска стока р. Мулинхэ в бассейн оз. Малая Ханка, а затем сброс в озеро вносят значительный вклад в аномальный рост уровня оз. Ханка.
Полученные в данной работе результаты основаны на обобщении данных гидрометеорологических наблюдений, собранных и проанализированных в рамках проекта «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» [20], а также на основе данных инженерно-гидрометеорологических изысканий, выполненных ОАО «Ленгипроречтранс» в 2017 г.
В работе использованы многолетние ряды данных по основным компонентам водного баланса озера (приток, осадки, испарение, уровень воды) за период 1949-2017 гг. Для оценки эффективности мероприятий по регулированию уровенного режима оз. Ханка с помощью гидродинамической модели движения воды в русле р. Сунгача использованы профили русла, полученные при производстве изысканий ОАО «Ленгипроречтранс». Для решения задачи оценки действенности предлагаемых методов инженерных решений по управлению уровенным режимом оз. Ханка применялся подход, основанный на динамико-стохастическом моделировании основных компонент водного баланса озера и последующем гидродинамическом моделировании движения воды в русле р. Сунгача.
Представления о характере колебаний исследуемых гидрометеорологических процессов, как о стохастическом случайном процессе, позволяют применять аппарат теории случайных функций и вероятностные методы для описания многолетних последовательностей годовых величин стока, испарения и осадков [21]. В результате моделируются случайные временные последовательности составляющих водного баланса озера необходимой длины и с заданными свойствами (марковость случайного процесса и параметры безусловных распределений).
Поскольку корреляция между осадками и притоком к оз. Ханка существенна, был принят способ моделирования искусственных рядов попарно коррелированных случайных процессов, которые образуют трехмерный марковский процесс. Предлагаемый способ предусматривает переход от гамма-распределенных величин к их обеспеченностям, а затем к нормально распределенным числам [22]. Реализации процесса наполнения озера и связанного
с ним расхода р. Сунгача получаются с помощью решения уравнения водного баланса озера в конечно-разностной форме с использованием зависимости площади водной поверхности и зависимости расхода (стока) от уровня озера. Расчеты водного баланса выполнены для нескольких вариантов водопользования, включающих различные условия оттока из озера (естественные условия и два варианта дноуглубления) и сценарии использования стока р. Мулинхэ.
Для оценки эффективности мероприятий по регулированию уровенного режима оз. Ханка разработана гидродинамическая модель движения воды в русле р. Сунгача, позволяющая рассчитывать зависимости стока воды из озера от его уровня, необходимые для выполнения расчетов многолетних колебаний уровня воды.
Для расчета гидрологического режима р. Сунгача использован программный комплекс (модель управления ливневым стоком) [23]. Данный комплекс включает несколько модулей, но в рамках исследуемого вопроса применен только один из них - модуль ЕХТИЛЫ, который реализует алгоритм решения уравнения Сен-Венана для системы открытых и закрытых (напорных и безнапорных) водоводов и водотоков. При моделировании р. Сунгача использовали комбинированное представление участков русел в виде каналов трапецеидального сечения с заданным заложением откосов (на участках дноуглубления) в сочетании с берегами произвольной формы и шероховатостью, задаваемой в форме коэффициента Маннинга.
Результатом моделирования являются профили водной поверхности и расходы воды в заданных точках системы.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОБСТАНОВКИ В БАССЕЙНЕ ОЗЕРА ХАНКА
Особенности гидрометеорологии оз. Ханка и его бассейна
Анализ многолетних колебаний уровня воды в озере показывает, что высокие стояния уровня наблюдались регулярно на протяжении более 100 лет наблюдений, но подъем уровня в последние десятилетия превысил исторические значения и привел к значительным ущербам на прибрежных территориях.
Статистический анализ многолетних рядов годовых значений компонент водного баланса оз. Ханка за период до 2017 г. показал следующее. Колебания речного стока носят стационарный характер, имеют малый коэффициент автокорреляции и повышенный коэффициент вариации (С = 0,44). Дождевые осадки являются важной составляющей баланса озера, поскольку площадь водной поверхности велика (около 4000 км2). Последовательность годовых сумм осадков, как и величин стока, характеризуется малым коэффициентом автокорреляции (г(1) = 0,1). Коэффициент вариации годовых сумм осадков мал (С = 0,16), что является характерной особенностью процесса в изучаемом регионе.
Испарение с водной поверхности оценивается с погрешностью, т. к. данная величина непосредственно на озере не измеряется. Стандартные наблюдения за испарением с водной поверхности проводятся на сети Росгидромета с помощью испарителя ГГИ-3000, но эти приборы расположены на суше и их данные не всегда репрезентативны. В рамках программы работ озерной станции
Приморского УГМС «Астраханка» на побережье озера ведутся наблюдения за испарением с помощью испарительного бассейна большой площади (20 м2), что позволяет получать существенно более надежные данные.
Результаты наблюдений за испарением и расчеты, выполненные специалистами Государственного гидрологического института (ГГИ) с помощью различных полуэмпирических методов, позволяют говорить о наличии заметного тренда на снижение в последние 30 лет [7]. В качестве особенности временного ряда испарения следует отметить сравнительно большое значение первого коэффициента автокорреляции (г(1) = 0,3). Тренд в ряду величин испарения и высокая автокорреляция могут служить дополнительными факторами возникновения естественного затяжного периода повышения уровня воды в оз. Ханка в последние десятилетия.
Приближенно определяемой характеристикой баланса озера является годовой сток трансграничной р. Сунгача, вытекающей из оз. Ханка. Наблюдения за стоком реки крайне нерегулярны и ограничены эпизодическими измерениями расходов, причем в последние годы это осуществляется в рамках росийско-китайского мониторинга качества вод трансграничных водных объектов при отборе проб воды на химический анализ. Известно, что кроме уровня воды в озере, сток р. Сунгача определяется также отметкой бара в истоке, т. е. пропускной способностью данного участка русла [1]. Колебания стока из озера в целом следуют колебаниям уровня воды в озере и также характеризуются большим значением первого коэффициента автокорреляции.
Использование водных ресурсов в бассейне трансграничного оз. Ханка обусловлено, в основном, развитием сельского хозяйства на обоих частях бассейна - российской и китайской. При этом основной вклад в водопотребле-ние вносит орошаемое земледелие с наибольшими безвозвратными потерями воды в процессе выращивания риса.
До 1994 г. площади посевов риса в бассейне оз. Ханка на территории России превышали аналогичные показатели для китайской части бассейна, затем ситуация изменилась и в настоящее время на долю КНР приходится около 82 % общей площади орошаемых полей в бассейне. Развитие рисосеяния в российской части Приханкайской низменности приходится на период с 1983 по 1988 гг.: величины безвозвратного водопотребления в этот период достигали максимального значения 390 млн м3 в год. В настоящее время безвозвратное водопо-требление в пределах российской части бассейна озера невелико и составляет около 3 % от общей расходной составляющей баланса [11].
Доступной информации об использовании водных ресурсов в пределах китайской части бассейна практически нет, а те сведения, что можно найти в литературе, получены косвенным путем, например, через определение площадей орошаемого земледелия с помощью космических снимков [11].
В данной работе оценки показателей водопользования и водопотребления на китайской территории бассейна оз. Ханка получены в результате анализа разрозненных данных о функционировании водохозяйственной системы и технических характеристик гидротехнических сооружений, обеспечивающих подачу воды на РОС и ее отведение в р. Сунгача (использованы данные из [16]).
Переброска стока из бассейна р. Мулинхэ в басссейн оз. Ханка осуществляется с помощью регулирующего сооружения на реке и канала Мусин. Вододе-литель на р. Мулинхэ был построен в 1942 г. во время японской оккупации этой территории Китая в 5,5 км ниже ответвления канала Мусин. Вододелитель представляет собой плоский затвор шириной 12 м с пропускной способностью до 120 м3/с. Основное его назначение - подача воды в систему водохранилищ, включая оз. Малая Ханка, для дальнейшего использования на оросительных системах, а также защита от затопления территорий в бассейне р. Мулинхэ ниже вододелителя при прохождении дождевых паводков. За счет подпора, создаваемого вододелителем, значительная часть стока р. Мулинхэ направляется в канал Мусин (другое название - японский канал), на котором регулирующие сооружения отсутствуют. Канал Мусин в нижней части разветвляется на несколько рукавов, часть которых заканчивается в оз. Малая Ханка.
Основной рукав канала Мусин заканчивается водохранилищем, связанным с оз. Малая Ханка несколькими протоками. Из водохранилища часть воды используется непосредственно на примыкающих оросительных системах, остальная отводится двумя каналами в р. Сунгача, по пути распределяясь на оросительные системы. Сбросы воды с оросительных систем также осуществляются в р. Сунгача.
По неофициальным сведениям, предоставленным китайской стороной, уровень воды в оз. Малая Ханка на 4 июня 2016 г. составлял 71,36 м, в оз. Ханка -70,90 м в системе высот Желтого моря, принятой в Китае. Критическое значение уровня воды в оз. Малая Ханка - 71,2 м. При его превышении в расходные составляющие водного баланса озера добавляются сбросы в оз. Ханка.
Водообмен между озерами Малая Ханка и Ханка регулируется тремя гидротехническими сооружениями, расположенными на перешейке между ними. Два из них обеспечивают пропускную способность до 100 м3/с каждое.
Анализ функционирования существующей водохозяйственной системы КНР на оз. Ханка с использованием стока р. Мулинхэ и имеющиеся характеристики ГТС указывают на то, что возможно заметное негативное воздействие этой системы на уровенный режим озера. В условиях лет средней водности забираемый из р. Мулинхэ сток в размере около 700 млн м3 в год полностью расходуется на нужды рисосеяния. На баланс оз. Ханка этот объем может не оказывать влияния, поскольку сбросы с орошаемых массивов осуществляются в основном в р. Сунгача, а дополнительной закачки воды из оз. Ханка нет.
При пониженной водности р. Мулинхэ можно предположить, что собственных водных ресурсов будет недостаточно для обеспечения нужд орошения и потребуется проводить забор воды из оз. Ханка в оз. Малая Ханка с помощью насосной станции максимальной производительности 100 м3/с. В многоводные годы из р. Мулинхэ в канал Мусин будет поступать повышенный расход воды. Во избежание затопления территорий все излишки воды китайской стороной будут сбрасываться в оз. Малая Ханка, а оттуда, через сбросные ГТС, - в оз. Ханка. Как отмечено выше, величина сброса может достигать 200 м3/с. Если предположить, что в многоводный период в оз. Ханка будет сбрасываться 100 м3/с, то за четыре месяца водосброса в озеро посту-
пит дополнительно около 1 км3 воды, что может привести к дополнительному росту уровня воды примерно на 20-25 см.
Эти оценочные данные по использованию водных ресурсов на китайской территории бассейна озера легли в основу сценариев использования стока р. Мулинхэ при выполнении расчетов водного баланса р. Сунгача.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ Р. СУНГАЧА ДЛЯ НАМЕЧЕННЫХ ВАРИАНТОВ ИНЖЕНЕРНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
Проектом инженерных мероприятий предусматривалось два варианта дноуглубления с целью увеличения пропускной способности р. Сунгача. На лимитирующих участках осуществляется дноуглубление и естественное русло частично, в нижней части, заменяется каналом трапецеидальной формы с заложением откосов 1:3 и шириной по дну 17 м. Варианты дноуглубления отличаются глубиной снижения отметок дна русла на 0,5 м. Пример вариантов дноуглубления представлен схематично на рис. 1.
Расстояние, м
Рис. 1. Поперечный профиль р. Сунгача в истоке для естественных и проектных условий.
Fig.1. Cross section of the Sungacha River near the source for natural and design conditions.
С использованием гидродинамической модели SWMM получена зависимость стока воды из оз. Ханка от его уровня при реализации различных вариантов дноуглубления.
Основные узлы расчетной сетки гидродинамической модели для русла р. Сунгача расположены равномерно по длине потока через 400 м на участке, изученном в процессе полевых работ. Необходимые для задания расчетной сетки параметры получены на основе материалов изысканий, выполненных специалистами ОАО «Ленгипроречтранс», результатов исследований пропускной способности и проектных оценок параметров будущих русел. Моделирование остальной части русла р. Сунгача выполнено на более редкой сетке, параметры которой заданы на основе лоций и данных других источников.
Для решения уравнений Сен-Венана задавались следующие граничные условия: граничное условие сверху - постоянный уровень воды в оз. Ханка
в течение года, что связано с принятием интервала дискретности при производстве водохозяйственных расчетов; граничное условие снизу - уровень воды в р. Уссури, являющейся водоприемником для р. Сунгача, назначаемый переменным в соответствии с наблюденным.
Для калибровки гидродинамической модели р. Сунгача использовался только один параметр - коэффициент шероховатости. Поперечные профили заданы непосредственно по данным измерений. Результаты расчетов пропускной способности русла с помощью гидродинамической модели показали ее приемлемое качество. Рассчитанный на модели расход на дату изысканий составил 53 м3/с, что соответствует результатам гидрометрических измерений в головной части русла. Расчеты также показали, что подпор от р. Уссури не оказывает влияния на гидравлику руслового потока р. Сунгача на верхнем участке в силу особенностей продольного профиля реки и большого расстояния.
Полученные на основе гидродинамической модели зависимости расхода в истоке р. Сунгача от уровня оз. Ханка использовались далее при оценке эффекта от принятых мероприятий по дноуглублению с помощью имитационных расчетов на основе динамико-стохастической модели.
При низких уровнях результаты модельных расчетов и эмпирическая кривая расходов из отчета ГГИ [20] расходятся, что объясняется отсутствием регулярных гидрометрических наблюдений. Выполненные в 2017 г. полевые работы позволили уточнить зависимость расходов от уровней в этом диапазоне в современных гидроморфологических условиях.
На рис. 2 представлены результаты расчета пропускной способности русла р. Сунгача для естественных условий и двух вариантов дноуглубления, рассмотренных выше.
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
-20
естественный режим проектный режим 1 проектный режим 2
<
65
66
67
68
69
70
71
72
73 Н, м БС77
Рис. 2. Расчетные зависимости расхода от уровня оз. Ханка Q(H) для р. Сунгача. Designed rating curves Khanka Lake water level for the Sungacha river discharge.
Для оценки эффективности предлагаемых мероприятий по дноуглублению русла р. Сунгача выполнено шесть вариантов расчета водного баланса и соответствующих уровней воды в оз. Ханка. Варианты расчета (табл. 1) пред-
ставляют собой комбинации проектных решений и сценариев использования водных ресурсов на китайской части бассейна. Смоделировано два сценария -с учетом и без учета межбассейновой переброски стока р. Мулинхэ, объемы которой отражают объемы орошения китайских рисовых полей. Таким образом, анализ использования стока р. Мулинхэ косвенным образом позволяет учитывать влияние сброса с китайских РОС на повышение уровня оз. Ханка. Аналогичные расчеты выполнены и для современного состояния русла.
Таблица 1. Варианты условий оттока из озера и сценариев использования стока р. Мулинхэ, принятые для динамико-стохастического моделирования уровня воды в оз. Ханка
Table 1. Versions of the condition for outflow from the lake and scenarios of the Mulinhe River flow use accepted for the Lake Khanka water level dynamic/stochastic simulating
Вариант Сценарии использования водных ресурсов
расчета Профиль русла р. Сунгача Сброс с китайских РОС
1 Естественный профиль есть
2 Проектное русло 1 есть
3 Естественный профиль нет
4 Проектное русло 1 нет
S Проектное русло 2 нет
6 Проектное русло 2 есть
Результаты определения параметров распределения уровней воды в оз. Ханка при различных вариантах использования и управления, включая величины заданной обеспеченности, приведены в табл. 2 и табл. 3. Соответствующие площади затопления прибрежных территорий определены по батиграфи-ческой кривой ГГИ [20] и представлены в табл. 4. Площади затапливаемых земель для разных вариантов расчета приведены относительно среднего уровня воды в 1986 г. - года с наибольшими величинами безвозвратного водо-потребления на российской территории бассейна оз. Ханка.
Многовариантные расчеты с помощью динамико-стохастической модели, результаты которых приведены в таблицах 3-4, показали, что рассмотрение только вариантов дноуглубления русла р. Сунгача в объемах, не приводящих к существенному изменению морфологии русла (срезка лимитирующих перекатов), не оказывает существенного влияния на характеристики уровенного режима озера. Основной вклад в современный подъем уровня озера дает сброс воды с китайской водохозяйственной системы. В этом случае среднегодовой уровень оз. Ханка с обеспеченностью Р = 1 % примерно на 70 см выше по сравнению с естественным режимом озера. Дальнейшие инженерные мероприятия должны быть направлены на изучение возможности отвода возвратных вод с китайских РОС в р. Сунгача, причем на расстоянии, не создающем подпор в истоке реки. Другой вариант заключается в реконструкции существующих каналов оросительных систем на российской территории с доведением их пропускной способности до величин, позволяющих эффективно управлять уровенным режимом оз. Ханка.
Таблица 2. Результаты динамико-стохастического моделирования уровня воды в оз. Ханка для различных вариантов расчета Table 2. Results of the Lake Khanka water level dynamic/stochastic simulating for various versions of calculation
Вариант расчета Уровень оз. Ханка Расход р. Сунгача
Среднее, м Коэффициент асимметрии, C Среднее квадратиче-ское отклонение, а, м г(1) Среднее, м3/с
1 69,63 0,26 0,67 0,81 60,3
2 69,46 0,12 0,75 0,84 60,4
3 69,49 0,27 0,46 0,81 54,5
4 69,31 0,16 0,51 0,84 54,7
5 69,28 0,11 0,52 0,84 54,7
6 69,43 0,06 0,76 0,84 60,4
Таблица 3. Расчетные значения уровня оз. Ханка по результатам динамико-стохастического моделирования для различных вариантов расчета (м БС 77) Table 3. Calculated values of the Lake Khanka water level according the results of dynamic/stochastic simulating for various versions of calculation (m BS 77)
Обеспеченность, 1
расчета 0,1 1,0 5,0 10 50 90 99
1 71,95 71,32 70,78 70,51 69,60 68,78 68,20
2 71,90 71,25 70,71 70,42 69,45 68,51 67,80
3 71,07 70,64 70,29 70,08 69,47 68,92 68,53
4 70,99 70,54 70,18 69,96 69,29 68,66 68,19
5 70,97 70,53 70,16 69,96 69,27 68,61 68,10
6 71,86 71,22 70,69 70,41 69,42 68,45 67,68
Таблица 4. Площади затапливаемых территорий при различных уровнях оз. Ханка
Table 4. Flooded territories area in case of different levels of the Lake Khanka
Параметры Варианты расчета
1 2 3 4 5 6
Средний уровень озера, м 69,63 69,46 69,49 69,31 69,28 69,43
Площадь водной поверхности, км2 4765,3 4663,9 4683,5 4554,5 4530,1 4643,6
Площадь затапливаемых земель 625 523 543 414 390 503
относительно среднего уровня
воды в 1986 г. (68,69 м)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной работе выполнена оценка воздействия на уровенный режим оз. Ханка предлагаемых проектных решений по увеличению пропускной способности русла с учетом нескольких вариантов (сценариев) функционирования водохозяйственной системы в бассейне озера и мероприятий, проводимых на китайской территории.
Выполненные расчеты водохозяйственного баланса с учетом сведений о стоке р. Мулинхэ подтвердили, что функционирование системы использования водных ресурсов КНР в бассейне оз. Ханка приводит к увеличению амплитуды колебаний уровня воды в озере по сравнению с естественными условиями. Необходимо отметить, что надежные данные о регулировании и использовании стока р. Мулинхэ, доступные российским специалистам, отсутствуют, поэтому в расчетах использовались оценочные величины безвозвратного водопотребления и межбассейновой переброски стока р. Мулинхэ.
Предлагаемые варианты дноуглубления на участке русла р. Сунгача, примыкающем к истоку реки, оказывают положительный эффект с точки зрения снижения отметок уровня воды в оз. Ханка, однако не столь значительный, как могло ожидаться. Эффективность рассмотренных в данной статье инженерных мероприятий по дноуглублению р. Сунгача существенно ниже, чем могло бы быть при реконструкции других систем водоотведения, в т. ч. на российской территории [20].
Дальнейшее рассмотрение проблемы управления уровенным режимом оз. Ханка возможно при сотрудничестве со специалистами КНР и обмене данными о водных ресурсах и водохозяйственных мероприятиях на сопредельных территориях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васьковский М.Г. Гидрологический режим озера Ханка. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 175 с.
2. Diagnostic Analysis of the lake Xingkai/Khanka basin. UNEP. 2001. 136 p.
3. Ананьева Е.Е. Озеро Ханка: колебания уровня и их причины // Астраханский вестник экологического образования. 2016. № 4. С. 48-57.
4. Болгов М. В. Экстремальные уровни озера Ханка: природные вариации или антропогенное воздействие? // Вестник ОНЗ РАН. 2016. Т. 8. NZ1001. D0I:10.2205/2016NZ000127.
5. Трансграничное озеро Ханка: причины повышения уровня воды и экологические угрозы. Владивосток: Дальнаука, 2016. 284 с.
6. Журавлёв Ю.Н., Клышевская С.В., Новикова П.А., Гузев М.А., Никитина Е.Ю., Тимофеева Я.О. К вопросу о колебаниях уровня озера Ханка // Вестник ДВО РАН. 2018. № 4. С. 88-94.
7. Сперанская Н. А., Фуксова Т. В. Многолетние изменения основных составляющих водного режима озера Ханка // Метеорология и гидрология. 2018. № 8. С 53-64.
8. Бакланов П.Я., Качур А.Н., Ермошин В.В., Коженкова С.И., Махинов А.Н., Бугаец А.Н., Базарова В.Б., Ким В.И., Шамов В.В. Современные геоэкологические проблемы в бассейне озера Ханка // География и природные ресурсы. 2019. № 4 (158). С. 33-43. DOI: 10.21782/ GIPR0206-1619-2019-4(33-43).
9. Махинов А.Н. Озеро Ханка: подъем уровня воды, его масштабы и последствия // Природа. 2020. № 11. С. 37-45.
10. Зуенко Ю.И., Шаповалов М.Е., Курносова А.С. Современные изменения уровня озера Ханка и их последствия для промысловых ресурсов // Известия ТИНРО. 2020. Т. 200. Вып. 4. С. 935-950. DOI: 10.26428/1606-9919-2020-200-935-950.
11. Балонишникова Ж.А., Цыценко К.В., Крамарева Л.С. Использование водных ресурсов в бассейне озера Ханка // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 3. С. 38-70. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-3-3.
12. Попова А. Ю., Качур А.Н. Современные проблемы природопользования бассейна озера Ханка (в связи с климатическими и гидрологическими изменениями) // Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке. Вып. 1. Владивосток: ТИГ ДВО РАН, 2019. С. 96-106. DOI: 10.35735/tig.2019.77.20.009.
13. Bazarov K.Yu. , Egidarev E.G., Mishina N.V. Land use analysis of Lake Khanka basin using remote sensing data // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 895 (2021) 012007. DOI:10.1088/1755-1315/895/1/012007.
14. Баканов К.Г. Многолетний режим уровня озера Ханка: дисс. ...канд. техн. наук. М., 1988. 127 с.
15. Бортин Н.Н., Горчаков А.М. Причины экстремально высокого уровня воды трансграничного озера Ханка // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2016. № 4. С. 62-84. DOI: 10.35567/1999-4508-2016-4-5
16. Георгиевский В.Ю., Шалыгин А.Л., Болгов М.В., Коробкина Е.А. Многолетние изменения уровня озера Ханка и проблемы его регулирования // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2017. № 3. С. 69-88. DOI: 10.35567/1999-4508-2017-3-5.
17. Болгов М.В., Арефьева Е.В. Оценка риска затопления прибрежных территорий озера Ханка с целью выработки мероприятий по предупреждению трансграничных чрезвычайных ситуаций // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты, 2019. № 1 (40). С. 57-65.
18. Журавлев Ю.Н. Клышевская С.В. Проблема регулирования уровня воды в бассейне озера Ханка (Приморский край) // Вестник ДВО РАН. 2015. №. 5. С. 40-53.
19. Болгов М.В. Трансграничное озеро Ханка: причины экстремальных уровней и возможные мероприятия по снижению рисков затопления территорий // Трансграничные водные объекты: использование, управление, охрана: сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, г. Сочи, 20-25 сентября 2021 г. Новочеркасск: Лик, 2021. С. 45-51.
20. Оценка основных элементов водного баланса озера Ханка и анализ особенностей их формирования // Отчет о НИР. Этап 1. / ФГБУ «ГГИ», рук. В.Ю. Георгиевский. СПб, 2016. 296 с.
21. Болгов М.В, Сарманов И.О., Сарманов О. В. Марковские процессы в гидрологии. М.: ИВП РАН, 2009. 210 с.
22. Болгов М.В. Моделирование многомерных гидрологических характеристик методом разложения по естественным ортогональным функциям // Метеорология и гидрология. 1994. № 7. С. 82-95.
23. James W., Huber W.C. User System Models. User's guide to SWMM4 Transport, Extran and Storage Modules. CHI Publications. 2000. 295 p.
REFERENCES
1. Vaskovsky M.G. Hydrological regime of the Lake Khanka. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1978. 175 p. (in Russ.).
2. Diagnostic Analysis of the lake Xingkai/Khanka basin. UNEP. 2001. 136 p.
3. Ananyeva E.Y. The Lake Khanka: Level fluctuations and their causes. Astrakhan Bulletin for Environmental Education [Astrakhanskiy vestnikekologicheskogo obrazovaniya], 2016. No 4. Pp. 48-57. (in Russ.).
4. Bolgov M.V. Extreme levels of the Lake Khanka: Natural variations or anthropogenic impact? Bulletin of the National Academy of Sciences of the Russian Academy of Sciences [Vestnik ONZ RAN] 2016. Vol. 8, NZ9001. Electronic edition, DOI: 10.2205/2016NZ000127 (in Russ.).
5. The transboundary Lake Khanka: Reasons for rising water level and environmental threats. Vladivostok: Dalnauka. 284 p. (in Russ.).
6. Zhuravlev Yu.N., Klyshevskaya S.V., Novikova P.A., Guzev M.A., Nikitina E.Yu., Timofeeva Y.O. Study of the Khanka Lake fluctuations. Bulletin of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences [VestnikDVO RAN], 2019, No 4, p. 88-94 (in Russ.).
7. Speranskaya N.A., Fuksova T.V. Long-term changes in the main components of the Lake Khanka water regime. Russian Meteorology and Hydrology, 2018, vol. 43, No 8, p. 530-538. DOI: 10.3103/ S1068373918080058.
8. Baklanov P.Ya., Kachur A.N., Ermoshin V.V., Kozhenkova S.I., Bugaets A.N., Bazarova V.B., Shamov V.V., Makhinov A.N., Kim V.I. Current geo-ecological problems within the Lake Khanka drainage basin. Geography and Natural Resources, 2019, vol. 40, No 4, p. 325-334. DOI: 10.1134/S1875372819040048
9. Makhinov A.N. The Lake Khanka: Rise in water level, its scale and consequences. Nature [Pri-roda], 2020, No 11, p 37-45 (in Russ.).
10. Zuenko Y.I., Shapovalov M.E., Kurnosova A.S. Recent changes of water level in Lake Khanka and their consequences for its fisheries resources. Izvestiya TINRO, 2020, vol. 200, issue 4, p. 935-950. DOI: 10.26428/1606-9919-2020-200-935-950 (in Russ.).
11. Balonishnikova Z.A., Tsytsenko K.V., Kramareva L.S. Water Resources Use in the Lake Khanka Basin. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management, 2019, No. 3, p. 38-70. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-3-3 (in Russ.).
12. Popova A. Y., Kachur A.N. Current problems of water use in the Lake Khanka basin (in connection with climatic and hydrological changes). Geograficheskie i geoekologicheskie issledovaniya na Dalnem Vostoke. Vypusk 1. [Geographic and geo/ecological studies in the Far East]. Vladivostok: TIG DVO RAN, 2019. Pp. 96-106. DOI: 10.35735/tig.2019.77.20.009 (in Russ.).
13. Bazarov K.Y., Egidarev E.G., Mishina N.V. Land use analysis of Lake Khanka basin using remote sensing data. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 895 (2021) 012007. DOI:10.1088/1755-1315/895/1/012007.
14. Bakanov K.G. Many-year regime of the Lake Khanka: diss. ...kand. tekhn. Nauk [thesis for the degree of candidate of technical sciences]. M., 1988. 127 p. (in Russ.).
15. Bortin N.N., Gorchakov A.M. Causes of the transboundary Lake Khanka extreme high water level. Water sector of Russia: Problems, Technologies, Management, 2016, No. 4, p. 62-84. DOI: 10.35567/1999-4508-2016-4-5 (in Russ).
16. Georgievskiy V.Y., Shalygin A.L., Bolgov M.B., Korobkina E.A. Long-term fluctuations in the level of Lake Khanka and the problems of its regulation]. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management, 2017. No 3.Pp. 69-88. DOI: 10.35567/1999-4508-2017-3-5 (in Russ.).
17. Bolgov M.V., Arefyeva E.V. Risk assessment of flooding of coastal territories of the Lake Khanka with the purpose of developing measures to prevent transboundary emergency situations. Scientific and educational tasks of civil defense, 2019, No 1 (40), p. 57-65. (in Russ.).
18. Zhuravlev Yu.N., Klyshevskaya S.V. The problem of regulation of the water level in the pool of the Khanka Lake, Maritime territory. Vestnik Dalnevostochnogo otdeleniya Rossiyskoy Akademiyi Nauk [Bulletin of the far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences], 2015, No. 5, p. 40-53 (in Russ.).
19. Bolgov M.V. Transboundary Lake Khanka: Causes of Extreme Levels and Possible Measures to Reduce Risks of Flooding. Proceedings of All-Russian theoretical and practical conference with the international participation «Transboundary water bodies: use, management, conservation», Sochi, September 20-25, 2021. Novocherkassk: Lik, 2021. Pp. 45-51 (in Russ.).
20. Assessment of the main elements of the water balance of Lake Khanka and analysis of the characteristics of their formation. Report on research activities. Stage 2. Russian Federal State Budgetary Organization "State Hydrological Institute" (SHI), Director V.Y. Georgievskiy. SPb, 2016. 296 p. (in Russ.).
21. Bolgov M.V, Sarmanov I.O., Sarmanov O. V. Markov processes in hydrology. M.: IWP RAN. 2009. 210 p. (in Russ.).
22. Bolgov M.V. Modeling of multidimensional hydrological characteristics by the method of empirical orthogonal functions. Meteorologiya i gidrologiys [Russian Meteorology and Hydrology], 1994, No 7, p. 82-95 (in Russ.).
23. 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:
Михаил Васильевич Болгов, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3; ORCID: 0000-0003-3193-6488; e-mail: [email protected]
Елена Александровна Коробкина, канд. техн. наук, научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3; ORCID: 0000-0002-4642-148X; e-mail: [email protected] About authors:
Mikhail V. Bolgov, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Gubkina, 3, Moscow, 119333, Russia; ORCID: 0000-0003-3193-6488; e-mail: [email protected]
Elena A. Korobkina, Ph.D., Scientific Researcher, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Gubkina, 3, Moscow, 119333, Russia; ORCID: 0000-0002-4642-148X; e-mail: [email protected]
