ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ПРОГНОЗЫ

Еще более очевидно, что водохранилище – водный объект, и именно наблюдения за гидрологическим режимом самого водохранилища, реки выше зоны выклинивания и ниже плотины, а также изучение изменения режима основной реки (если зарегулирован приток) помогут решить ряд конкретных задач. Одна из главных – это обеспечение безопасности такого сложного гидротехнического сооружения, как плотина ГЭС.

Регулирование стока рек, в частности, Зеи и Буреи, кроме целей энергетики, выполняет и функцию защиты от наводнений. В случае неверной оценки характера наполнения и сработки водохранилищ максимальные расходы сбросов в нижний бьеф могут быть настолько велики, что вызовут затопления. Может возникнуть сложная ситуация даже в том случае, когда максимальные расходы воды будут существенно меньше наблюдавшихся при естественном режиме рек, так как после начала регулирования происходит освоение поймы, ранее постоянно затопляемой.

Пропуск половодий и паводков через гидротехнические сооружения регламентируется действующими нормативными документами. Но в первую очередь необходимо оценить фактические и ожидаемые параметры паводков. Особенно необходима точная оценка водных ресурсов в бассейне водохранилища с сезонным (годичным) регулированием естественного стока.

Исходными данными для проведения расчетов пропуска половодий и паводков являются расчетный гидрограф притока, главные элементы которого (максимальный расход, объем основной волны и всего половодья или паводка) отвечают вероятности превышения; кривая объемов или интерполяционная таблица объемов водохранилища в зависимости от подпорных уровней, а также вариантно задаваемые кривые пропускной способности гидротехнических сооружений [1].

Регулирование половодного и паводочного стока осуществляется для водохранилищ сезонного регулирования полным полезным объемом. Для регулирования стока весеннего половодья, время наступления и объем которого прогнозируются при наличии метода с достаточной заблаговременностью и точностью, используется тот же полезный объем водохранилища, что и для повышения меженного стока [1]. Для пропуска летне-осенних паводков (на Бурее, как правило, формируется 4–6 паводков) используется объем форсировки.

Надо отметить, что в практике расчетов существует радикальное допущение, что объем водохранилища однозначно зависит от единственной координаты – уровня воды у плотины. В этом случае исходят из статического объема, понимая под ним объем, соответствующий наполнению подпорного бьефа до проектной отметки при горизонтальной поверхности водохранилища. Такой подход приемлем в тех случаях, когда объем, содержащийся в подпорном бьефе на прилегающем к плотине участке, в границах которого уровень воды практически горизонтален, значительно больше объема воды в движущемся потоке выше отметки подпора [1] (это допущение было возможно в 2003–2004 гг. на начальном этапе наполнения Бурейского водохранилища). В периоды прохождения высоких половодий и паводков негоризонтальность водной поверхности (особенно в водохранилищах руслового типа) значительна. В этом случае расчеты пропуска паводков производятся по динамической (с учетом негоризонтальности поверхности водохранилища) кривой объемов [3]. Упрощенный способ заключается в использовании номограмм, входом в которые служат измеренные уровни водохранилища в опорных створах, или суммировании статических объемов на расчетных участках. Очевидно, что для этого необходимо располагать достоверными данными об уровнях воды водохранилища на необходимых озерных постах.

Кроме того, существует проблема занижения в проекте на базе имеющегося ряда наблюдений расчетных максимальных расходов и объемов половодий и паводков, что усложняет в период эксплуатации схему пропуска их через гидроузел [2].

В Российском государственном гидрометеорологическом университете гидрологическая безопасность рассмотрена на примере Вилюйского гидроузла. Анализ водности показал, что период до ввода ГЭС был маловодным, а после ввода ГЭС – многоводным, что вызвало изменение параметров стока против проектных. Расход половодья вероятностью превышения 0,01% увеличился с 18 700 м³/с в проекте до 21 600 м³/с с учетом последних данных наблюдений [2].

В период предпаводочной сработки, при наличии прогноза, представляется возможным более обоснованно планировать сработку: если прогноз ориентирует на многоводный сезон, назначается более глубокая сработка, а начало сработки относится на более ранний срок, и наоборот. Оптимальная заблаговременность прогноза также согласуется с минимально допустимой длительностью периода предпаводочной сработки. Как правило, чем меньше емкость водохранилища, тем короче этот период. Во всех случаях основной прогноз должен выпускаться до окончания предпаводочной сработки.

В период наполнения актуальны как долгосрочные, так и краткосрочные прогнозы притока. В маловодные годы представляет интерес объем притока, в многоводные – максимальный расход воды. Причина в том, что в маловодный год отдача уменьшается до гарантированной с тем, чтобы обеспечить наполнение до НПУ, а в многоводный – отдача увеличивается вплоть до максимально возможной. Особенно важным, как было сказано выше, является в данном случае предотвращение затоплений в нижнем бьефе ГЭС. Здесь необходимы среднесрочные и краткосрочные прогнозы притока и максимальных расходов дождевых паводков. Особенно необходимо долгосрочное прогнозирование элементов водного режима, когда они имеют большую природную изменчивость (как на р. Бурея).

Методика прогноза любого явления считается эффективной только тогда, когда погрешности прогноза будут меньше естественной изменчивости явления на период заблаговременности прогноза. В среднем, при наличии научно обоснованных методик, оправдываемость долгосрочных гидрологических прогнозов составляет 70–80 %, краткосрочных прогнозов – около 95 %.

С другой стороны, при оценке эффективности прогнозов необходимо учитывать не только их успешность, но и использование при принятии хозяйственных решений. В этом отношении возможны три варианта [4]: полное доверие к прогнозу, частичное доверие и полное игнорирование его. Вероятно, самое правильное – это частичное доверие к прогнозу. Вероятностная форма дает возможность при управлении водохранилищем ориентироваться не на единственное значение притока, которое может оказаться ошибочным, а учитывать все возможные сценарии работы с оценкой их вероятности.
Современное состояние наблюдательной сети

в бассейнах Зейского и Бурейского водохранилищ
Состояние дел в области гидрометеорологических наблюдений и прогнозов для бассейнов Зейского и Бурейского водохранилищ с начала 90-х годов прошлого века обстоит крайне неудовлетворительно. В новых экономических условиях жизнедеятельность и работоспособность существующей сети средствами из федерального бюджета не обеспечивается.

Начиная с 1996 года, не рассчитывается и не включается в гидрологические ежегодники водный баланс Зейского водохранилища, одного из крупнейших на Дальнем Востоке (площадь водосбора 82 500 км², полный объем при НПУ 68,42км³ , площадь зеркала при НПУ 2 419 км²). Причина заключается в том, что практически вся наблюдательная сеть, которая создавалась специально для обеспечения необходимыми данными Зейской ГЭС, расположена в труднодоступных таежных районах. Из-за отсутствия средств на ремонт домов – значительная часть из них имеет износ 70–100 % – жить и работать в этих помещениях нельзя. Бюджетное финансирование капитального ремонта и строительства объектов наблюдательной сети не производится. Проблема штатов при существующем уровне заработной платы в этих условиях неразрешима. Обновление приборной базы и оборудования в условиях дефицита денежных средств также проблематично.

В результате до 2004 года наблюдениями было охвачено около 50 % площади бассейна водохранилища; из-за отсутствия необходимых данных оперативный расчет водного баланса производится с известной погрешностью (в отдельные периоды – до 40–50 %).

В условиях, когда под угрозой закрытия находится метеостанция Локшак и пост р. Зея–устье р.Купури–входной створ для водохранилища на р. Зея, практически невозможен и оперативный расчет водного баланса. Конфигурация Зейского водохранилища сложна, оно делится на три участка – озерный, каньонный и приплотинный. Сейчас в озерной части водохранилища площадью около 2 000 км² функционирует лишь два поста, причем один из них (Бомнак) находится в зоне переменного подпора и не является репрезентативным для расчетов объема водохранилища при низких уровнях.

Зейское водохранилище – многолетнего регулирования, поэтому проблема безопасности в нижнем бьефе стоит не так остро, как для Бурейского водохранилища.

Требования проекта Бурейской ГЭС в части строительства наблюдательной сети в бассейне водохранилища в целом выполняются, но в условиях отсутствия методов расчетов и прогнозов элементов водного баланса остается проблематичным обеспечение эксплуатационников необходимыми данными.

Следует отметить очень важный факт: бассейны Зейского и Бурейского водохранилищ занимают промежуточное положение между влажной зоной Тихого океана – на востоке и континентальными районами Восточной Сибири и Монголии – на западе. Из-за особенностей атмосферной циркуляции формирование стока проходит в особых условиях, отличных от других регионов страны, где расположены крупные водохранилища. Кроме того, летне-осенние паводки в бассейнах Зеи и Буреи формируются в каждом случае по-разному из-за орографических особенностей бассейнов и неравномерности выпадения осадков в разных стокообразующих районах.

В связи с этим должна быть выбрана оптимальная наблюдательная гидрометеорологическая сеть в бассейнах этих водохранилищ и ее функционирование должно быть особенно четким. Для выполнения этой задачи, а также для тесного взаимодействия специалистов-гидрометеорологов с эксплуатационниками создаются гидрометеорологические обсерватории, укомплектованные квалифицированными специалистами. Создание Бурейской гидрометобсерватории в данный момент проблематично из-за отсутствия средств на ее содержание.

В заключение следует отметить, что для безопасной и эффективной работы Зейской и Бурейской ГЭС требуются:

– оптимальная постоянная гидрометеорологическая сеть;

– надежные методы гидрологических прогнозов и расчетов элементов водного баланса;

– гидрометобсерватории, укомплектованные квалифицированными специалистами.

С середины 80-х годов ХХ века изменились условия финансирования работ в области гидрометеорологии. В частности, имеется существенный дефицит средств федерального бюджета на обеспечение жизнедеятельности и работоспособности сети в бассейнах Зейского и Бурейского водохранилищ, отсутствуют надежные методы расчетов и прогнозов гидрологического режима водохранилищ. В связи с этим необходимо финансовое участие РАО "ЕЭС России" в решении указанных проблем.
Литература
1. Арсеньев Г.С., Иваненко А.Г. Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. – 272 с.

2. Арсеньев Г.С. Гидролого-экологические и социальные аспекты управления водными ресурсами водохранилищ // VI Всерос. гидрол.съезд: тез. докл. Секция 3. СПб., 2004г. С. 95–96.

3. Водохранилища мира. – М.: Наука, 1979. – 287 с.

4. Нежиховский Р.А. Гидрологические расчеты и прогнозы при эксплуатации водохранилищ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 191 с.

5. Субботин А.С. Основы гидротехники. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 318 с.

МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ПЛОЩАДИ ВОДОСБОРОВ ЗЕЙСКОГО И БУРЕЙСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩ
В.В. Кулаков

Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск
Пресные подземные воды в регионе широко используются для питьевых, бытовых и различных производственных нужд. В северном Приамурье, где располагаются водосборные площади Бурейского (64 900 км²) и Зейского (82 500 км²) водохранилищ, многие реки, имеющие водосборные площади до 1 000 км², а иногда и до 4 000 км², в зимний период перемерзают, из-за чего подземные воды становятся единственным источником водоснабжения.

На рассматриваемой территории выделяются 2 гидрогеологические складчатые области – Алдано-Становая и Амуро-Охотская. Основным типом гидрогеологических систем в пределах этих областей являются гидрогеологические массивы. Существенно меньше распространены артезианские и вулканогенные бассейны и бассейны трещинно-карстовых вод.

Водосборные площади Бурейского и Зейского водохранилищ - это территория с очень сложными мерзлотно-гидрогеологическими условиями, большая часть которой располагается области развития островной, прерывистой и сплошной многолетней мерзлоты, где мощность мерзлых пород бывает от нескольких десятков до нескольких сотен метров (рис. 1).

Рис. 1. Распространение многолетнемерзлых пород в северном Приамурье:

1 – сплошное (>90 % площади); 2 – прерывистое; 3 – островное (<50 %; 4 – сезонно-мерзлые породы;

5 – контур водосбора водохранилищ: З – Зейское, Б – Бурейское
Несмотря на сложные мерзлотно-гидрогеологические условия территории, в пределах этих площадей имеются достаточные ресурсы пресных подземных вод для формирования и локализации месторождений и обеспечения водоснабжения населения и промышленности.

В регионе выявлены типы месторождений пресных подземных вод, приуроченные к аллювиальным отложениям речных долин, к отложениям чехла артезианских бассейнов и к зонам экзогенной и эндогенной трещиноватости кристаллических пород гидрогеологических массивов, о чем можно узнать из работы "Месторождения пресных подземных вод Приамурья"¹. В подавляющем большинстве разведаны и эксплуатируются месторождения пресных подземных вод в зонах тектонических нарушений гидрогеологических массивов (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика месторождений подземных вод

Таким образом, в бассейнах водосбора Зейского и Бурейского водохранилищ разведано 12 месторождений пресных подземных вод для обеспечения хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения с утвержденными эксплуатационными запасами в количестве 185,5 тыс. м³/сутки. Наиболее крупные по эксплуатационным запасам месторождения выявлены в Верхнебуреинском артезианском бассейне.

По величине эксплуатационных запасов (в тыс. м³/сут) месторождения пресных подземных вод подразделяются на четыре класса: очень малые (до 1,0), малые (от 1,1 до 5,0), средние (от 5,1 до 25,0), крупные (от 25,1 до 100,0). В пределах гидрогеологических массивов на водосборных площадях водохранилищ преобладают малые и редко – средние по классу месторождения пресных подземных вод.

Суммарный водоотбор пресных подземных вод для хозяйственно-питьевых и производственных нужд в бассейнах водосбора Зейского и Бурейского водохранилищ существенно ниже разведанных эксплуатационных запасов и равен 36 тыс. м³/сутки (табл. 2).

Водоотбор пресных подземных вод

Территория северного Приамурья входит в провинцию железосодержащих и марганецсодержащих пресных подземных вод артезианских бассейнов, о чем указывается в "Методических рекомендациях…"¹. Площади распространения подземных вод с повышенными концентрациями железа (до 30 мг/дм³) и марганца (до 2,5 мг/дм³) приурочены к артезианским бассейнам и долинам рек, выполненными рыхлыми осадочными отложениями. Необходимо отметить, что именно с водами этого качества, не удовлетворяющего нормативным показателям для питьевых вод и требующего проведения водоподготовки, связаны крупные месторождения подземных вод территории с обеспеченными эксплуатационными запасами, снабжающие водой хозяйственно-питьевого качества города и поселки.

В регионе, испытывающем дефицит качественной питьевой воды, особое значение имеют подземные воды природно высокого качества, соответствующие стандартам и нормативам и отвечающие по медико-биологическим показателям требованиям для питьевого потребления без предварительной очистки. Особыми достоинствами отличаются пресные подземные воды интрузивных гидрогеологических массивов, месторождения которых разведаны в районе г. Тында (Бурухинское месторождение) и других местах. Эти воды не имеют экологических ограничений для питьевого использования, относятся к высшему классу и их ресурсы вполне могут быть привлечены для достойного применения внутри региона и за его пределами.

Практически все населенные пункты территории обеспечены разведанными месторождениями пресных подземных вод для водоснабжения, но изменившиеся геолого-экономические условия освоения месторождений требуют переориентации на участки, находящиеся в наиболее благоприятных условиях по технико-экономическим соображениям.

На территории следует предусмотреть работы по выделению и обустройству в районах населенных пунктов водозаборов подземных вод, используемых для обеспечения питьевого водоснабжения населения в случае чрезвычайных ситуаций.

Некоторые экологические последствия эксплуатации месторождений пресных подземных вод (уменьшение величины поверхностного стока, особенно существенное для малых рек, за счет привлечения речных вод вблизи водозаборов; понижение уровня подземных безнапорных вод; преобразование химического состава подземных вод) имеют место на водосборных площадях Бурейского и Зейского водохранилищ.

В связи с отмеченными проблемами использования видны следующие перспективные направления научных и комплексных гидрогеологических исследований по оценке ресурсов и экологического состояния пресных подземных вод:

– уточнение внутреннего строения гидрогеологических структур, а также внутреннего строения, состава и распределения водоносных и водоупорных горизонтов, комплексов и зон трещиноватости внутри этих структур, что приведет к более детальной расшифровке гидродинамической модели месторождений и уточнению величины ресурсов подземных вод:

– уточнение естественных и исследования техногенных процессов формирования качественного состава месторождений пресных подземных вод и его изменения под влиянием деятельности человека при дальнейшем освоении территории;

– комплексное ведение системного мониторинга подземных вод (гидродинамического, гидрогеохимического, газового, температурного, микробиологического) в районах воронок депрессий и площадных водозаборов;

– совершенствование геотехнологических методов очистки подземных вод в водоносных горизонтах от нормируемых компонентов для питьевых нужд.