Эконовости О компании Издания и
проекты
Авторам Реклама Подписка Контакты Архив Полезные
ссылки
       
 
№ 5, 2006г.: Методы экологических исследований

<< Содержание номера
<< Архив


[RUS] / [ENG]
Методы экологических исследований
Бондаренко В.Л., Дьяченко В.Б., Гутенев В.В., Федорян А.В. Системный подход в оценке воздействия водохранилищ на окружающую среду
В концептуальном методологическом плане рассматривается системный подход при оценке воздействия водохранилищ на окружающую среду в пределах бассейновой геосистемы. Используя закон сохранения мощности и второе начало термодинамики получены зависимости, позволяющие делать оценку уровня энергетического воздействия водохранилища на окружающую природную среду и устанавливать тенденцию функционального развития системы «Водохранилище – Окружающая природная среда».



Новочеркасская государственная мелиоративная академия

Основным источником водных ресурсов в Российской Федерации является речной сток, который оценивается в пределах 4050 км3.  В годы 75%, 95% обеспеченности он составляет соответственно  3880 и 3650 км3/год, а с учетом транзитного стока - 4130 и 3920 км3/год [1]. В целях регулирования речного в настоящее время эксплуатируется более 2650 водохранилищ с емкостью выше 1 млн. м3. Полная суммарная емкость водохранилищ составляет порядка 812 км3 , а полезная емкость около 342 км3 [2].
Наличие водохранилищ вносит определенные изменения в естественные процессы взаимодействия природных (биотических и абиотических) компонентов и в формирование речного стока. Так, установлено, что интенсивность воздействия и соответственно степень уменьшения стока под влиянием водохранилищ увеличивается с севера на юг [2]. Характер изменений и их направленность имеют важное значение как для окружающей природной среды, так и процессов жизнедеятельности населения в зоне действия водохранилища. Этим занимаются многие научные школы [3-5]. Нами предлагается энерго-энтропийный подход в оценке воздействия водохранилища на окружающую природную среду, который базируется на законах природы и принципах устойчивого развития (функционирования) природно-технических систем. 
В системном понимании причиной возникновения различного рода проблем и кризисных ситуаций в функционировании природно-технических систем, к примеру, систем «Водохранилище – Окружающая природная среда» является рассогласованность взаимодействия отдельных компонентов  системы. Последняя рассматривается как целостная, динамичная, открытая, устойчиво неравновесная, имеющая как внутренние связи, так внешние в пределах бассейновой геосистемы. Для изучения процессов взаимодействия водохранилища с природными компонентами окружающей среды используется закон сохранения мощности, который позволяет рассматривать указанную  систему как целостную, динамичную, устойчиво неравновесную и обладающую свойством изоморфизма на всех уровнях.
Наряду с законом сохранения мощности в предлагаемом энерго-энтропийном подходе оценки воздействия водохранилища на окружающую природную среду нами используется известный в физике второй закон (начало) термодинамики, который позволяет прогнозировать направленность происходящих в системе изменений.
С физической точки зрения понятие «устойчивость», принцип которого нами используется, характеризует равновесие и, следовательно, потерю способности функционировать. В системном понимании под устойчивостью понимается процесс изменения направленности, тенденции, которые возникают при эксплуатации водных ресурсов в системе «Водохранилище – Окружающая природная среда» и находится в соответствии с текущими и будущими потребностями общества.
В соответствии с законом сохранения мощности в открытых системах неустойчивое равновесие преодолевается переходом на другой, качественно новый виток функционального развития с расширением пространственно-временных границ. Примерами неустойчивого равновесия для систем «Водохранилище – Окружающая природная среда» может являться аварийная ситуация, связанная с переполнением объема водохранилища и последующим переливом через гребень плотины, разрушением напорного фронта и переходом системы в новые пространственно-временные границы, или полным заилением чаши водохранилища и соответственно переходом системы на новый уровень функционального развития.
Анализ процессов функционирования водохранилищ во взаимосвязи с окружающей средой показывает, что имеются частные закономерности, которые подчиняется законам сохранения и тенденции изменения устойчивого развития.
К первому виду законов – сохранения тенденций изменений, относится второй закон термодинамики (закон роста энтропии) и противоположный ему – закон исторического развития человечества (экономии времени, роста производительности труда, роста потребностей).
Второй вид законов представляется известными физическими законами сохранения – законами сохранения энергии, мощности и др.
Отметим, что сохраняться может не только «застывшее и неизменное», но и тенденция, к примеру, тенденция происходящих изменений в системе. Так, если тенденция изменений сохраняется на определенном периоде времени эксплуатации водохранилища, то можно говорить о закономерности устойчивого развития или функционирования данного объекта. А если будет установлена аналитическая связь этого правила с законами сохранения, то такая закономерность приобретает статус закона движения или изменения.
В процессах взаимодействия природных и техногенных компонентов системы «Водохранилище – Окружающая природная среда» объединяющим началом выступает закон сохранения полной мощности (Nпол), в соответствии с которым  любое изменение «полезной» мощности (Р) компенсируется изменением мощности «потерь»  :
                                                                          (1)
Система «Водохранилище – окружающая природная среда» (рис.1) объединяет в себе два сопряженных непрерывно протекающих процесса, это активное воздействие окружающей природной среды в пределах бассейновой геосистемы на формирование энергетического потенциала водохранилища и воздействие водохранилища полученным потенциалом мощности на окружающую среду в зоне действия данного техногенного объекта.
                                                       
                 

Рис. 1 – Энергетический баланс системы «Водохранилище – Окружающая природная среда»
Окружающая природная среда сообщает водохранилищу потоки энергии, которые формируют полную мощность на входе  или потенциальную возможность системы:
                                                                      (2)     
Ресурсы, накапливаемые в водохранилище, используются в течение периода времени  = 1 год при выполнении функциональных задач, задаваемых проектными решениями. Водохранилище, затрачивая поток полезной мощности (Р) в течение периода времени  = 1 год выполняет функциональные задачи и воздействует на окружающую природную среду, теряя определенное количество потока мощности  . От полной мощности  на входе в систему, которая определяется по формуле:
                                      ,                          (3)
где  – потоки мощности от солнечной радиации, которые определяются в зависимости от радиационной интенсивности усваиваемой поверхностью водотока (реки) в фоновом рассмотрении и при наличии водохранилища.
                    или                          (4)
Солнечная энергия, усваиваемая водной поверхностью реки до возведения водохранилища (фазовое состояние) определяется уравнением:
      (5)
где:  67.82•1010 Ккал в год на км2 - количество солнечной энергии, поступающей на единицу площади поверхности;
- принятая площадь поверхности водотока – 23 км2, исходя из средней ширины русла по участкам (колебание средних величин имеет диапазон от 15 до 65 м);
- коэффициент, характеризующий период времени без ледостава, принят равным – 0.58, исходя из 5 месяцев ледостава на водотоке;
- коэффициент, характеризующий количество дней ледостава на водотоке принят равным 0.42;
- коэффициент, характеризующий альбедо открытой водной поверхности – 0.07;
- коэффициент, характеризующий альбедо замерзшего водотока, покрытого снежным покровом – 0.9.
При наличии водохранилища усваиваемая солнечная энергия определяется уравнением:

 
                                  (6)
где:  - площадь поверхности водотока без учета поглощенного водохранилищем русла в ВБ 21.7 км2;
          - площадь поверхности водохранилища при НПУ 18.8км2;
  – потоки мощности водного потока, который формируется в русловой части реки и аккумулируется в чаше водохранилища:
                            , кВт                                (7)
где:    – величина падения уровня свободной поверхности реки в пределах рассматриваемого участка бассейновой геосистемы;
  и  расходы воды вначале и конце участка соответственно.
  – потоки мощности от биогенных и растворенных веществ поступающих с водосборной территории и локальных сбросов сточных вод в русловый поток, который поступает в емкость (чашу) водохранилища:
                                    ,                                (8)
где  – составляющие биотического баланса за расчетный период времени по продукции, который может иметь соотношения:  ,  ,  ;
– составляющие химические вещества (неорганические) загрязняющие водную среду водохранилища, которые определяются результатами натуральных измерений на входе и выходе из водохранилища.
В процессе, характеризуемом зависимостью (8) при отсутствии прироста  , наблюдается уменьшение и накопление биогенных веществ в водохранилище. Изменение содержания биогенных веществ является важнейшей характеристикой при оценке процессов евтрофирования водохранилища, которая устраивается по результатам парных наблюдений.
Согласно выражения (1) полезная мощность (Р) или реальная потенциальная возможность водохранилища воздействовать на окружающую природную среду и выполнять функциональные задачи может реализовываться с определенной эффективностью, выраженной обобщенным коэффициентом  :
                          ,                                (9)
где:  - обобщенный коэффициент эффективности использования  ,
определяется выражением:
          ,              (10)
где:  - обобщенный коэффициент потенциальной энергии воды в водохранилище в фильтрационный расход через тело, основание, борта примыкающие плотины и дна чаши;
                                          ,                                                    (11)
где:  2098,74•106 м3 - объем речного стока в год при  66,5 м3/с в створе гидроузла для незарегулированного водотока;
  м3 – объем фильтрационного расхода за год через тело и основание плотины:
                                      , м3  ,                                                (12)
где  24249 м3/с - уточненный фильтрационный расход с учетом пространственного движения потока через тело, основание и борта примыкания плотины;
31,56•106 количество секунд в году.
По проведенным расчетам обобщенного коэффициента исходя из соотношения удельного фильтрационного расхода с попусками в нижний бьеф и мощностью потока воды при объеме водохранилища были также получены значения коэффициента фильтрации в интервале от 0,9958 до 0,9999. Тогда уточненное значение коэффициента обобщенной фильтрации вычисленное как среднее составило  = 0,9986.
- коэффициент потерь от мощности наносов
                                          ,                                                (13)
где:    - объем наносов исходя из принятой средней плотности наносов  т/м3;
- объем водохранилища при соответствующих уровнях воды;
                                      , м3                                              (14)
где:  - объем наносов, привлекаемых к створу водохранилища за интервал времени  (от 1 года):
                                ,т      ,                                  (15)                                       
где:  мг/л - содержание наносов в водотоке в среднем за год;
  - количество лет в интервале которых берутся данные наблюдений.
При вычислении коэффициента потерь от мощности наносов при объемах, соответствующих отметкам УМО, НПУ и ФПУ значение  составило от 0,9998 до 0,9955.
  – обобщенный коэффициент преобразования солнечной радиации поступающей из внешней среды (космоса) на водную поверхность водохранилища учитывающий уменьшение объема воды в водохранилище за счет процесса испарения с водной поверхности.
В процессе формализации потерь воды от испарения учитывается изменение объема водохранилища, и соответственно зеркала открытой водной поверхности в течение года. Исходя из данных испарения с водной поверхности водохранилища за безледоставный период с 16 апреля по 15 ноября общий объем потерь на испарении составляет  = 8040700 м3.
Коэффициент потерь на испарение ( ) выражен:
                                    ,                                              (16)
где: Wпол – объем водохранилища при заданных отметках уровня воды (НПУ, ФПУ, КУВ).
Величина коэффициента потерь на испарение вычисленная исходя из соотношения среднего объема водохранилища между отметками НПУ и УМО составила  = 0,949.
– обобщенный коэффициент преобразования потенциальной энергии (действующего напора  .) водохранилища в электрическую энергию, который определяется выражением [6]:
              ,                        (17)
где:  0.85÷0.95 - КПД турбины;  0,80÷0,98 – КПД механической передачи;  0.90÷0.98 - КПД гидрогенераторов;  0,98÷0,99 КПД трансформаторов, следовательно обобщенный коэффициент  0,80÷0,99.
Мощность потерь  или теряемые потенциальные возможности  системы «Водохранилище – Окружающая природная среда» определяются разностью между полной мощностью на входе в систему  и полезной мощностью на выходе  :
                                                      (18)
Связь потенциальной или полной мощности на входе ( ) и реальной потенциальной возможности  водохранилища воздействовать на окружающую природную среду и выполнением функциональных задач  может быть  выражено  группой балансовых соотношений:
;
                                        ;                                (19)
                                        1 год;
                  ,
где эффективность использования полной мощности за время  определяется отношением:
                                        ; 0 1.                                    (20)
Отношение полной мощности    к значению полезной мощности  выражает потенциальную способность системы к функционированию и развитию:
                                          .                                              (21)

Из выражений (19) можно выделить:
                                  ;  ;  ,                        (22)
что отражает экстенсивное функциональное развитие системы «Водохранилище – Окружающая природная среда» за счет увеличения потока потребляемых ресурсов и без изменения эффективности их использования, то есть, когда водохранилище создается ради водохранилища.
При  ;  ;  отражается интенсивное функциональное развитие данной системы, которое осуществляется как за счет потребления ресурсов, так и за счет эффективности их использования.
Если в процессе эксплуатации системы «Водохранилище – Окружающая природная среда» будет наблюдаться тенденция сохранения неубывающего роста эффективности использования полной мощности  на входе в систему, или неубывающего роста полезной мощности  на выходе системы, то система приобретает устойчивое функционирование и развитие:
                                  .                                  (23)
Следует отметить так же, что система «Водохранилище – Окружающая природная среда» будет иметь устойчивое функциональное развитие, если наблюдается тенденция сохранения убывающего изменения мощности потерь  в текущее время и в перспективе:
                                                                  (24)
Если рассматривать процесс функционирования на конкретном примере, то можно отметить, что водохранилище будет устойчиво функционировать и развиваться, если потери мощности  обуславливаемые: процессами фильтрации из водохранилища через тело, основание, борта примыкания и дно чаши; поступлениями наносов, биогенных и загрязняющих веществ с водосборной территории; увеличением гидравлических и других энергетических потерь на водосбросных, водоспускных сооружениях напорного фронта и др., будут сохранять тенденцию на уменьшение. Чтобы обеспечить тенденцию по уменьшению потерь мощности, необходимо систему периодически пополнять свободной энергией, которые на практике выражаются определенными эксплуатационными затратами ресурсов.
Если потери мощности  будут приобретать и сохранять тенденцию на увеличение, то есть полезная мощность  затрачиваемая на выполнение функциональных задач водохранилища уменьшается, то система «Водохранилище – Окружающая природная среда» смещается к состоянию неустойчивого равновесия, что с практической точки зрения весьма нежелательно. При достижении критического значения неустойчивого равновесия, система перейдет в новое качественное состояние. Так, при увеличении фильтрации через тело плотины может привести к потере устойчивости низового откоса, при увеличении фильтрации в основании плотины - к снижению несущей способности грунтов в основании, и, как в первом и во втором случаях в итоге, разрушению напорного фронта водохранилищного гидроузла или переходу системы в новое качественное состояние.
Устойчивое функциональное развитие (эксплуатация) системы «Водохранилище – Окружающая природная среда» характеризуется процессами изменений, в  которых эксплуатация водных ресурсов происходит в соответствии с текущими и будущими потребностями общества, что возможно при условии непрерывного совершенствования технологий использования природных вод.
Таким образом, в системном рассмотрении процессов функционирования водохранилищ для целей использования водных ресурсов, сохранению подлежит неуклонный рост возможностей удовлетворения потребности общества в чистой воде требуемого объема, как в текущий момент, так и в будущем.
Изменению подлежат совершенствование технологических процессов использования водных ресурсов в различных отраслях хозяйственной деятельности и направленность инвестиций в данную отрасль.
Следовательно, система «Водохранилище – Окружающая природная среда», в пределах бассейновой геосистемы, вносит определенные изменения во взаимодействия природных компонентов, которые в энерго-энторпийном отношении характеризуются диссипативными и антдиссипативными процессами. Если при наличии водохранилища в окружающей его природной среде будут происходить изменения с тенденцией увеличения или роста диссипативных процессов, то можно говорить о негативном воздействии техногенного объекта на окружающую среду, и жизненно важных интересах человека. Такие изменения сопровождаются, как правило, снижением уровня экологической безопасности в зоне действия техногенного объекта – водохранилища.
Если при наличии водохранилища наблюдаемые изменения характеризуются превалирующими количественными значениями антидиссипативных процессов в окружающей среде, то можно говорить о тенденции устойчивого роста свободной энергии ( ) или полезной мощности  и соответственно положительном воздействии водохранилища на процессы устойчивого развития процессов жизнедеятельности в пределах бассейна,  и граничащих с ним других геосистем.
На примере Юмагузинского водохранилища на р. Белой Республики Башкортостан нами установлено, что с возведением водохранилища происходит увеличение количества энергии солнца, которое аккумулируется на водной поверхности и соответственно увеличивает запасы свободной энергии ( ) или полезной мощности  в системе «Водохранилище – Окружающая природная среда».
Исходя из сформулированного определения устойчивого развития [7], как отдельно взятой природной системы, так и системы «Природа – общество - человек» в глобальном масштабе, устойчивое развитие определяется как Устойчивый Рост Свободной энергии. Следовательно, если в пределах бассейновой геосистемы с вводом в эксплуатацию водохранилища наблюдается увеличение свободной энергии, то такое изменение будет определяться как положительное в системном рассмотрении.
В обобщенном понятии устойчивое развитие природно-технических систем к примеру «Водохранилище – Окружающая природная среда» включает две группы базовых понятий.
Первая группа включает в себя понятия, связанные с ограничением, используемых технологий и организацией удовлетворения водопотребителей.
Вторая группа связана с процессами изменений в эксплуатации водохранилища и соответственно водных ресурсов, совершенствованию технологий использования водных ресурсов, направленности инвестиций и управленческих решений.
Исходя из условий развития промышленного и сельскохозяйственного производства и жизнедеятельности населения в зоне действия водохранилища, сохранению подлежит рост возможности удовлетворения потребности в природных водах и защиты территорий и населения от негативных воздействий поверхностных и природных вод.
Изменению подлежат технологии эксплуатации и использования водных ресурсов, применяемые в промышленном, сельскохозяйственном производстве и бытовом обслуживании, а также направление инвестиций в данной отрасли хозяйственной деятельности.

Библиографический список
1. Григоркина М.Е. Водные ресурсы водохозяйственных районов и территориально – производственных комплексов СССР// Водные ресурсы и водный баланс.- т.2. –Л.: Гидрометеоиздат, 1988. с. 102 -107.
2. Россия: Вводно ресурсный потенциал // РосНИИВХ, изд. «Агрокосмоэкология», Екатеринбург 1998. – с. 230 -273.
3. Справочник по водохранилищам РСФСР (с объемом 10 млн. м3 и более).- М.: Россельхозиздат, 1966.
4. Каталог водохранилищ СССР/ ЦНИИКВР. – Минск, 1985.
5. Авакян А.Б., Широков В.М. Рациональное использование и охрана водных ресурсов.- Екатеринбург: Изд-во «Виктор», 1994. -319с.
6. Гидроэлектрические станции. Под редакцией Ф.Ф. Губина. М., «Энергия», 1972. 356с.
7. Кузнецов О.Л., Кузнецов П.Г., Большаков Б.Е. Система природа – общество – человек: Устойчивое развитие.- Государственный научный центр Российско Федерации ВНИИгеосистем «Дубна» 2000.- 410с. 








<< Содержание номера
<< Архив

Дата последнего обновления: 18:58:40/24.02.24
   
     
       
 
ИАА "Информ-Экология"


   
     
 
       
 
Министерство природных ресурсов Российской Федерации


   
     
 
       
 
Счётчик


   
     
 
© Designed&Powered by 77mo.ru. 2007. All rights Reserved.