внутригодовое распределение экологического стока малых рек

УДК 5566.18
ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТОКА
МАЛЫХ РЕК
В.Н. Маркин
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва Россия
Реки являются основным источником водоснабжения, на их долю приходится 78.6%
общего объема водопотребления. Широкое использование рек, связанное с безвозвратным
водопотреблением и регулированием, приводит к их истощению.
Объем речного стока является средообразующим фактором водной экосистемы. Он
прямым или косвенным образом влияет на все необходимые для жизнеобитания водной
биоты условия, к которым она в процессе эволюции приспособилась наилучшим образом,
в соответствии с «Законом оптимальности» [2]. Поэтому изъятие речной воды не должно
приводить к снижению объема стока ниже экологически допустимого уровня.
Экологически допустимый сток должен учитывать [3]:
объем, необходимый для нормального развития гидробионтов. В этом случае
требуется сохранять скорости течения воды в диапазоне: 0,25…0,6 м/с (0,25 м/с - нижний
предел скоростного режима, при котором начинается бурное развитие фитопланктона)
при глубине потока не менее 0,1…3 м [6]. Наибольшая важность средообразующей роли
реки видится в отношении меженных периодов, так как летом наблюдается активизация
процессов жизнедеятельности, а зимой возникает необходимость создания специальных
условий зимовки (свободной воды подо льдом, обеспечение необходимого качества
воды);
выполнение рекой ее природных функций. Например – транспорт вещества и
энергии. В этом случае экологический сток должен
обеспечивать необходимую
минимально допустимую транспортирующую способность потока воды, что важно для
нормального протекания русловых процессов;
внутригодовую изменчивость стока;
изменчивость стока по годам.
В литературе встречаются предложения учитывать требования человека к объемам
водопользования [3,8]. Однако определять экологически допустимый сток, призванный
сохранять экологическую устойчивость природной речной системы через объемы,
которые требуются человеку – неправильно. В этом случае речь будет идти не о
природоохранных объемах речного стока, а о некотором подобии комплексных попусков
на гидроузлах.
В практике водного хозяйства используются разные способы определения величины
экологического стока. Все они могут быть условно объединены в четыре группы.
1. Способ минимальных расходов
Величина экологического стока принимается на уровне минимального месячного
расхода для года 95%-й обеспеченности /Владимиров,1995/.
В работе [7] объем экологического стока принимается в диапазоне от Q мин,
который зависит от коэффициента вариации годового стока реки, до Qдоп = 0.3  Qср. год.:
Cv
Qмин.
 0,25
Qмин. месц
0,25…0,40
Qмин. межень
 0,40
Qмин. год
Ткачев и Буланов предлагают учитывать класс реки /Ткачев, Буланов, 2003/:
Класс рек
Qэк
Ручьи
0,03 Q мин. сут
Малые реки
0,2  Q мин. сут
Средние реки
0,75Q95% мин. мес.
В
Республике Беларусь
величина
экологического
стока
принимается
на
уровне
0,75 Q 95ср месячн. В Украине используется эмпирический коэффициент, позволяющий
учесть класс рек: Qэк = КQмесяч. мин, где К определяется в зависимости от расходов воды.
Q,м3/с
К
Класс
рек
10
0,3
ручьи и
малые
50…200
0,40
средние
10…50
0,35
малые и
средние
200
0,45
крупные
В Швейцарии устанавливают величину экологического стока по соотношению: 1
л/с на 1 км2 водосборной площади.
Данный способ не отвечает всем требованиям, предъявляемым к экологическому
стоку. Так, например, если взять минимальный меженный расход воды в остро
засушливый год, то для малых рек Центрального региона он составляет примерно Qмин.=
0,3…1 м3/с и проходит при скоростях 0,3…0,4 м/с [1]. Учитывая, что время возобновления
воды в реках в среднем изменяется в пределах 10…16 сут. [2], получим, что годовой сток
реки при Qмин соответствует стоку 97…90% - q обеспеченности при коэффициентах
вариации, соответственно Cv = 0,1…1 (Cs = 2Cv). Это уже на уровне предлагаемой
величины «экологического стока» или больше ее. Кроме того, не учитываются пойменные
условия и руслообразовательные процессы, что обеспечивается заданием переменной по
годам величины экологического стока.
2. Способ натурных исследований
В этом случае проводятся исследования на реальном объекте или его модели:
физической или математической. Данный способ рекомендуется для наиболее
ответственных и важных участков крупных и средних рек. В этом случае получаются
хорошие результаты, но очевидно в инженерной практике данный способ широкого
распространения не получит из-за трудоемкости и длительности.
3. Способ повышения обеспеченности
Данный способ подразумевает выделение нижнего и верхнего предела изменения
стока, практически встречающегося на реальной реке [9]. Суть метода заключается в
следующем.
Устанавливается нижний предел экологически допустимого стока на уровне
месячных расходов для года 99%-й обеспеченности, так как данные условия представляют
своего рода порог нормальных условий развития. Например, уже для года 95%-й
обеспеченности на большинстве рек нашей страны не отмечается затопление пойм во
время половодий и паводков. В зимний период времени концентрация растворенного в
воде кислорода снижается до 3 мг/л (ПДК) и меньше.
Верхний предел устанавливается на уровне расходов для года 50%-й обеспеченности
как стока, достаточного для создания нормальных условий существования биоты в
системе река-пойма. На рис. 1а представлен вид зависимости относительной
рыбопродуктивности от обеспеченности стока. Из рисунка видно, что наибольшая
рыбопродуктивность соответствует обеспеченностям 30…75%. На рис. 1б представлен
график зависимости урожайности заливных лугов в зависимости от обеспеченности стока
половодья. Данный график показывает, что наибольшая урожайность достигается при
обеспеченности 40…60% стока половодья. Таким образом, среднегодовой расход для года
50%-й обеспеченности
с половодьем 50%-й обеспеченности хорошо отвечают
требованиям средообразующих объемов воды (фактически речь идет об условиях
среднемноголетнего года). Кроме того, данный диапазон обеспеченности соответствует
условиям руслообразовательных процессов.
а
б
1
0,9
0,8
B/Bmax 0,7
0,6
0,5
0,4
1
0,8
0,6
Y,кг/га
0,4
0,2
0
10
30
50
P%
70
90
20
30
40
50
60
70
80
P%
Рис.1. Зависимости: (а) - относительной рыбопродуктивности (B/Bмах)
от обеспеченности годового стока и (б) – урожайности заливных
лугов (Y) от обеспеченности стока половодья, по данным [9]
Последовательность построения кривой обеспеченности экологического стока
следующая. Определяется нижнее значение диапазона величины экологического стока
для года 95%-й обеспеченности, которое принимается равным стоку для года 99%-й: Q95эк.
= Q99. Определяется верхнее значение диапазона экологического стока для года 25%-й
обеспеченности, которое принимается равным стоку в год 50%: Q25эк = Q50. Далее по
данным координатам строят кривую обеспеченности величины экологического стока,
используя логнормальный закон распределения.
В ранних публикациях [9] предлагался более простой способ определения
экологического стока в соответствии со схемой: Q75 эк Q 95месяч. мин., Q50эк  Q 75месяч.
95
97-99
мин , Q эк  Q
месяч. мин. Внутригодовое распределение объемов экологического стока
предлагается брать пропорционально естественному гидрографу соответствующего года.
Достоинствами данного метода являются:
благоприятные условия для
водопользования, так как даже острозасушливый год оставляет возможность изъятия
части объема речной воды; учитывается значимость заливных пойм для речной системы;
учитывается требование изменчивости величины экологического стока по годам и внутри
года. Однако данный метод направлен, в первую очередь, на определение пределов
изменения значений экологического стока больших рек. Предлагаемое внутригодовое
распределение экологического стока подходит для незарегулированных рек.
4. Способ пропорциональных расходов
В этом случае величина экологически допустимого стока определяется как доля от
всего речного стока (Qi): Qэк.i = K i Qi , где i – период года, K – эмпирический
коэффициент, определяемой с помощью специальных натурных и лабораторных
исследований. Данный метод получил широкое распространение в Европе.
Необходимость дополнительных исследований и является главным недостатком данного
метода. Однако этот недостаток устраняется, если проведено районирование территории
по типизации водных объектов.
Данные методы позволяют определить величину экологического стока примерно в
одних и тех же пределах. Например, минимально допустимое значение для
острозасушливого года попадет в диапазон от Q99мин.мес. до Q95мин. мес. В зависимости от
коэффициента вариации значения данного диапазона отличаются друг от друга на
34…80% (при Cs=2 Cv). Поэтому вопрос о минимально допустимом значении остается
спорным, тоже относится и к внутригодовому распределению экологического стока.
Рассмотрим обоснованность приведенных выше требований, предъявляемых к
величине экологического стока:
минимальное значение Qэк;
изменчивость по годам;
изменчивость внутри года.
Плотность распределения,%
Минимальное значение Qэк. Объем речного стока в соответствии с методом
«Расчленения гидрографа», можно разделить на статический, который обеспечивается
подземными водами, и динамический, который представляет собой канализованный в
реке поверхностный и грунтовый сток с водосборной площади. Статический ресурс
определяет минимально возможный объем воды в реке. В природных условиях
вероятность его появления очень низкая, а значит, в соответствии с «Законом адаптации»
[2], он не может быть принят в качестве экологически допустимого для реки.
Экологический сток должен ограничивать характерные для реки – часто повторяющиеся
- бытовые объемы стока. Представим теперь, что бытовой сток соответствует расходу
меженного периода, на долю которого приходится 20…50% от годового в разные по
водности годы. Для условий засушливого (Р=75%) и острозасушливого годов (Р=95%)
вероятность меженного стока составит, соответственно, 13…5% от всех возможных для
реки значений расхода. Это хорошо соотносится с левой точкой перегиба кривой
плотности распределения расходов воды. Точки перегиба ограничивают диапазон
наиболее характерных часто повторяющихся условий, вероятность появления которых не
менее 50%. В этом случае повторяемость на уровне 13% может быть принята в качестве
минимального значения экологически допустимого стока. Данному условию отвечает
среднемеженный расход для года 75%-й обеспеченности. Однако в водохозяйственной
практике более привычно использование годовых значений объемов стока. Поэтому
рассмотрим два графика. Первый график - функции плотности распределения для разных
значений Сv (рис.2).
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
Относительные значения объемов стока воды
Рис.2. Функции трехпараметрического гамма-распределения для разных
значений Сv (0.1, 0.3, 0.6, 1)
Второй - зависимость (рис.3) абсциссы левой точки перегиба (в долях от модального
значения) кривой плотности распределения объемов годового стока от обеспеченности
годового стока.
Qлев. пер./Qмода
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
90
83
87
80
Обеспеченность,%
Рис. 3. График зависимости относительного значения абсциссы левой точки перегиба
(в долях от модального значения объема стока) кривой плотности распределения
объемов стока от обеспеченности годового стока
На представленных графиках видно, что значения абсциссы точки перегиба (то есть
значения среднемеженных расходов для года 75%-й обеспеченности соответствуют
значениям обеспеченности годового стока 80…90%. Таким образом, в качестве
минимально допустимого значения бытового расхода воды можно принять или
среднемеженный расход для года 75%-й обеспеченности или среднегодовой расход для
года 80…90%. На рис. 4, 5 представлены зависимости: абсциссы левой точки перегиба от
коэффициента вариации и коэффициента вариации Сv от модального значения объема
стока, которые показывают, что данный вывод справедлив для широких пределов
изменения параметров стока.
Qпер/Qмода.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,1
0,3
0,6
1
Cv
Рис. 4. Зависимость абсциссы левой точки перегиба (в долях от модального значения
объема стока) от коэффициента вариации Сv (данная зависимость аппроксимируется
формулой: Q левпер. = 1.05  exp (-1.67 Сv))
1,2
1
0,8
Cv 0,6
0,4
0,2
0
1
0,75
0,45
0,15
W
Рис. 5. Зависимость коэффициента вариации от относительного модального
значения объема стока (см. рис. 2)
Изменчивость по годам. В практике проектирования предлагается использовать
переменные значения экологического стока для лет разной обеспеченности /Коваленко,
Фащевский, 1986/. Это позволяет наиболее полно сохранить способность водного объекта
к выполнению природных функций. Обосновать это можно следующим примером.
Конкретный водный объект сформировался при определенных объемах воды, имеющих
определенную вероятность. Так, например, если в природных условиях расходы воды,
приводящие к затоплению земель, равны Qв., то в соответствии с кривой обеспеченности
годового стока вероятность появления таких расходов составляют Рг., но даже в средние и
маловодные годы Рм.
Во время половодья есть вероятность превышения таких
расходов Рв. Тогда общая вероятность превышения расходов Qв. составит Рг + Рм  Рв.
Если в реке останутся расходы воды, соответствующие постоянному для разных по
водности лет значению экологического стока, то вероятность появления таких расходов
резко снизится и составит Рм  Рв (даже если величина экологического стока будет
соответствовать среднегодовому стоку для года обеспеченностью Рм.). Очевидно, что
вероятность появления таких расходов, превышающих Qв, резко снизится. В случае
переменных по годам экологических расходов резкого снижения не происходит.
Изменчивость внутри года. Внутригодовая изменчивость экологического стока не
вызывает сомнений. Характерный для конкретной реки естественный гидрограф
наилучшим образом способствует выполнению природных функций: весной - функция
транспорта; летом - обеспечение условий развития водной биоты и дренирование
территории и т.п. Учитывая, что значениям экологического стока более подходят годовые
и среднемеженные расходы, в практике проектирования гидрограф экологического стока
можно ограничить только сезонными изменениями.
Проведем оценку внутригодовой изменчивости минимально допустимого объема
экологического стока малых рек.
Так как в разные периоды года река выполняет разные природные функции,
рассмотрим отдельно два периода: летне-осенний и весенний.
Летне-осенний период. Это период активной жизнедеятельности водных
организмов, поэтому оценку экологического стока сделаем на основе сопоставления
функции требований водной биоты к среде их обитания и функции, отражающей сами
условия.
Непосредственно выявить влияние объемов стока воды в реке на продуктивность
организмов сложно, хотя бы потому, что данный фактор является комплексным
показателем, который и прямо влияет на организмы, например, через изменение объема
жизненного пространства, и косвенно – через другие факторы, например, глубину,
скорость течения, концентрацию веществ в воде. Поэтому функцию требований биоты к
объему стока получим, используя более выраженную зависимость ее продуктивности от
какого-либо фактора водной среды, связанного с объемом. Так как в малых реках
преобладает сообщество полупогруженных растений, рассмотрим их требования к
глубине воды. Причем для определенности будем рассматривать водотоки с глубиной до
двух метров. Под требованиями водной полупогруженной растительности к глубине воды
будем понимать функцию зависимости биомассы растений от глубины S(h), которая имеет
куполообразный вид.
В непересыхающих реках всегда остается некоторый объем воды, обеспечивающий
минимальную гарантированную глубину 1,9  h  0,1 м, необходимую для выживания
организмов в острозасушливые годы. При глубине 1,6  h  0,4 м полупогруженные
растения нормально растут и развиваются.
Минимальная глубина, соответствующая нижнему пределу диапазона выживания,
поддерживается некоторым минимальным гарантированным расходом воды Qгарmin, для
определения которого выразим продуктивность полупогруженных растений S в
зависимости от расхода воды Q (рис. 6). Это можно сделать, учитывая, что расход воды и
глубина воды в водотоке связаны между собой уравнением Шези.
Приведенные графики, как говорилось выше, построены из предположения, что
глубина воды в реке не превышает двух метров, что соответствует максимальной глубине
по условиям развития большого количества видов полупогруженных макрофитов.
Наличие нисходящей части данной реки подчеркивает, что растения растут на грунте дна
ложа реки, не затрагивая откосов, что, как указывалось выше, соответствует условиям
прямоугольного поперечного сечения русла реки. Такое допущение облегчает
рассмотрение зависимости, представленной на рис.6. В реальных условиях растения
растут и на откосах, поэтому при повышении уровня воды продуктивность не только не
уменьшается, но может и увеличиться, что будет зависеть, например, от создаваемой
площади мелководий. Кроме того, активно развиваются другие виды растений, например,
плавающие, погруженные, планктонные. Однако данный факт принципиально не влияет
на рассмотрение задачи данной работы, поскольку наибольший интерес представляет
левая, восходящая ветвь кривой, соответствующая критическим условиям нехватки воды.
S(Q)
Как видно из рис. 6, максимальная
продуктивность достигается при некотором
оптимальном расходе воды Qopt. Условиям
выживания,
например,
на
уровне
продуктивности 0.4, соответствует расход воды,
составляющий
примерно
5…10%
от
оптимального. Это соответствует расходам
воды
в
реке
на
уровне
95…90%-й
обеспеченности.
При ширине русла до 6 м значение
3
оптимального
диапазона изменения расходов
Q, м /с
Рис. 6. Зависимость относительной воды и его оптимального значения изменяется
продуктивности полупогруженной незначительно - в пределах 20 %. Это означает,
речной растительности от расходов что при данных значениях параметров русла
условия обитания очень сходны между собой
воды
из-за ограниченности жизненного пространства.
Соответственно, при увеличении ширины русла диапазон оптимальных расходов расширяется.
Таким образом, выше рассмотрен один из подходов к оценке величины минимально
допустимого объема стока воды, который для малых рек соответствует стоку 90…95%-й
обеспеченности. Данные значения отмечались и выше, но, как видно, они подходят для
периода летне-осенней межени, а не для всего года.
Отметим что модуль стока воды, в среднем за год, при котором может
сформироваться поверхностный сток воды с водосборной площади, соответствует
значениям: qmin=0,1…0.4 л/сга (при уклонах водосборной площади I = 0,01…0,05 и
коэффициенте шероховатости поверхности земли n  0.015). При модулях стока воды для
среднемноголетних условий 2…8 л/сга это составят 1,5…20%, что укладывается в
пределы 95…80% обеспеченности стока воды в реке. В данный диапазон входит точка
перегиба функции плотности распределения стока. Это подтверждает, что точка перегиба
соответствует изменению условий формирования речного стока. До точки перегиба сток
формируется в основном за счет подземной составляющей, что тем самым определяет как
бы гарантированный сток воды в реке. После точки перегиба сток формируется в
основном за счет поверхностной составляющей. Поэтому сток, соответствующий
обеспеченности 80…95%, можно принять в качестве экологически допустимого стока для
малых рек и в зимний период.
Весенний период. Определение экологического стока в весенний период следует
проводить с учетом ее транспортирующей функции. В данный период по реке проходят
основная масса воды (56…92% от объемов годового стока) и наибольший объем наносов
(90…98% от годового стока веществ).
Для определения экологически допустимой составляющей речного стока весной
воспользуемся условием равенства значений расхода наносов их предельной величине
[10]
R = Rтр.
(1)
Это условие стабильности речной системы, когда количество осаждающихся частиц
равно количеству взмывающих со дна частиц. Перепишем данное выражение с учетом
того, что весенний сток составляет часть объема годового стока
Wв = К  Wг,
(2)
где К – долевой коэффициент, в зависящий от обеспеченности года:
К = -0.2  Р2 + 0,6  Р + 0,55 (зависимость получена для малых рек волжского бассейна,
величина Р выражена в долях единицы). Представим расход наносов как произведение
меженного стока воды на среднюю мутность  воды
W м   = Wг   (1– К).
(3)
Транспортирующую способность потока воды распишем как произведение объема
весеннего стока на предельную мутность тр, которая зависит от гидравлической
крупности наносов wo, гидравлического уклона I, гидравлического радиуса R и скорости
потока воды v
Wв  тр = К  W  тр.
(4)
Учитывая сказанное, из формулы (1) с учетом (3,4) - получим выражение для
значения К
К = /( + тр).
(5)
На рисунке 7 показан общий вид зависимости К = f (v), позволяющей определить
величину допустимого стока воды в реке в весенний период. Расчеты приведены для
следующих значений параметров: wo = 0,6 мм/с, что соответствует крупности частиц
диаметром 0,025 мм (содержание частиц меньшего диаметра составляет не менее 50%
[11]. Параметры потока: ширина 6…10 м, глубина h = 0…4 м, I = 0,0001…0,001 ,
коэффициент шероховатости n = 0,01…0,025, что соответствуете диапазону изменения
параметров малых рек.
Из рисунка 7 видно, что при значениях
К
К = 0,9…0,7, соответствующих годам 95%
и 25%-й обеспеченности, выполняется
условие (1). При этом достаточно, чтобы
скорость течения воды была равна
0,4…0,7 м/с. Характерные для весеннего
половодья скорости изменяются в
пределах от 0,5 до 1,6 м/с (вероятность
таких скоростей от 60 до 90%). Таким
образом, объем весеннего стока не должен
быть меньше (0,8…0,25) W в зависимости
от скоростей потоков воды.
Определение экологического стока в
весенний период сводится к следующему:
v, м/с
Q/Qmax, Qэк/Qэк max
Рис. 7. Зависимость коэффициента К от
скорости потока воды
выбор расчетной обеспеченности, для которой определяется расход воды, по которому
для конкретного русла реки определяется скорость потока для определения значения
коэффициента К. Объем экологического стока весной определяется по формуле (2). На
рисунке 8 показаны кривые обеспеченности годового и экологического стоков.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Рис.8 Кривые обеспеченности расходов и
экологического стока в период половодья
(Сv = 0,3; Сs = 2Сv)
1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95
Обеспеченность.%
Библиографичекий список
1. Ресурсы поверхностных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
2. Реймерс Н.Ф. Природопользование. М.:Мысль, 1990.
3. Владимиров А.М., Имамов Ф.А. Принцип оценки экологического стока рек. Вопросы
экологии и гидрологические расчеты. Санкт-П. 1994.
4. Коваленко Э.П. Фащевский Б.В. Вода, природа, человек. Минск: Ураджай, 1986.
5. Ланцова И.В., Тулякова Г.В. Малые реки. Тольятти: ИЭВБ, 2001.
6. Ткачев Б.П. Буланов В.И. Малые реки: современное состояние и экологические
проблемы. Новосибирск, 2002.
7. Ладынина Н.В. Определение резервируемого стока малых рек Молдавии. //В кн.
Рациональное использование поверхностных и подземных вод. М., 1986.
8. Фащевский Б.В. Проблемы экологического нормирования водного режима рек.
//Мелиорация и водное хозяйство,1993. № 5.
9. Фащевский Б.В. Экологическое обоснование допустимой степени регулирования
речного стока. Минск,1989.
10. Чалов Р.С. (1997) Общее и географическое русловедение. М.: МГУ. 1997. 112 с.
11. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах
поверхностных вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. Т.1. Вып.3.