Гидрохимический режим водотока

Создание водохранилищ приводит к значительным изменениям условий формирования качества воды. Гидрохимический режим бьефов ГЭС является следствием естественных процессов образования и таяния льда, испарения и выпадения осадков, антропогенной нагрузки на водоем, а также следствием процессов самоочищения, складывающихся под влиянием притока в водохранилище, боковой приточности, режимов сброса расходов воды через ГЭС. При этом существенными факторами, под воздействием которых происходит формирование гидрохимического режима, являются:

· природные фоновые характеристики качества воды;

· морфометрические характеристики водохранилища, в том числе глубина сработки уровня воды и мертвый объем;

· водообмен, степень проточности;

· сброс хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод в водные объекты и на рельеф местности;

· процессы образования и таяния льда;

· процессы биологического самоочищения водоема;

· температура воды;

· смещение фаз гидрохимического режима и амплитуды максимумов концентрации примесей;

· режим поступления загрязняющих веществ, в том числе химических веществ, с высокой сорбционной способностью, аккумулированных в ледяном покрове, включая нефтепродукты (особенно при их аварийном поступлении на ледяной покров);

· химический состав пород и подземных вод ложа и бортов водохранилища.

Водообмен или степень проточности сказывается на времени запаздывания прохождения менее минерализованной паводочной воды по отношению ко времени наступления фаз гидрохимического и термического режимов. Под действием этого фактора движение с малыми скоростями в пределах водохранилищ ведет к накоплению излишних примесей в единице объема. Чем больше время водообмена в водохранилище, тем больше примесей оно накапливает, тем больше загрязнений сбрасывается с водой в нижний бьеф. Процессы образования и таяния льда являются тем механизмом, который разбавляет воду в период половодья за счет таяния льда до минимальных концентраций в конце паводка и увеличивает ее концентрацию в период ледостава за счет вытеснения примесей в подледный поток в процессе роста льда. Лед является одним из источников поступления чистой воды в водоемы и водотоки, причем объем весеннего снего- и льдотаяния определяет уровень минерализации водоема к весне будущего года. Чем больше сбрасывается в водоем талой воды, тем более глубокая очистка водоема производится.

Факторами, непосредственно не связанными с гидравлическими аспектами работы гидроузла, но часто оказывающими прямое воздействие на гидрохимический режим водотока и водные экосистемы являются:

· высокая степень антропогенного воздействия на бассейн в зоне строительства гидротехнических сооружений: механическое перемещение грунта, прокладка дополнительных дорог и увеличение потока автотранспорта, работа строительной техники и оборудование специальных мест для ее стоянки, ремонта, заправки;

· увеличение численности населения (обслуживающего персонала) и, как следствие, создание строительных баз и поселков гидростроителей;

· образование и размещение отходов, образующихся в результате производственной деятельности и жизнедеятельности человека и пр.

При определении степени и вида воздействия на водные экосистемы в строительный период следует учитывать его продолжительность и интенсивность воздействия. Необходимо предусматривать водоохранные мероприятия по снижению степени воздействия строительства на водную среду или его исключению, устанавливать санитарно-защитные зоны, разрабатывать проекты предельно-допустимых сбросов (ПДС) для предприятий, сбрасывающих загрязненные сточные воды, устанавливать лимиты забора и сброса воды и т.д.

Степень и виды влияния объектов гидростроительства на качество воды и водные экосистемы в верхнем и нижнем бьефах в период эксплуатации различаются.

На гидрохимический режим водохранилища оказывают влияние:

· фоновое состояние качества воды водотока и боковых притоков, поступающих в водохранилище;

· уровень санитарной подготовки зоны затопления водохранилища;

· характеристика затапливаемого ложа (засоленность и типы почв и грунтов, состав и объемы древесной, кустарниковой и травянистой растительности, попадающей в зону затопления, состав подземных вод, наличие торфяников и болот и пр.);

· уровень антропогенного загрязнения в бассейне;

· хозяйственное освоение водохранилища;

· система водопользования, осуществляемая объектами, входящими в состав гидроузла;

· вторичное загрязнение.

Вторичное загрязнение связано, прежде всего, с аккумуляцией в водохранилище различных загрязнителей, поступающих из окружающей среды, в том числе и с объектов социально-экономической инфраструктуры, развитой на базе ГТС. Опасные загрязнители могут поступать в водохранилища с бытовыми, дорожными, коммунальными, сельскохозяйственными и промышленными стоками, с атмосферными осадками и наносами. Особенно опасны для водных объектов залповые сбросы загрязнителей в результате аварий на хозяйственных объектах. Одним из факторов вторичного загрязнения могут быть сбросы загрязнителей из других водоемов (например, сине-зеленых водорослей из верховых водохранилищ).

Существенное влияние на формирование ионного состава и концентрации примесей в верхнем бьефе оказывают глубина сработки уровня и мертвый объем водохранилища. Ведущими при этом являются процессы, происходящие в системе водоем - берег при колебаниях уровня воды (процессы потери и возврата солей), а также процессы разбавления воды за счет притока талых вод при заполнении водохранилища. Выбор объема предпаводочной сработки может служить мерой, регулирующей уровень загрязнения. Однако, при высоких уровнях мертвого объема (УМО), обусловленных конструктивными особенностями сооружений, добиться существенного снижения концентраций примесей в нижнем бьефе в конце паводка невозможно.

Гидрохимический режим и качество воды в нижних бьефах ГЭС формируются под влиянием происходящих при зарегулировании реки перераспределения объема стока по сезонам, изменения глубин и скоростей течения, а также замедления водообмена. Основными факторами при этом являются:

· качество воды, поступающей в нижний бьеф из водохранилища;

· гидрологический режим реки на участке нижнего бьефа;

· объемы воды, поступающей в нижний бьеф через ГЭС, учитывающие требования всех водопользователей;

· антропогенная нагрузка в зоне нижнего бьефа и режим водопользования самого гидротехнического сооружения;

· вынос загрязняющих веществ на участке нижнего бьефа с поверхностным стоком и т.д.

Чем выше коэффициент годового водообмена в водохранилище, тем меньше изменений вносится в гидрохимический режим реки в нижнем бьефе. При коэффициенте водообмена больше 7-8 режим минерализации реки не отличается от режима минерализации водохранилища.

Трансформация гидрологического режима в результате зарегулирования стока приводит к сглаживанию сезонных колебаний и смещению времени прохождения экстремальных концентраций химических веществ. На протяженных зарегулированных водотоках сроки прохождения максимумов и минимумов минерализации сдвигаются по отношению к прохождению аналогичных фаз в верховьях водотоков и по отношению к тому, что было до зарегулирования. Наиболее заметно эти сдвиги происходят при каскадном регулировании стока.

В частности, прохождение максимума минерализации в верховьях Волги относится к началу марта, в Нижегородском водохранилище - к 15 марта, в низовьях Волги - к 15 мая, минимумы минерализации в верховьях проходят в конце марта, а в низовьях Волги - в конце августа.

Ко времени прихода в низовья минимума минерализации паводочные расходы сменяются меженными, скорости падают, и вместо периода весенней гомотермии, совпадающего с минимумом минерализации по времени, наступает период осеннего охлаждения. Фактически в условиях регулирования стока происходит осреднение межсезонных колебаний выноса химических веществ с одновременным сдвигом во времени экстремальных значений выноса по отдельным сезонам; степень осреднения и временной шаг сдвига тем больше, чем больше степень регулирования стока рек водохранилищами.

Процесс весеннего снего- и ледотаяния закладывает тот уровень минерализации, который сформируется в водоеме к весне будущего года. От количества льда и примесей, содержащихся в образовавшейся из него очищенной талой воды, зависит поддержание режима примесей на определенном уровне. Желательно, чтобы соотношение между количеством льда и массой подледной воды соответствовало оптимальным условиям водотока и незначительно менялось при зарегулировании стока.

Обычно при зарегулировании стока происходят изменения морфологии водотока, увеличение глубин, появление протяженных полыней ниже ГЭС, уменьшение толщины льда. Все это ведет к уменьшению коэффициента льдистости при зарегулировании стока: количество льда, приходящееся на 1 м³ воды, на том участке реки, где располагается водохранилище, в несколько раз (иногда в десятки раз) меньше, чем в естественных условиях. Это может сказаться на гидрохимическом режиме водотока самым неблагоприятным образом.

Регулирование жидкого стока существенным образом отражается на стоке биогенных веществ, который, в свою очередь, зависит от изменения проточности водоемов и их температурного режима. Так, например, максимум трансформации азотистых соединений в воде достигается при температуре, равной 12°С. При более низкой или более высокой температуре интенсивность самоочищения замедляется. При зарегулировании стока водохранилищами происходит существенное сокращение по сравнению с естественными условиями продолжительности периода с температурами воды, равными 12°С, а в водохранилищах высоконапорных ГЭС эта температура или не наблюдается вообще, или имеет место в очень малом по толщине слое.

Изменения гидрологического режима крупных равнинных рек в результате гидротехнического строительства сказываются на пространственном распределении и сезонных изменениях содержания различных ингредиентов химического состава воды и факторов, их определяющих.

При каскадной системе зарегулирования лишь в головном водохранилище в распределении и динамике биогенных органических веществ и микроэлементов ощутимо влияние поверхностного стока, однако в нем большое значение имеют внутриводоемные процессы, которые по мере перехода к нижерасположенным водохранилищам становятся доминирующими.

Как правило, происходит некоторое улучшение кислородного режима реки, особенно в первом полугодии, снижение и сглаживание амплитуды годовых колебаний перманганатной окисляемости и возрастание доли органических веществ планктонного происхождения. В результате интенсивного потребления водными организмами минерального фосфора и кремния в ряде случаев возможно снижение их содержания в воде.

Зоны с дефицитом растворенного кислорода в мертвом объеме водохранилища, как правило, не оказывают существенного влияния на их биоту.

Ионный состав воды водохранилищ в большинстве случаев остается таким же, как вода питающих их рек, и подчиняется тем же связям состава с минерализацией, которые характерны для рек. В нижних бьефах, как правило, отмечается незначительное увеличение ионного стока. Однако в случае активного взаимодействия воды водохранилища с минерализованными подземными водами возможно существенное изменение химического состава и минерализации вод водохранилища и нижнего бьефа.

Помимо общей минерализации, важное значение имеет оценка биогенного стока, поскольку биогенные элементы существенно влияют на продуктивность водных объектов. Закономерности формирования и режима органических веществ в природных водах изучены слабо. Для характеристики суммарного содержания органических соединений и примерного качественного их состава в природных водах пользуются косвенными показателями. С этой целью в воде определяют содержание органического углерода, азота, фосфора. Использование интегральных показателей и соотношений между ними позволяет ориентировочно определить общее содержание органических веществ в воде.

Методы прогноза качества воды при гидротехническом строительстве могут быть различными, в настоящее время преобладают методы численного моделирования, используются также методы аналогий.

Анализ исходной информации и оценка качества воды водотока в бытовых условиях необходимы для прогноза влияния проектируемого гидротехнического объекта на качество воды в реке. При разработке прогноза формирования качества воды, водной экосистемы с учетом влияния различных источников загрязнения в проектных условиях эти данные должны использоваться как фоновые.

Анализ исходной информации и результатов прогноза изменения качества воды проводится в соответствии с требованиями нормативных документов (Санитарные правила и нормы (СанПиН), «Перечни предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ)», «Правила охраны поверхностных вод» и другие), утвержденных уполномоченными органами РФ в области охраны окружающей среды.

Сбор и обобщение материалов наблюдений за гидрохимическим и гидробиологическим режимами водотока следует проводить на всех стадиях проектирования и строительства гидросооружений. Должны быть организованы наблюдения и разработаны программы многолетних комплексных научных исследований (мониторинга) состояния компонентов водной среды, которые должны продолжаться и при переходе к нормальной эксплуатации сооружений [3]/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ