■ Методы зкологмгескмх исследовании
УДК 556.18: 504.06: 556.51
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
В. Л. Бондаренко, В. Б. Дьяченко, В. В. Гутенев, А. В. Федорян
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 стока 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
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».
In the conceptual methodological plan the system-approach in assessment of reservoirs impact on environment within the bounds of catchments geosystem basin is considered. Using the law of preservation of capacity and the second beginning of thermodynamics, the dependences were received, allowing to make an estimation of the level of power influence of water basin on environment and to establish the tendency of functional development of system «Reservoir-environment».
(функционирования) природно-техниче-ских 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 и 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 гре-
бень 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 подчиняются 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 (М ), в соответствии
полн '
с которым любое изменение «полезной» мощности (Р) компенсируется изменением мощности «потерь» :
N = Р + G[L5 Т5]
полн
(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 энергети-
ческого 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 (Мполн) или потенциальную возможность системы:
N = X N (О,[V Т-5] (2)
полн п гу ' > -1 х '
Ресурсы, накапливаемые в водохранилище, используются в течение периода времени тП= 1 год при выполнении функциональных задач, задаваемых проектными решениями. Водохранилище, затрачивая поток полезной мощности (Р) в течение периода времени т0 = 1 год, выполняет функциональные задачи и воздействует на окружающую природную среду, теряя определенное количество потока мощности от полной мощности (Р) на входе в систему, которая определяется по формуле:
N = N + N
+ N д + N , (3)
вод вещ 1
где N — потоки мощности от солнеч-
^ солн ^
ной радиации, которые определяются в зависимости от радиационной интенсивности усваиваемой поверхностью водотока (реки) в фоновом рассмотрении и при наличии водохранилища.
N = Е , или N = Е / (4)
солн солн.фон солн солн/прог
Солнечная энергия, усваиваемая водной поверхностью реки до возведения водохранилища (фазовое состояние), определяется уравнением:
т
Е дф = (5 дф х [V TdT —
пов.вод.фон пов.вод.фон б/л ! сум
т
5 дф х а д х k// [V TdT) +
пов.вод.фон вод б/л | сум
т
(5 дф х k д [V TdT —
пов.вод.фон лед | сум
т
5 ** х а д/д х k д [V TdT) (5)
пов.вод.фон вод/лед лед ! сум
где V = 67,82х1010 Ккал в год на
^ 0 сум ' о ^
км2 — количество солнечной энергии, поступающей на единицу площади поверхности;
5 л , — принятая площадь по-
пов.вод.фон г 0
верхности водотока — 23 км2, исходя из средней ширины русла по участкам (колебание средних величин имеет диапазон от 15 до 65 м);
kб/л — коэффициент, характеризующий период времени без ледостава, принят равным — 0,58, исходя из 5 месяцев ледостава на водотоке;
kл — коэффициент, характеризующий количество дней ледостава на водотоке, принят равным 0,42;
алед — коэффициент, характеризующий альбедо открытой водной поверхности — 0,07;
вод/лед
— коэффициент, характеризующий альбедо замерзшего водотока, покрытого снежным покровом — 0,9.
При наличии водохранилища усваиваемая солнечная энергия определяется уравнением:
т
Е д = ((5' д + 5Ч/НПУ) х [V TdT
пов.вод.прог 4 пов.вод.прог З/НПУ ^/л ' сум
— (5' д + 5Я/НПУ) х а д х Кб/ [V TdT) +
пов.вод.прог З/НПУ ^воо б/л ^ сум
((5' д + 5З/НПУ) х k [V TdT — (5' д
пов.вод.прог З/НПУ л | сум х пов.вод.прог
т
+ 5З/НПУ) х авод х К Км ^ (6)
1
где 5' л — площадь поверхности
^ пов.вод.прог ^ ^ *
водотока без учета поглощенного водохранилищем русла в ВБ 21,7 км2;
5З/НПУ — площадь поверхности водохранилища при НПУ 18,8 км2;
Nвод — потоки мощности водного потока, который формируется в русловой части реки и аккумулируется в чаше водохранилища:
N = 9,81 х Н х (О + О )/2, кВт (7)
уч ' уч ^ н ^к '
где Нуч = 21 — z2 — величина падения уровня свободной поверхности реки в пределах рассматриваемого участка бассейновой геосистемы;
Он + Ок расходы воды в начале и конце участка соответственно.
где Ко6ф — обобщенный коэффициент потенциальной энергии воды в водохранилище в фильтрационный расход через тело, основание, борта примыкающей плотины и дна чаши;
К0б.ф = 1 -
Ж
(11)
Neeщ - потоки мощности от биогенных где W = 2098,74х106 м3 - объем речного
и растворенных веществ, поступающих с водосборной территории и локальных сбросов сточных вод в русловый поток, который поступает в емкость (чашу) водохранилища:
п N
Кещ = I ДN6г + I ДNзl, (8)
где ДN6i — составляющие биотического баланса за расчетный период времени по продукции,п кото
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.