ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ 4 страница

Следует обращать внимание на два обстоятельства:

1. Время перемешивания на реках с медленным течением больше, чем на реках с быстрым течением. В начальной фазе, до полного перемешивания, снижение загрязнения при медленном течении также замедляется.
2. После перемешивания влияние скорости течения на процессы самоочищения уменьшается.

Однако такие представления о самоочищении вод не комплексны. Совершенно неправомерно игнорируется роль русла, вмещающего водный поток. Приходится признать, что любое самоочищение вод приводит к соответствующему загрязнению русла. При рассмотрении самоочищения единой речной системы (русло и поток) совсем иначе действуют скорость и объем вод. При низких скоростях и малых объемах вод русло не промывается от накопившихся за десятилетия загрязнителей, замедленный водообмен приводит к эвтрофикации рек по типу озер.

Оценка результатов.

1. На повестку дня в наступившем столетии встает проблема упорядочения отношений человека с окружающей средой. Это задача номер один современной науки.

2. Идея бассейнового подхода как никакая другая имеет под собой реальную, объективную основу. Нами в работе при характеристике функциональных основ пространственного подхода изучена организация геосистем бассейна р. Большой Салым: геологической истории и рельефа, климата, гидрологических условий, растительности, почв, ландшафтов.

3. Отсутствие данных систематических наблюдений за расходами воды и активная хозяйственная деятельность в бассейне определяют трудности в оценке распределения стока. Это дало возможность развить ландшафтно-бассейновый подход на основе использования принципа изоморфизма, который позволяет уточнять расчеты стока со слабоизученных водосборов, раскрывая содержание «черного ящика» при моделировании стока.

4. Бассейновая организация геосистем определяется изменчивостью ЛГК и характеризуется состоянием ПТК (соотношением структуры и функционирования в рамках космических циклов – сутки, сезон, год). В результате появляется возможность оценки организации (состояния) ПТК, основанной на количественных показателях стока.

5. Вопросы структуры и функционирования - слабо изученная проблема, решение которой тесно связано с организацией геосистем. Геосистемы бассейна р. Большой Салым имеют специфичное сочетание естественноисторических условий, определяющих их организацию. Поэтому стратегия хозяйственного развития должна опираться не на изменение сложившейся структуры, а на оптимизацию функционирования систем природы, поселений и хозяйства.

6. В теоретическом плане результаты исследований показывают, что рассмотрение того или иного географического компонента (или их совокупности) в качестве критерия ландшафтной дифференциации должно уступить анализу «процесса», в данном случае – происхождения, дренированности, лимногенеза, что позволяет обосновать применение бассейнового принципа как основы для рационального природопользования геосистем бассейнов таёжной зоны Западной Сибири.

7. Следует отметить слабую изученность режима рек, протекающих в пределах нефтяных месторождений, а также необходимость комплексного проведения мероприятий, обеспечивающих устойчивость природной среды к загрязнению вод.

8. При бассейновом подходе возрастает роль транзитного воздействия вод на ниже расположенные территории. В результате четко прослеживается унаследованность и зависимость загрязнения от близости к очагу загрязнения. Появляется возможность моделировать процесс загрязнения вод в замыкающем створе, используя метод «черного ящика», в качестве которого принимается нефтяное месторождение расположенное выше по течению.

9. Сохранение стабильности среды обитания возможно при условии, что степень вмешательства человека в природу не превысит потенциала самоорганизации геосистем. Полученные нами результаты являются основой для определения степени допустимой антропогенной нагрузки при хозяйственном использовании геосистем бассейна р. Большой Салым и Большой Юган. Оптимизация хозяйственной деятельности на водосборах малых рек и озер должна включать в себя широкий перечень мероприятий по рациональному природопользованию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Управление водными ресурсами в бассейне реки / Под научной редакцией А.М.Черняева; РосНИИВХ. - Екатеринбург, 1993
2. Корытный Л.М. Бассейновая концепция в природопользовании. Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2001. 163 с.
3. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 318 с.
4. Ткачёв Б.П. Бассейновый принцип организации ландшафтов бессточных территорий / Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования: Мат-лы XI межд. ландш. конф. – М.: Геогр. ф-т МГУ, 2006. - С. 254-256.
5. American Society of civil En­gineering. Sedimentation En­gineering – Manuals and Reports on En­gineering Practice, № 54. ASCE Task Committee for the Preparation of the Manual on Sedimentation of the Sedimentation Committee of the Hydraulics Division (New York: ASCE), 1975.
6. Банников А.Г. и др. Охрана природы. М.: Агропроиздат, 1985. 288 с.
7. White G.F. Natural Hazards: Local, National, Global. New York: Oxford University Press, 1974.
8. Gordon J, The inter-relationship of water quantity as a determinant of water management policy // Water Research, 1972, № 6, p. 1501 - 1508.
9. Булатов В.И. Антропогенная трансформация ландшафтов и решение региональных проблем природопользования (на примере юга Западной Сибири). Автореф. Дис. … докт. геогр. наук. Иркутск, 1996. 63 с.
10. Ткачев Б.П. Принципы ландшафтно-гидрологического районирования (на примере юга Омского Прииртышья) // Вопросы географии Сибири. 1993. Вып.19. С. 130 - 138.
11. Москвина Н.Н., Козин В.В., Ландшафтное районирование Ханты-Мансийского автономного округа. – Ханты-Мансийск: ГУИПП «Полиграфист», 2001. – 40 с.
12. Лёзин В. А. Реки Ханты-Мансийского автономного округа. Справочное пособие. Издательство "Вектор Бук". Тюмень, 1999.
13. Исследования фонового состояния окружающей среды и фонового уровня загрязнения территорий Западно-Салымского и Ваделыпского месторождений // ОТЧЕТ ООО ГП "Промнефтегазэкология". Тюмень, 2003. 211 с.
14. ВРД 39-1.13-002-98. Регламент геохимического контроля почв, природных вод при бурении скважин, эксплуатации объектов нефтегазодобычи, подготовки и транспорта газа на севере Тюменской области. РАО «Газпром», ТюменНИИгипрогаз, Тюмень, 1998.
15. Винокуров Ю.И., Малолетко А.М. Рациональное использование и охрана природных ресурсов в бассейне р. Алей // Природные ресурсы бассейна р. Алей, их охрана и рациональное использование. Иркутск. 1980. С. 3 - 36.
16. Ткачев Б.П. Бессточные области юга Западной Сибири. Структура и динамика. Томск: Изд-во ТГУ, 2001. 162 с.

5.4. ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОДОЗАБОРА Г. НИЖНЕВАРТОВСКА НА Р. ВАХ

Территория Западной Сибири в гидрологическом отношении является слабо изученной. Имеющейся сети наблюдений явно недостаточно, а на малых реках она почти полностью отсутствует. Это вызывает ряд проблем при обосновании границ зон санитарной охраны (ЗСО) поверхностных водозаборов.

Этот ряд проблем была решен для питьевого водозабора г. Нижневартовска, расположенного на р. Вах. Данное решение может быть применено и к другим средним равнинным рекам с подобными физико-географическими условиями.

Отличительной особенностью уровенного режима р. Вах на участке водозабора является наличие подпорных явлений, вследствие подпора обской водой. Действие подпора обычно начинается с момента подъёма уровня воды на р. Обь в конце апреля – начале мая и заканчивается осенью.

По характеру водного режима р. Вах и его притоки относятся к типу рек с весенне-летним половодьем и паводками в теплое время. Затяжной спад, захватывающий вторую половину лета и выпадение летне-осенних дождей, обуславливает высокие меженные уровни. Наиболее низкие уровни воды наблюдаются во второй половине зимы (в феврале-марте) [1].

Самый крупный приток Ваха, на участке зоны санитарной охраны водозабора относится к классу малых рек. Это река Сороминская, берущая своё начало из болота на водоразделе рек Вах и Аган. Общая длина реки 204 км, площадь водосбора 2390 км².

Река Большая Запорная – второй по величине приток Ваха на обследованном участке. Длина реки 68 км, а общая площадь водосбора 581 км².

По бывшим протокам Ваха, в районе зон санитарной охраны водозабора, протекает несколько небольших водотоков: р. Люколененеган (площадь водосбора примерно 21 км², длина 11 км), р. Малая Запорная (площадь водосбора 63 км², длина 21 км) и другие. Все они имеют небольшую площадь водосбора, а значит и норма годового стока для них существенно менее 1 м³/с.

В створе водозабора норма годового стока (среднегодовой расход воды) составляет 659 м³/с (табл. 1).

Таблица 1. Характеристики нормы стока р. Вах и его некоторых притоков

Модули стока в таблице 1 рассчитаны исходя из слоя среднемноголетнего стока, снятого с одноименной карты [2], с последующим уточнением по имеющейся справочной информации о норме стока [1, 3] и площадях водосбора, а также результатам собственных измерений.

Для определения площадей водосборов, длин рек и уклонов использовалась карта масштаба 1:100 000, рекомендуемая СП 33-101-2003 для равнинных заболоченных районов при площади водосбора более 200 км².

Определение суточных расходов воды различной обеспеченности. Обеспеченность суточных расходов воды получают по ординатам средней многолетней годовой кривой продолжительности суточных расходов воды, показывающей характеристику среднего многолетнего типового распределения суточных расходов воды. Такую информацию можно найти в справочном издании «Ресурсы поверхностных вод». Кривую продолжительности суточных расходов получают осреднением ординат ежегодных кривых среднесуточных расходов воды 30-, 90-, 180-, 270- и 355- суточной продолжительности, равных 8 %, 25 %, 50 %, 75 % и 97 % общей длительности года и абсолютных значений максимального и минимального расходов воды.

При отсутствии данных гидрометрических наблюдений, согласно СП 33-101-2003, построение средней многолетней кривой продолжительности суточных расходов воды производят методом аналогии. Для этого, среднюю многолетнюю кривую продолжительности, построенную в относительных единицах для реки-аналога, переносят на неизученную с учётом нормы стока неизученной реки.

Использование описанного подхода позволило получить данные, приведенные в таблице 2. В качестве реки-аналога использовались данные по посту Лобчинское на р. Вах [3].

Таблица 2. Суточные расходы различной обеспеченности р. Вах и его некоторых притоков, м³/с

Расчет скоростного режима. Скорость течения воды к основным гидрологическим характеристикам не относится [4]. Исследования скоростного режима р. Вах и его притоков проводились в июле 2007 года с применением доплеровского акустического измерителя скоростей течения. Работы проводились при расходе воды в створе водозабора ≈ 900 м³/с, что соответствует суточному расходу 22% обеспеченности.

Скорости течения (рис. 2) уменьшаются при уменьшении уклона водной поверхности и увеличении площади живого сечения (ширины русла).

Для расчёта скоростей течения в расчётном поперечном сечении, при расходе воды заданной обеспеченности, используются специальные программы. Например, программный продукт Morfostvor - разработанный в Институте водных и экологических проблем СО РАН (г. Барнаул).

Такие расчетные программы позволяют учитывать следующие параметры: шероховатость пойм и русла реки по участкам, косина потока, уклон реки, наличие мертвых отсеков. В основе этих программ, для равнинных рек, лежит следующая формула определения средней скорости течения воды в отсеке (русле, пойме) по текущему горизонту воды:

, (1)

где: n - коэффициент шероховатости в отсеке; h_cp - средняя глубина воды в отсеке при текущем горизонте воды, м; - расчетный уклон водной поверхности потока; cosa - поправка на косину струб.

Результатами расчётов являются зависимости расхода воды, площади поперечного сечения и средней скорости течения от уровня воды отдельно для русла, поймы (левой, правой части) и морфоствора в целом.

Коэффициент шероховатости в расчётах принимается в соответствие с СП 33-101-2003 [4].

Важным параметром при расчёте скорости является уклон водной поверхности. Его значение определялось в соответствии с измеренными характеристиками морфоствора при заданном уровне воды и измеренным расходом воды. Надо заметить, что уклон водной поверхности довольно изменчивая величина, причем не только в пространстве (рис. 1), но и во времени.

Рис. 1. Расчётное изменение уклона водной поверхности р. Вах, в ‰

Рис. 2. Изменение средних скоростей и ширины русла р. Вах при суточном расходе воды: а – 95 %; б – 75 %; в – 50 %; г – 25 % обеспеченности

Чем меньше русловые запасы реки, тем меньше скорость течения воды (табл. 3). Согласно расчётам при расходе воды 95 % обеспеченности средняя скорость течения р. Вах (на участке ЗСО) составляет 0,24 м/с. Для р. Сороминская средняя скорость течения при расходе воды 95 % обеспеченности равна 0,06 м/с, а для р. Большая Запорная всего 0,04 м/с. Для стариц скорость течения, при расходе воды такой обеспеченности, не более 0,01-0,02 м/с.

Следует отметить, что при выполнении расчётов не учитывалось влияние на скоростной режим ледового покрова, так как при ледоставе попадание загрязняющих веществ с поверхности водосбора затруднено.

Таблица 3. Осредненные характеристики р. Вах на участке ЗСО водозабора

Примечание: в колонке 22%-ой обеспеченности приведены осредненные данные инструментальных измерений, в остальных колонках расчётные значения.

Расчёт допустимого объёма водозабора воды. Допустимый забор воды из источника определяется по соответствию водности источника и производительности водозабора. Для нужд населения г. Нижневартовска отбирается 0,5 % от среднегодового стока р. Вах. Ежесуточный забор воды составляет 1,43 % от суточного расхода 95 % обеспеченности, что в несколько раз меньше точности измерения расхода воды в р. Вах и не может иметь существенных экологических последствий.

Таблица 4. Изменение гидрологических параметров р. Вах в результате водозабора воды при суточном расходе 95 % обеспеченности

Согласно рассчитанной для створа водозабора кривой зависимости расхода воды от уровня (табл. 4) понижение уровня воды р. Вах в створе водозабора при суточном расходе воды 95 % обеспеченности, за счет планируемого отбора воды, составит 4 см. При суточном расходе 50 % обеспеченности понижение составит 2 см.

Определение границ поясов первого, второго и третьего поясов зон санитарной охраны (ЗСО). Поверхностные водозаборы имеют три пояса зон санитарной охраны.

Для водотоков, в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1110-02, граница первого пояса ЗСО водозабора с поверхностным источником устанавливается, с учетом конкретных условий, в следующих пределах:

- вверх по течению: не менее 200 м от водозабора;

- вниз по течению: не менее 100 м от водозабора;

- по прилегающему к водозабору берегу: не менее 100 м от линии уреза воды летне-осенней межени;

- в направлении к противоположному от водозабора берегу при ширине реки или канала менее 100 м - вся акватория и противоположный берег шириной 50 м от линии уреза воды при летне-осенней межени, при ширине реки или канала более 100 м - полоса акватории шириной не менее 100 м.

Границы второго пояса ЗСО водотоков и водоемов определяются в зависимости от природных, климатических и гидрологических условий [5]:

- в целях микробного самоочищения граница второго пояса на водотоке должна быть удалена вверх по течению от водозабора на столько, чтобы время пробега по основному водотоку и его притокам, при расходе воды в водотоке 95% обеспеченности, было не менее 5 суток - для 1А, Б, В и Г, а также IIA климатических районов и не менее 3-х суток - для 1Д, IIБ, В, Г, а также III климатического района;

- скорость движения воды в м/сутки принимается усредненной по ширине и длине водотока или для отдельных его участков при резких колебаниях скорости течения;

- боковые границы второго пояса ЗСО от уреза воды при летне-осенней межени должны быть расположены на расстоянии, при равнинном рельефе местности - не менее 500 м;

- в отдельных случаях, с учетом конкретной санитарной ситуации и при соответствующем обосновании, территория второго пояса может быть увеличена по согласованию с центром государственного санитарно - эпидемиологического надзора.

Удаленность верхней границы второго пояса (в метрах) можно определить по формуле:

,

где - расчетное время добегания – время в течение, которого водная масса проходит заданное расстояние [4], - осредненная по длине и ширине средняя скорость воды (м/с) при суточном расходе воды 95 % обеспеченности.

Представление о протяженности второго пояса ЗСО по водотоку можно получить по таблице 5, если известна средняя скорость течения при расходе воды 95 % обеспеченности.

Таблица 5. Расстояния возможного распространения загрязнений, км

Для определения верхней границы второго пояса ЗСО на притоках, сначала определяется время добегания до устья притока, а затем в зависимости от скорости течения рассчитывается удаленность границы по притоку.

По мелким пересыхающим притокам граница проходит в 500 м от уреза воды на основном водотоке при летне-осенней межени, т. е. совпадает с боковыми границами второго пояса ЗСО.

Границы третьего пояса ЗСО на водотоках, согласно СанПиН 2.1.4.1110-02, вверх и вниз по течению совпадают с границами второго пояса. Боковые границы должны проходить по линии водоразделов в пределах 3 - 5 километров, включая притоки.

Исходя из равнинного характера местности, приводящего к замедленному стоку воды с водосбора и его заболачиванию, для боковых границ третьего пояса можно брать минимальное рекомендуемое расстояние - 3 км.

Обоснование нижней границы второго и третьего пояса ЗСО с учётом возможных ветровых течений. Предполагается, что при сильных ветрах могут возникать ветровые течения способные перенести загрязнение вверх по течению водотока.

Среднее число дней с сильным ветром (≥15 м/с) для г. Сургута составляет в среднем 5-25 дней в течение года, а в среднем для Ханты-Мансийского округа 5-10 дней. Средняя суммарная продолжительность сильных ветров со скоростями 20 м/с составляет 1-3 часа; со скоростями 18 м/с 3-9 часов; со скоростями 16 м/ с 6-24 часа; 14 м/с 14-70 часов в течение года. Средняя максимальная скорость ветра по округу составляет 22 м/с. Ветра со скоростью 25-30 м/с (на открытой местности) наблюдаются примерно 1 раз в 20 лет [6].

Во время половодья средняя скорость ветра составляет 3- 5 м/с с преобладанием ветров с северной составляющей (табл. 6.).

Таблица 6. Повторяемостей направлений ветра и штилей (%) (розы ветров)

Примечание: флюгер находится вдали от водной поверхности, выше окружающих предметов.

При определении возможности попадания загрязняющих веществ из створа расположенного ниже по течению от водозабора, к водозаборным сооружениям, было учтено следующее:

- подпор реки Вах водами реки Обь не вызывает обратных течений, а лишь приводит к снижению уклона водной поверхности, а значит и к уменьшению скоростей течения;

- направление течения р. Вах в районе шламохранилища - водозабора с северо-востока на юго-запад (рис. 3), т.е. попадание загрязнения в створ водозабора принципиально возможно лишь при такой скорости юго-западного ветра, которая вызовет ветровое течение, превышающее скорость течения речного потока;

- вероятность того, что в течение суток скорость ветра будет более 15 м/с составляет менее 25 /365 [6], т.е. 0,07. А вероятность юго-западного ветра в период с мая по август включительно 11/100 (табл.6), т.е. 0,11. Если допустить независимость данных событий, то вероятность сильного юго-западного ветра (более 15 м/с) будет менее 0,11×0,07=0,0001 или 0,01%. Это означает, что такое событие возможно примерно в течение одних суток за 3 года.

- ветровое течение, направленное против течения воды будет уменьшаться на величину скорости течения воды в расчетном секторе русла.

Таблица 7. Зависимость средней скорости течения в отсеке от его глубины при уклоне 0,002 ‰ (расчёт выполнен по формуле 1)

Скорость поверхностного ветрового течения можно вычислить по приближенной формуле [7]:

(2)

Где - скорость ветра, выраженная в тех же единицах, что и скорость течения; - широта места, для которого производятся вычисления. Следует учитывать, что местные условия могут вызывать значительные отклонения от рассчитанной скорости.

В таблице 8 представлены результаты расчётов по формуле 2 и возможная скорость обратного ветрового течения на мелководье с учетом скорости течения воды (табл. 7).

Таблица 8. Зависимость скорости ветрового течения от скорости ветра, м/с

Исходя из значений приведенных в таблице 8, при скорости ветра 30 м/с и 15 м/с за 30 минут (наиболее вероятная максимальная продолжительность ветрового воздействия) загрязнение может пройти против течения по мелководью (1 м глубиной) м и м соответственно, но к водозаборному ковшу не попадёт.

Это связано с тем, что, в средних широтах за счёт действия сил Кориолиса, в районах с глубиной более 50 м, направление ветрового течения в поверхностном слое воды отклоняется от направления ветра на 45°. В мелководных районах угол между направлениями ветра и ветрового течения меньше и примерно составляет 25° [7]. В северном полушарии это отклонение направлено вправо, т.е. в нашем случае к противоположному от водозабора левому берегу. Это отклонение от водозаборного ковша должно возрастать за счёт возрастающих к стрежню потока скоростей течения воды.

Из этого следует, что загрязняющие вещества, попадающие в р. Вах ниже 250 м от створа водозабора, могут попасть в створ водозабора в небольшом количестве лишь при сочетании почти невероятных событий и на незначительное время. Таким образом, отнесение нижней границы второго и третьего пояса ЗСО поверхностного водозабора на 250 м вниз по течению от створа водозабора достаточно для исключения влияния ветровых обратных течений.