РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ

И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕЭС РОССИИ»

Департамент научно-технической политики и развития

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

РД 153-34.2-02.409-2003

УДК 626/627:502.7

Дата введения 2004-01-01

Разработано ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» и ОАО «Ленгидропроект»

Исполнители: А.Б. ВЕКСЛЕР, В.М. ДОНЕНБЕРГ. А. А. КАГАН, Н.Ф. КРИВОНОГОВА, Д.В. СТЕФАНИШИН, Г.А. ТРЕГУБ, Р.С. ФРИД, И.Н. ШАТАЛИНА (ВНИИГ), А.Я. МИРЗАЕВ, О.Г. АВРАМЕНКО, Л.Е. АНДРЕЕВА, Т.П. БУКАРИНОВА, В.М. ИВАНОВ (Ленгидропроект)

Согласовано с ОАО «Институт Гидропроект» 2.12.2002 г.

Главный инженер В.Д. НОВОЖЕНИН

Утверждено Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России» 24.01.2003 г.

Заместитель начальника А.В. БОБЫЛЕВ

Вводится впервые

Срок первой проверки настоящего РД - 2007 г. Периодичность проверки - один раз в 5 лет

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Назначение и область применения

1.1. Настоящие Методические указания разработаны для оценки последствий гидротехнического строительства на окружающую среду. Оценка влияния на окружающую среду (ОВОС) производится комплексно на основании действующих законов, кодексов, других нормативных актов и утвержденных методик. Также может учитываться отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС) путем подбора объектов-аналогов при условии наличия по ним опубликованных данных или изыскательских, научно-исследовательских и прочих видов работ, выполненных организациями и специалистами соответствующего профиля и квалификации.

1.2. Оценка влияния на окружающую среду производится с различной степенью детализации и достоверности (допустимой погрешности) в зависимости от этапа проектных работ и эксплуатации гидроузла, степени влияния оцениваемых параметров на окружающую среду (ОС) (табл. 1).

1.3. При строительстве и эксплуатации ГТС влияние на окружающую среду для затрагиваемого региона может оказывать гидроузел в составе нового природно-технического комплекса (ПТК), ПТК в целом, а также отдельные элементы гидроузла и ПТК:

подпорные сооружения;

водопропускные сооружения;

водохранилище;

нижний бьеф;

водохозяйственный комплекс, возникший на базе гидроузла и водохранилища;

производственная и социально-экономическая инфрастуктура, развитая на базе гидроузла и водохранилища.

Таблица 1

Виды оценки влияния ГТС на окружающую среду, производимые

на различных этапах проектирования и эксплуатации

Состояние ГТС	Подбор объекта-аналога	Экологическое сопровождение		Мониторинг	Математическое моделирование	Специализированные исследования	Экологический аудит	Экспертиза (МПР, КПР, общественная)
		ОВОС	мероприятия по охране окружающей среды
Предпроектные разработки	+	+		+		+	+	+
Проект	+	+	+	+	+	+	+	+
Строительство			+	+		+	+
Реконструкция		+	+	+		+	+	+
Временная эксплуатация (до достижения проектных параметров или принятия объекта Госкомиссией)			+	+		+	+
Эксплуатация			+	+		+	+
Эксплуатация в аварийном режиме, поставарийная		+	+	+	+	+	+	+
Ликвидация		+	+	+	+	+	+	+

Влияние ГТС на окружающую среду может касаться различных компонент природно-технического комплекса: не только элементов природной среды, но и отраслей хозяйства и социально-демографической сферы [1, 37]. На представленной схеме показаны различные аспекты влияния ГТС на компоненты ПТК. В последующих разделах Методических указаний дается описание большинства из указанных на схеме проявлений воздействия ГТС на окружающую среду. При этом очевидные положительные эффекты гидротехнического и, в частности, гидроэнергетического строительства (такие, как введение новых энергетических мощностей, развитие на их основе промышленности и комфортных условий жизнедеятельности, многие другие выгоды, включая несомненные преимущества гидроэнергетики перед другими способами выработки электроэнергии) в настоящем документе не рассматриваются. Основное содержание его посвящено рассмотрению возможных негативных воздействий, проявляющихся в процессе нормальной эксплуатации ГТС и на которые должно быть обращено особое внимание, а их прогнозирование и разработка мер по их снижению и/или нейтрализации должны в соответствии с требованиями СНиП 11-01-95 войти в проект ГТС в качестве одного из важнейших его разделов. При составлении этого раздела проекта следует руководствоваться рекомендациями, содержащимися в Пособии [2] и в настоящем нормативном документе.

Основное внимание в Методических указаниях уделено влиянию на окружающую среду гидроузлов, возведенных на реках. Решение многих из рассмотренных вопросов могут быть применены при оценке воздействия на окружающую среду таких специальных видов гидроэнергетических сооружений, какими являются гидроаккумулирующие и приливные электростанции (ГАЭС и ПЭС). Однако в виду отсутствия достаточного для обобщения опыта эксплуатации подобных сооружений их влияние на окружающую среду в Методических указаниях не рассматривается. Также не рассматривается воздействие ГТС на окружающую среду при авариях на них.

Основные направления воздействия ГТС на окружающую среду

1.4. В связи со строительством (реконструкцией) и эксплуатацией ГТС может быть оказано прямое и косвенное влияние на окружающую природную среду с прямыми и косвенными эффектами для нее. Эффекты могут быть положительными и отрицательными, планируемыми и сверхпланируемыми или же побочными, как правило, не учитываемыми при принятии решений.

Большое значение для принятия в случае необходимости срочных мер по недопущению нежелательных эффектов или их смягчению имеет (в соответствии с требованиями Федерального закона № 7-ФЗ) организация мониторинга взаимодействия ГТС с окружающей средой. Состав мониторинговых исследований определяется на основании анализа конкретных аспектов влияния ГТС на окружающую природную среду.

1.5. Планируемые эффекты определяются, как правило, на этапе принятия решений при проектировании, ремонтах, реконструкции, консервации либо ликвидации ГТС, побочные эффекты выявляются при эксплуатации (строительстве или проведении ремонтно-восстановительных и пр. работ) в ходе проведения мониторинга, экологического аудита или лицензирования объекта. При принятии решений по ГТС должны рассматриваться различные по методам строительства, компоновке сооружений и глубине регулирования стока варианты, включая так называемый нулевой вариант — отказ от возведения ГТС.

Эффекты от воздействия ГТС на окружающую среду должны учитываться при оценке экономической эффективности варианта.

1.6. При выявлении превышения суммарного (интегрального) отрицательного эффекта от создаваемого ПТК с ГТС над положительным (либо при выявлении существенных дисбалансов положительных и отрицательных эффектов по отдельным компонентам окружающей среды) необходим пересмотр параметров сооружений, режима использования водных ресурсов, организации методов ведения строительных работ и развития ПТК.

Нормативные ссылки

1.7. В Методических указаниях приведены ссылки на следующие нормативные документы:

Федеральный закон от 14.03.1995 № 33-ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях».

Федеральный закон от 16.11.1995 № 167-ФЗ «Водный кодекс РФ» (с изменениями от 30.12.2001).

Федеральный закон от 22.11.1995 № 173-ФЗ «Об экологической экспертизе».

Федеральный закон от 30.03.1999 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения».

Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды».

Положение об оценке воздействия намечаемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду в РФ. Утверждено Комитетом по ООС РФ 16.05.2000, № 372.

ГОСТ 19185-73. Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения. М.: Госстандарт СМ СССР. 1973.

СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления. М.: Госстрой СССР. 1986.

СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. М.: Стройиздат. 1989.

СНиП 11-01-95. Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. М.: Минстрой России. 1995.

Методические рекомендации по прогнозированию переформирований берегов водохранилищ: П 30-75/ВНИИГ. Л. 1975.

Рекомендации по прогнозированию подтопления берегов водохранилищ и использованию подтопленных земель: П 71-78/ВНИИГ. Л. 1978.

Рекомендации по термическому расчету водохранилищ: П 78-79/ ВНИИГ. Л. 1979.

Рекомендации по расчету трансформации русла в нижних бьефах гидроузлов: П 95-81/ВНИИГ. Л. 1981.

Рекомендации по расчету длины полыньи в нижних бьефах ГЭС: П 28-86/ВНИИГ Л. 1986.

Рекомендации по прогнозированию изменений местного климата и его влияния на отрасли народного хозяйства в прибрежной зоне водохранилищ: П 850-87/ Гидропроект. М. 1987.

Терминология

1.8. Термины, используемые в настоящих Методических указаниях, даны в трактовке ГОСТ 19185-73, а также нормативных документов, указанных в п. 1.7.

2. ВЛИЯНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА РЕЖИМ ВОДОТОКА

2.1. Гидравлический режим водотока

2.1.1. Создание крупных гидроузлов на реках вносит большие изменения в их естественный гидрологический режим. В результате регулирующего действия водохранилища сток реки в нижнем бьефе становится более равномерным в течение года. Регулирующее влияние водохранилищ сказывается на значительных по протяжению участках реки ниже плотин и распространяется до ее устья. Условно можно считать, что протяженность нижних бьефов определяется по границе восстановления естественного гидрологического режима (главным образом, под влиянием крупных притоков).

2.1.2. Регулирующее влияние водохранилища приводит к существенному перераспределению стока по сравнению с бытовым состоянием: уменьшаются расходы паводка и увеличиваются расходы межени. Это перераспределение тем существенней, чем больше регулирующая (полезная) емкость водохранилища. Суточное и недельное регулирование мощности ГЭС вносит в гидравлический режим рек своеобразие, характерное только для нижних бьефов, — прохождение волн попусков, влияние которых может охватывать участки значительной протяженности. Неустановившийся режим течения, возникающий при прохождении волн попусков, сказывается как на гидравлических условиях, так и на русловых переформированиях в нижних бьефах.

2.1.3. Естественный водный режим реки в нижнем бьефе может быть нарушен также при комплексном использовании водохранилища и отъеме из него более или менее значительных объемов воды для целей ирригации или переброски стока в бассейны других рек. В случае переброски стока из бассейнов других рек в рассматриваемой реке происходит общее увеличение жидкого стока.

2.1.4. Влияние неустановившегося движения, возникающего в нижних бьефах энергетических гидроузлов в результате суточного и недельного регулирования стока, распространяется на равнинных реках на расстояние до нескольких сотен километров от плотины. Причем длина, на которую распространяется влияние режима работы ГЭС, зависит от "полноты" осуществляемого ею регулирования мощности.

Под полным недельным регулированием понимается режим, при котором ГЭС может полностью останавливаться в нерабочие дни; под полным суточным регулированием понимается режим, при котором в течение суток в часы ночного и дневного провалов графика потребительской нагрузки ГЭС может полностью останавливаться, а в часы утреннего и вечернего максимума работать с полной располагаемой мощностью.

Протяженность зоны влияния недельного регулирования может в 3-5 раз превосходить длину зоны влияния суточного регулирования. Колебания уровней и распространение волн суточного регулирования прослеживается на расстоянии нескольких десятков километров. Скорость распространения волн попуска суточного регулирования в нижнем бьефе может достигать 3-4 м/с, скорость перемещения гребня волны в 2 - 4 раза превышать скорость течения. Амплитуды колебания уровней могут достигать нескольких метров, однако обычно они регламентируются с учетом требований водного транспорта и других водопользователей.

2.1.5. Прогнозирование параметров неустановившегося режима в нижнем бьефе (диапазона колебания уровней, скорости течения, протяженности зоны влияния и т.п.) должно выполняться методами матемагического моделирования на основе численного интегрирования одномерных или двумерных уравнений Сен-Венана [3] с учетом морфологических особенностей русла, наличия притоков и их водности, подпора со стороны водохранилища нижерасположенного гидроузла или водоема.

2.1.6. Степень недельного и суточного регулирования мощности ГЭС определяется их местом в энергосистеме и в каскаде, а также требованиями неэнергетических водопользователей к уровням воды в нижних бьефах гидроузлов. На ГЭС, нижние бьефы которых находятся в неподпертом состоянии, в маловодных условиях возможно полное прекращение суточного и недельного регулирования мощности, т.е. переход ГЭС из пиковой зоны графика нагрузки в базовую. При наличии подпора в нижнем бьефе, существенно снижающего размах колебаний уровня воды, ГЭС могут осуществлять более глубокое недельное и суточное регулирование мощности. Оно либо не ограничивается совсем, либо ограничивается незначительно требованиями обеспечения обязательного базового попуска. Во многих случаях при осуществлении суточного регулирования необходимо учитывать, что резкие подъемы уровня нижнего бьефа при одновременном включении нескольких агрегатов ГЭС и значительный размах суточных колебаний неблагоприятны и опасны не только для инфраструктуры нижнего бьефа, но и для населения (в частности, в рекреационный период).

Зимой при осуществлении суточного и недельного регулирования мощности снимается ограничение по обеспечению нормируемой глубины по условиям судоходства, благоприятных условий для рыбного хозяйства и т.п., но во многих случаях должны учитываться условия неподтопляемости территорий, находящихся в нижних бьефах гидроузлов, а также санитарно-гигиенические условия водопользования при наличии в нижнем бьефе сбросов сточных вод.

2.1.7. Существенное значение при оценке приемлемости гидравлического режима, обусловленного суточным регулированием мощности ГЭС, имеет направление и скорость течения воды в местах выпусков сточных вод. При этом абсолютно недопустимы ситуации, когда сточные воды, перемещаясь вверх по течению, могут попадать в водозаборы питьевой воды.

2.2. Русловой режим водотока

2.2.1. Задержка водохранилищем твердого стока и перераспределение во времени стока воды приводит к изменению руслового процесса в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. Преобладающие в естественных условиях обратимые деформации русла, обусловленные транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора, после возведения гидроузла сменяются необратимыми деформациями. Создание водохранилища приводит к тому, что большая часть наносов (а в крупных водохранилищах на равнинных реках практически все наносы) осаждается в нем, и в нижний бьеф вода поступает осветленной. В результате происходит постепенное занесение чаши водохранилища донными наносами и его заиление взвешенными наносами. В этих условиях в нижнем бьефе поток, транспортирующая способность которого оказывается недостаточной, начинает насыщаться за счет размыва примыкающего к гидроузлу участка нижнего бьефа. Этот участок превращается в зону питания наносами расположенной ниже части реки. В русле начинают развиваться необратимые деформации, в которых преобладает общий размыв.

Как правило, это происходит уже в строительный период при стеснении русла перемычками. В дальнейшем, при временной, а затем и при постоянной эксплуатации гидроузла, зона переформирования русла распространяется вниз по течению. На этот процесс накладывается влияние изменения водного режима. Происходит трансформация русла нижнего бьефа - изменение геометрических и гидравлических характеристик русла реки, проходящее на значительном ее протяжении и обусловленное нарушением ранее существовавших режимов твердого и жидкого стока [4]. Трансформация русла влечет за собой изменение связей расходов и уровней воды, характеризовавших отдельные сечения водотока.

2.2.2. Преобладание общего размыва в процессе трансформации русел нижних бьефов является определяющим для равнинных рек, несущих сравнительно небольшое количество наносов. В условиях гидротехнического строительства в горных районах на реках с большим объемом твердого стока при малых объемах водохранилища происходит сравнительно быстрое его заиление и наносы вновь начинают поступать в нижний бьеф. Процесс общего размыва в этом случае прекращается, в ранее размытом русле начинают откладываться сбрасываемые через гидроузел наносы и происходит так называемый завал нижнего бьефа. Срок заиления равнинных водохранилищ, преобладающих на территории России, исчисляется сотнями лет, что и определяет основную роль общего размыва в процессе трансформации русел нижних бьефов гидроузлов, возведенных на равнинных реках.

2.2.3. Наряду с трансформацией русла нижнего бьефа, строительство гидроузлов вызывает его местные деформации, обусловленные повышенной турбулизацией, местным сосредоточением и изменением направления потока под воздействием гидротехнических сооружений и регуляционных работ.

2.2.4. В строительный и пуско-наладочный периоды работы гидроузла в русле реки, стесненном перемычками, а затем сооружениями, происходят интенсивные местные деформации, причиной которых являются чаще всего неблагоприятные гидравлические условия пропуска строительных расходов через не полностью построенные водопропускные сооружения, а также незавершенность работ по креплению нижнего бьефа. Объем размыва в русле реки (включая размыв перемычек) может значительно превосходить объем твердого стока, соответствующий транспортирующим возможностям потока в естественном русле. Ниже сооружений поток откладывает большую часть наносов в виде переката, отметки гребня которого постепенно нарастают. По мере затухания процесса местного размыва за сооружениями рост переката замедляется, а его гребень смещается вниз по течению. В ряде случаев этот перекат создает временный подпор на сооружения гидроузла со стороны нижнего бьефа. Со временем подпор уменьшается, что обычно связано с постепенным смывом переката, передвижением вниз по течению зоны отложений и с общим понижением уровней нижнего бьефа.

2.2.5. После завершения или временной стабилизации процесса местного размыва за водопропускными сооружениями начинается постепенный размыв русла нижнего бьефа и перемещение зоны наибольших отложений наносов вниз по течению. На ближайшем к сооружениям участке нижнего бьефа преобладающим видом деформации русла становится размыв. Зона размыва, продвигаясь вслед за зоной отложений, постепенно охватывает все большую длину бьефа, оставляя выше по течению участок более устойчивого, стабилизировавшегося русла, при взаимодействии которого с потоком уже не происходит значительных деформаций дна реки и существенного насыщения потока наносами. Повышение устойчивости русла в этой зоне обусловлено увеличением глубин за счет размыва, снижением скоростей потока и, как следствие, уменьшением подвижности донного материала по сравнению с бытовыми условиями в неразмытом русле.

Характер распространения зоны размыва зависит от уклона реки, геологического строения ее ложа и т. д. [5]. При малых уклонах реки, не очень больших скоростях течения, больших скоплениях аллювия (в том числе в виде островов, побочней и тому подобных русловых образований) общий размыв в длину развивается сравнительно медленно. Поэтому даже при больших глубинах размыва русла понижение уровней воды из-за малой протяженности зоны размывов и малого уклона реки получается очень небольшим.

При ограничении размывов выходами коренных пород или образованием естественной отмостки, чему особенно благоприятствует сложное геологическое строение русла, размыв может быстро развиваться в длину, особенно при больших уклонах водотока. Снижение уровней воды в этих случаях может быть весьма значительным при сравнительно быстрой стабилизации процесса [5, 6].

При возведении гидроузлов на участках рек, где в бытовых условиях происходило постепенное повышение русла за счет осаждения большого количества транспортируемых наносов при выходе реки с горного или предгорного участка на равнину, при зарегулировании реки происходит изменение общей направленности руслового процесса и начинается "врезка" русла за счет размыва его осветленным потоком.

2.2.6. Вследствие того, что в пределах зоны общего размыва нижнего бьефа расход наносов остается меньше транспортирующей способности потока, происходит размыв зоны отложений. В результате этого поток оказывается полностью насыщен наносами и вновь откладывает их ниже по течению. Таким образом, происходит перемещение вниз по течению зоны отложений.

Это общее для абсолютного большинства исследованных гидроузлов явление наиболее отчетливо проявляется в смещении лимитирующих судоходство перекатов.

В верхнем бьефе, в зоне выклинивания подпора происходит отложение наносов, постепенно смещающееся вверх по течению (регрессивная аккумуляция наносов), иногда с образованием дельты. При этом может происходить повышение уровней воды и распространение подпора вверх.

2.2.7. При резком колебании уровней нижнего бьефа, обусловленном суточным регулированием мощности ГЭС, процесс продвижения вниз по течению зоны интенсивного переформирования и зоны стабилизации русла может несколько замедляться за счет увеличения притока наносов в русло при обрушении и оползании берегов (боковая эрозия) после прохождения попусковых волн. Приток наносов в русло, происходящий за счет боковой эрозии, увеличивает заносимость перекатов и уменьшает их устойчивость. Однако, поскольку зона интенсивной боковой эрозии русла, как и весь процесс его переформирования, смещается вниз по течению, общая направленность этого процесса, выражающаяся в постепенной стабилизации примыкающего к гидроузлу участка нижнего бьефа, сохраняется.

2.2.8. Причиной обрушения берегов в нижнем бьефе является, как правило, интенсивная суффозия грунта береговых откосов фильтрационным потоком, направленным в русло в периоды резкого спада уровней воды в реке при практически мгновенном отключении агрегатов ГЭС.

Увеличение боковой эрозии непосредственно ниже сооружений может происходить в результате изменения направления потока и перераспределения расходов воды на отдельных участках русла реки в нижнем бьефе.

Эрозия берегов бывает также связана с волнами от проходящих судов или другого происхождения, например с волнами, обусловленными работой водосливов.

2.2.9. В процессе переформирования русла нижнего бьефа, перестраивающегося в соответствии с новым гидрологическим режимом потока, во многих случаях отмечается уменьшение извилистости русла и выравнивание разницы между объемами русла на плесовых и перекатных участках. Наряду с размывом перекатов и занесением плесовых участков при взаимодействии зарегулированного потока и русла, этому выравниванию способствуют землечерпательные работы на перекатах, при проведении которых плесовые участки используются для отвалов грунта. В результате речное русло приобретает форму, приближающуюся к форме канала.

В реках с побочневым типом руслового процесса зарегулирование стока может привести, наоборот, к увеличению извилистости русла в связи с тем, что срезка паводков и уменьшение затопления отмелей обусловливает закрепление и зарастание песков и, как следствие, преобразование побочней в пойму.

2.2.10. Процесс трансформации русла нижнего бьефа, имеющий общую тенденцию к затуханию русловых переформирований и к стабилизации русла на участке большой протяженности, заметно интенсифицируется при прохождении высоких паводков. При этом в руслах со сравнительно однородным по крупности грунтом происходят дополнительные размывы и увеличение транспорта наносов, а в руслах, сложенных разнозернистыми грунтами, нарушается слой естественной отмостки, и они становятся не защищенным от размыва меньшими расходами.

Пропуск паводков редкой повторяемости через сооружения гидроузла в период завершения его строительства или в начальный период эксплуатации может вызвать очень быстрое продвижение зоны интенсивной трансформации русла вниз по течению. В этом случае подпор, создаваемый перекатом, образованным в результате отложения продуктов размыва, не распространяется до створа гидроузла.

2.2.11. В зимний период эксплуатации гидроузлов волны суточного регулирования могут явиться причиной подвижек льда и заторных явлений, когда ледяные поля, приведенные в движение волнами попусков, нагромождаясь друг на друга, могут перекрыть отдельные рукава многорукавных русел. Последующие за этим прорывы потока в другие протоки могут привести к существенному их размыву и, как следствие, к увеличению живого сечения и пропускной способности по сравнению с бытовым состоянием. При этом возможно перераспределение потока между рукавами и уход основной части расхода реки во второстепенные рукава. Такие явления особенно важно учитывать в тех случаях, когда они могут нарушить работу водозаборных сооружений и судоходство.

2.2.12. При возведении гидроузлов в створах, характеризующихся наличием проток или рукавов, в период производства работ по возведению бетонных сооружений одна из проток часто бывает перекрыта и весь сток сосредотачивается во второй протоке. Такое перераспределение стока в течение периода, длительность которого может исчисляться несколькими годами, приводит к размыву отложений в работающей протоке с выносом их в основное русло; в перекрытой протоке за это время может произойти интенсивное развитие подводной растительности и кустарника, обусловливающее увеличение шероховатости русла.

2.2.13. Задержка водохранилищем пика паводка и его снижение могут приводить к увеличению отложений на перекатах зарегулированных рек в местах слияния их с незарегулированными притоками. Происходящее при этом увеличение уклонов свободной поверхности в устьевой части притока приводит к увеличению скоростей притока, размыву его русла и выносу большого количества наносов, которые, осаждаясь в русле основной реки, способствуют росту отметок перекатов, расположенных в месте слияния.

2.2.14. Следствием трансформации русла ниже гидроузла является изменение уровенного режима реки в его нижнем бьефе. Это изменение в створе гидроузла и других створах нижнего бьефа характеризуется смещением кривых связи расходов и уровней относительно положения этой кривой к моменту пуска гидроузла. При этом в ряде случаев, как отмечалось в п. 2.2.4, переформирования русла нижнего бьефа в строительный период могут вызвать уже к моменту пуска гидроузла смещение кривой расходов по отношению к ее среднемноголетнему (как правило, устойчивому) положению в бытовых условиях. Эти изменения, наиболее ярко проявляющиеся в нижних бьефах, не подпираемых ниже расположенным водохранилищем, могут быть проиллюстрированы сводной таблицей, приведенной в Приложении 1, а также помещенными в этом же приложении рисунками, на которых показаны кривые связи расходов и уровней в нижних бьефах ряда гидроузлов.

2.2.15. Прогноз трансформации русла в нижнем бьефе производится в соответствии с Рекомендациями П 95-81/ВНИИГ и методом, изложенным в работе [7], прогноз переработки берегов водохранилищ — в соответствии с Рекомендациями П 30-75/ВНИИГ, а прогноз заиления — по Указаниям [8].

2.3. Ледотермический режим водотока

2.3.1. Эксплуатация гидроузла оказывает существенное влияние на преобразование ледотермического режима водотока как в верхнем, так и в нижнем бьефах [33].

2.3.2. В верхнем бьефе гидроузла, как правило, происходит увеличение глубины и ширины потока, что ведет к снижению скоростей течения и интенсивности турбулентного перемешивания на этом участке реки.

Температурный режим верхнего бьефа зависит от времени полного водообмена, объема и глубины в его приплотинной части, морфометрических параметров рельефа, температуры и расхода воды и льда, поступающих в верхнюю часть водохранилища. Существенное влияние на температурный режим верхнего бьефа оказывает компоновка гидроузла, конструкция водозаборных и водосбросных сооружений. Работа гидроузла изолированно или в каскаде также влияет на температуру воды и ледотермический режим водотока.

2.3.3. Водохранилища различаются по глубине и проточности; эти различия не являются неизменными характеристиками конкретного водохранилища, так как могут меняться в течение года и даже суток, быть различными на разных участках водохранилища. Классификация по глубине позволяет выделить три типа водохранилища:

Мелкое водохранилище характеризуется тем, что разность температур по глубине остается все время незначительной, изменчивость температуры у дна почти такая же, как у поверхности, а теплообмен с дном соизмерим с теплообменом с атмосферой. Это позволяет при выполнении тепловых расчетов мелких водохранилищ оперировать средней по глубине температурой воды, но обусловливает необходимость учета теплообмена с дном. Первое положение упрощает постановку и решение гидротермических задач, второе - усложняет их.

Глубокое водохранилище отличается от мелкого наличием перепада температур по глубине; изменчивость температуры у дна невелика, теплообмен с дном составляет незначительную часть теплообмена с атмосферой. В этих условиях при выполнении приближенных расчетов допускается пренебрегать теплообменом с дном, полагая процесс адиабатическим.

Очень глубокое водохранилище характеризуется постоянством температуры у дна и отсутствием теплообмена с ним. В тепловых расчетах можно принимать водохранилище бесконечно глубоким, что позволяет пользоваться решениями тепловых задач для полуограниченных тел.

По степени проточности водохранилища разделяются на слабопроточные и проточные водохранилища. В слабопроточных водохранилищах скорости течения относительно велики и температура воды на каждом участке зависит от температуры на вышерасположенном участке водохранилища.

2.3.4. В годовом термическом цикле водохранилищ выделяются 5 периодов:

I период (весеннее нагревание до 4 °С) наступает вслед за вскрытием водохранилища ото льда. Вскоре после вскрытия водохранилища устойчивая стратификация, имевшая место в зимний период, нарушается и возникает свободно-конвективное перемешивание. Толщина слоя воды, охваченного конвекцией, постепенно увеличивается, причем в этом слое практически имеет место гомотермия. Конец I периода совпадает с моментом нагрева воды до температуры 4 °С (температуры наибольшей плотности), при которой свободная конвекция прекращается.

Во II периоде происходит интенсивное прогревание воды от 4 °С и выше. Перенос тепла внутри водной толщи осуществляется за счет турбулентного перемешивания. Так как его интенсивность меньше интенсивности весенней свободной конвекции, то II период характеризуется наличием значительных вертикальных градиентов температуры.

В течение III периода (осеннего охлаждения до 4 °С) так же, как и в I периоде, наблюдается интенсивное свободно-конвективное перемешивание, а турбулентное перемешивание по сравнению с ним играет подчиненную роль. Отличие состоит в том, что продолжительность этого периода значительно больше первого.

В IV периоде происходит предледоставное охлаждение ниже 4 °С и вновь возникает устойчивая стратификация, основную роль играет турбулентное перемешивание. В мелких водохранилищах охлаждение может распространяться до дна. В глубоких водохранилищах охлаждению подвержены лишь поверхностные слои, а в глубинных наблюдаются значительные вертикальные градиенты температуры. Наличие или отсутствие ветрового перемешивания имеет важное значение, так как этим определяется возможность переохлаждения воды, образование шуги, сроки ледостава, температура воды зимой.

Начало V периода (зимнего режима под ледяным покровом) совпадает с моментом установления ледостава на водохранилище. Температурный режим этого периода отличается большей стабильностью по сравнению с режимом других периодов. Так как температура воды ниже 4 °С и с глубиной повышается, то свободная конвекция не наблюдается, а наличие ледяного покрова не только изолирует в термическом отношении водную толщу от атмосферы, но и исключает возникновение ветрового перемешивания воды,

В самом начале V периода вертикальные градиенты температуры невелики. Затем они возрастают. В относительно неглубоких водохранилищах в течение первой половины зимы наблюдается медленный плавный рост придонных температур, вызванный теплообменом с грунтом дна. В более глубоких водохранилищах температура глубинных и придонных слоев воды практически почти не изменяется. В конце зимы, после таяния снежного покрова на льду, происходит повышение температуры поверхностных слоев, вызванное непосредственным поглощением солнечной радиации и стоком талых вод. Сразу же после вскрытия водохранилища начинается весенняя конвекция (I период годового термического цикла).

Указанные общие черты термического режима могут видоизменяться под влиянием различных факторов, причем наибольшее значение имеют скоростной режим и глубина водохранилища.

2.3.5. Особенности ледового режима водохранилищ связаны с особенностями их термического режима. Ледовые условия изменяются не только во времени, но и по площади акватории водохранилища. Эти изменения могут быть весьма существенными и зависят, главным образом, от глубин: в результате у берегов, где глубины меньше, ледяной покров возникает раньше, оказывается более толстым и исчезает обычно позже, чем в открытой части. Большое влияние на образование ледяного покрова оказывает ветер, причем его воздействие может быть не только термическим, но и механическим. Термическое воздействие сказывается на увеличении теплообмена с воздухом и выравнивании температуры воды по глубине, что существенно поздней осенью в предледоставный период, когда плотностная стратификация является устойчивой и, следовательно, свободная конвекция отсутствует. Механическое воздействие выражается в изменении условий образования ледяного покрова - переохлаждении воды, нагоне ледового материала к наветренному берегу и т.д.

Образование ледяного покрова может происходить при отсутствии и при наличии слоя ветрового перемешивания. Образованию льда в обоих случаях предшествует переохлаждение воды, причем температура воды у поверхности при охлаждении всегда ниже, чем на глубине, поэтому переохлаждение и, следовательно, зарождение кристаллов шуги начинается у поверхности.

Если ветрового перемешивания нет, то происходит спокойное замерзание поверхности водохранилища: свободная поверхность воды быстро покрывается очень тонким слоем льда (генетически это шуга), после чего начинается нарастание снизу обычного поверхностного льда.

При ветровом перемешивании из-за значительной турбулизации водной толщи частицы шути уносятся вглубь, теплообмен воды с атмосферой сохраняется, переохлаждение воды продолжается, захватывая все более толстый слой. Происходит объемное образование шуги, которое затухает по мере увеличения размеров шуговых образований, их всплытия, уменьшения открытой части поверхности воды и одновременно происходящего угасания волнения, а следовательно, и турбулентности; всплывшая шуга образует шуговый ковер, который замерзая и составляет ледяной покров. Срок начала образования ледяного покрова, возникающего таким путем, наступает несколько позже, чем при спокойном замерзании. Однако скорость роста ледяного покрова оказывается выше за счет шугового ковра.

2.3.6. В хвостовой части водохранилищ, как правило, формируются заторы вследствие резкого замедления скорости движения ледяных полей, поступающих с верхних участков реки, торошения и подныривания льдин под остановившуюся ледовую массу в период осеннего и весеннего ледоходов. При снижении уровней воды в водохранилище может происходить осаждение массы затора на дно, а при подъеме уровней - ее всплывание и перемещение по водохранилищу. Подпор от затора может распространяться вверх по реке и вызывать подтопление окружающей местности. Такие заторы на равнинных реках могут приводить к подъемам уровней воды и навалам льда на берега высотою до 3 - 4 м.

2.3.7. К числу факторов, под воздействием которых формируется ледотермический режим нижних бьефов ГЭС, относятся:

температура воды, поступающей из верхнего бьефа в нижний;

режим расходов, проходящих через ГЭС;

скорости течения и уровни воды в нижнем бьефе;

морфометрические характеристики русла в нижнем бьефе;

работа гидроузла изолированно или в каскаде;

климат региона: температура и влажность воздуха, облачность, скорость и направление ветра, количество выпавших осадков;

химический состав воды в потоке (минерализация);

температурные и криогенные характеристики грунтов ложа;

наличие притоков и сбросов коммунальных и промышленных предприятий.

Степень влияния каждого из факторов на ледотермический режим нижнего бьефа различна, некоторые из них взаимосвязаны между собой. Например, режим скоростей и уровней связан с режимом расходов и морфометрическими параметрами русла; климат региона зависит от температурного режима как верхнего, так и нижнего бьефов, возможно даже изменение климата вследствие создания гидроузла (см. п. 3.1).

Грунты ложа определяют не только шероховатость русла (и следовательно, гидравлический режим потока), но и оказывают влияние на теплоприток от дна и температуру воды, а также на процесс образования донного льда.

2.3.8. Количественные закономерности ледовых процессов для рек и водохранилищ, как правило, получают на основании анализа и обобщения материалов многолетних натурных наблюдений и расчетно-теоретических проработок. В основе обработки исходной информации лежит, главным образом, статистический анализ многолетних рядов наблюдений. Выявленные закономерности ледовых и термических процессов для конкретных водотоков и нижних бьефов гидроузлов можно использовать в качестве аналогов для малоизученных водотоков и водоемов с учетом их особенностей.

2.3.9. Существенное влияние на процессы льдообразования в нижнем бьефе оказывает химический состав воды. Так в нижних бьефах гидроузлов, расположенных на устьевых участках рек, впадающих в море, вследствие смешения пресных речных и соленых морских вод часто наблюдается интенсивное шугообразование, вызывающее формирование зажоров, подъем уровней и подтопление примыкающих территорий.

2.3.10. Глубина регулирования стока реки вызывает также значительное изменение не только расходов, но и температуры воды попусков, что обусловливает различие в формировании ледового и термического режимов в нижних бьефах ГЭС с многолетним, сезонным, недельным и суточным регулированием.

Создание глубоких водохранилищ большой емкости приводит к поступлению в нижний бьеф воды более низкой температуры летом, более высокой зимой, особенно если водозабор ГЭС производится из глубинных слоев. В зимний период средние декадные температуры воды в нижних бьефах большинства ГЭС могут достигать 5 °С; в некоторых случаях они доходят до 8°С. Следовательно, в зарегулированных условиях температура воды в нижних бьефах ГЭС достаточно высокая, в то время как в естественных условиях, уже к началу льдообразовательных процессов температура воды в речных потоках близка к нулю.

2.3.11. На температуру воды в нижних бьефах ГЭС большое влияние оказывает проточность водохранилища. Чем больше проточность, тем интенсивнее турбулентный теплообмен в водохранилище, тем, при прочих равных условиях, теплее вода, сбрасываемая в летний период, и холоднее в зимний.

В связи со сбросом воды из водохранилища с температурой более 0°С, а также с "отсечением" льда, поступающего с верхних участков реки, сооружениями гидроузла, сроки ледостава в нижнем бьефе по сравнению с бытовыми условиями сдвигаются: ледостав наступает позже. Поступление в течение всего зимнего периода воды с положительной температурой обусловливает наличие полыньи в нижних бьефах ГЭС. Подобное явление наблюдается и в бытовых условиях на реках, вытекающих из больших и глубоких озер (например, р. Ангара [9], р. Нарва).

Длина полыньи зависит от значений сбросных расходов, метеорологических условий, температуры воды, поступающей из верхнего в нижний бьеф, морфологических характеристик русла, а также от количества тепла, поступающего от тепловых источников и боковых притоков. Примеры влияния водохранилищ ГЭС на температуру воды и минимальную длину полыньи в нижних бьефах ГЭС приведены в Приложении 2.

2.3.12. В начале зимы, когда створ нулевых температур в нижнем бьефе располагается к ГЭС ближе, чем кромка ледяного покрова, движение кромки к плотине, как правило, осуществляется задержкой подплывающих шуго-ледяных масс. Выше кромки на подпорном участке скорости снижаются, что создает благоприятные условия для продвижения кромки вверх по течению и приближения ее к створу гидроузла.

Характерным является отсутствие или снижение доли внутриводного льда в период осеннего шугохода-ледохода на примыкающем к гидроузлу участке нижнего бьефа, связанное с тем, что на участке "ГЭС - нулевая изотерма" шугообразование не происходит, а в мелководных застойных зонах, охлаждающихся быстрее, происходит образование поверхностных форм льда.

2.3.13. Снижение пропускной способности русла при наличии ледяного покрова в нижних бьефах ГЭС вызывает подпор уровня воды, причем на равнинных реках подпор у плотины может сказываться, когда кромка ледяного покрова находится на расстоянии 100 и более километров ниже плотины.

Наибольшие подпоры уровней воды в нижних бьефах наблюдаются, в основном, в начале ледостава (в первые 10 суток).

Со второй половины зимы кромка льда начинает медленно отступать вниз по течению со скоростью 2-3 км/сут и лишь при больших попусках ГЭС и резком повышении температуры воздуха скорость отступления кромки льда может составлять до 30 км/сут.

2.3.14. Интенсивность и последовательность развития зажорных явлений по длине нижнего бьефа определяются, главным образом, морфологическими особенностями русла: чередованием участков с большими и малыми уклонами дна (перекат - плес) в сочетании с гидрометеорологическими условиями и режимами работы ГЭС.

Местами образования зажоров в зарегулированных условиях, как и в естественных, являются участки с резким изломом продольного профиля - от большого уклона к малому, крутые повороты русла, мели, острова и другие препятствия.

Гидравлические условия зажорных участков характеризуются значениями числа Фруда от 0,06 до 0,12 в зависимости от пористости шуговых масс. Непрерывно подплывающие с верхнего участка нижнего бьефа к кромке ледяного покрова (или к ледяной перемычке) массы шуги подныривают под кромку и закупоривают русло реки, вызывая подпор уровней, снижение уклонов водной поверхности и уменьшение скоростей течения. Иногда зажоры образуются в нижних бьефах в течение всей зимы вследствие интенсивного шугообразования в приплотинной полынье.

2.3.15. Объем ледяного материала в зажорах зависит от температуры воздуха в период их формирования. Чем ниже температура воздуха, тем меньше объем ледяного зажора. Это объясняется тем, что происходит резкое уменьшение длины полыньи, а следовательно, резко сокращается длина шугообразующего участка.

В нижних бьефах гидроузлов, возведенных на крупных реках, среднее количество льда в зажорных скоплениях обычно составляет до 10 млн. т, а наибольшее достигает 24 - 28 млн. т. Зашугованность русла может составлять 50 - 80%. Протяженность зажоров в нижних бьефах ГЭС может достигать в среднем 5, а иногда 10 км, толщина льда и шуги и зажорный подъем уровней воды - от 3 до 8 м. Поверхность заторов торосистая, с высотой торосов до 3 м. Наблюдаются навалы льда на берегах высотой 3-4 м [10].

Чем больше объем зажорных скоплений льда, а также, чем больше объем и продолжительность попусков, тем выше зажорные подъемы уровней в нижнем бьефе ГЭС.

2.3.16. Заторы льда в нижних бьефах гидроузлов образуются, главным образом, в зимний период, тогда как в естественных условиях рек ледяные заторы образуются обычно весной во время весеннего снеготаяния и половодья.

Основными факторами заторообразовательных процессов в нижних бьефах гидроузлов являются объем и продолжительность попусков, воздействующих на ледяной покров нижнего бьефа, отрицательная температура воздуха и амплитуда колебаний уровней воды по длине нижнего бьефа.

В период повышенных попусков воды (амплитуда суточных колебаний уровней воды непосредственно у плотины при регулировании мощности ГЭС в зимний период может достигать 2 - 3 м, а иногда и больше) происходит нарушение гидродинамической устойчивости ледяного покрова. Кромка ледяного покрова срывается потоком и уносится вниз по течению, при этом происходит торошение и нагромождение льда в затор. Как показывают наблюдения (нижние бьефы волжских и ангарских ГЭС) [33], срыв кромки и образование заторов наблюдаются, когда амплитуда колебания уровня при попусках в 3 - 4 раза превышает толщину льда на кромке.

2.3.17. На участках нижнего бьефа, где подъемы уровней воды превышают толщину ледяного покрова, происходит образование береговых трещин и ледяной покров поднимается вместе с уровнем воды и разламывается на отдельные ледяные поля размерами в десятки и сотни метров.

Примерзший к береговым склонам лед (забереги) при минимальных суточных уровнях частично ложится на дно и примерзает к нему. При повторении суточного цикла лед, образовавшийся при высоких уровнях, садится на примерзший ко дну лед и смерзается с ним. В результате толщина заберегов становится равной амплитуде суточных колебаний уровня в нижнем бьефе. Плавающий лед отделяется от заберегов постоянной трещиной. Периодические попуски могут вызвать образование наледи [11, 33].

2.3.18. Под влиянием водного потока и ветра на участках разрушения ледяных полей происходит торошение и сжатие льда, в результате чего толщина кромки ледяного покрова увеличивается. Дальнейшее увеличение расходов попусков способствует формированию в нижнем бьефе поля битого льда удвоенной или утроенной толщины. В результате взаимодействия между битым льдом и потоком происходит уплотнение масс битого льда и его выдавливание вверх и вниз по вертикали. На участке нижнего бьефа, где имеет место торошение, возможно стеснение русла битым льдом до 70 - 80% на большом протяжении (как правило, не менее 0,5 км), в результате которого заторный подъем уровней воды может вызывать снижение напора на ГЭС (иногда до 7 м). При резком увеличении объема попусков развиваются подвижки заторов льда, охватывающие участки нижнего бьефа протяженностью до 20 км. Продолжительность таких подвижек составляет 2-3 часа, а толщина заторных масс льда может достигать при этом 10 - 12 м. Подвижки заторов сопровождаются навалами льда на берега, высота которых может достигать 3-4 м.

2.3.19. Протяженность зоны термического влияния ГЭС в нижнем бьефе определяется расстоянием, на котором режим расходов, уровней, ледовый режим приближаются к естественным условиям, и может измеряться сотнями километров. По наблюдениям, выполненным на большом числе нижних бьефов ГЭС, продолжительность периода ледостава после зарегулирования стока сокращается на 20 - 60 суток по сравнению с естественными условиями за счет более позднего начала ледостава и более раннего вскрытия.

2.3.20. Вскрытие нижних бьефов происходит путем последовательного отступления кромки льда вниз по реке вследствие интенсивного стаивания льда с нижней поверхности и на кромке при повышении температуры воздуха и перемещении нулевой изотермы под ледяной покров. Повышение температуры воздуха влечет за собой уменьшение прочности льда, а при увеличении сбросных расходов, например, при пропуске весеннего паводка, происходит отрыв кромки и взлом ледяного покрова с образованием заторных явлений в нижнем бьефе.

2.3.21. Зарегулирование существенно влияет на количество тепла, приносимого со стоком реки, т. е. на тепловой сток. Так, тепловой сток Енисея на приустьевом участке после зарегулирования уменьшился вдвое [12]. Снижение теплового стока, изменение расходов рек при зарегулировании, особенно в период весеннего половодья, когда осуществляется заполнение водохранилищ, должно учитываться при оценке воздействия на экологические процессы (воспроизводство рыбных богатств, микроклимат долин рек и т.д.).

2.3.22. Прогнозирование термического режима водохранилищ, длины полыньи и заторных явлений в нижних бьефах производится в соответствии с Рекомендациями П 78-79/ВНИИГ, П 28-86/ВНИИГ, а также [13].

2.4. Гидрохимический режим водотока

2.4.1. 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.

2.4.2. 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.

2.4.3. 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.

2.4.4. 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 [14]. При коэффициенте водообмена больше 7-8 режим минерализации реки не отличается от режима минерализации водохранилища.

2.4.5. 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.

2.4.6. Процесс весеннего снего- и ледотаяния закладывает тот уровень минерализации, который сформируется в водоеме к весне будущего года (п. 2.4.1.). 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 (п. 2.3). 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.

2.4.7. 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 [15].

2.4.8. 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 [16].

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.

Данные о минерализации и химическом составе воды некоторых рек до зарегулирования и после него по отдельным створам приведены в Приложении 3 [17].

2.4.9. 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 [18].

2.4.10. 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.

2.4.11. 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. ВЛИЯНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ДРУГИЕ

АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

3.1. Местные климатические изменения

3.1.1. Создание гидроузлов с водохранилищами большого объема приводит к изменению термического режима воды по сравнению с естественными условиями как в верхних, так и в нижних бьефах ГЭС, что влечет за собой изменение теплового стока реки (см. п. 2.3) и составляющих теплового баланса воды с сушей, а следовательно, и значений метеорологических параметров и условий туманообразования. Изменение местного климата над акваторией водохранилища и прилегающих территорий суши происходит в связи с увеличением суммарной радиации и изменением радиационного баланса водоема, а также с большей теплоемкостью водной массы по сравнению с сушей. За основной фактор, определяющий интенсивность и зону влияния, принимается теплофизический контраст вода - суша.

3.1.2. Изменение местного климата под влиянием водохранилища наиболее заметно проявляется в колебаниях температуры и влажности воздуха, направления и скорости ветра, условий туманообразования.

В регионах расположения гидроузлов, как правило, происходит уменьшение континентальности климата, ход температуры воздуха становится более плавным.

В осенне-зимний период в районе г. Красноярска температура воздуха повысилась на 1 - 2 °С; средняя температура воздуха декабря - января в прибрежной зоне р. Енисея составила минус 14,3 °С, а на удалении от берегов - минус 19,0 °С. Амплитуда суточного хода температур в прибрежных районах была на 3 - 4 °С меньше, чем в удаленных частях г. Красноярска.

3.1.3. Температура воздуха под влиянием водохранилища ГЭС, как правило, понижается весной и в первую половину лета (охлаждающее влияние), повышается во вторую половину лета и осенью (отепляющее влияние). Время наступления, продолжительность, интенсивность охлаждающего и отепляющего периодов зависят от географического положения, размеров и глубины водохранилища. Так, на севере период охлаждающего влияния водохранилища длится с начала июня до начала августа, а на водохранилищах, расположенных в лесостепной и степной зонах, продолжается до пяти месяцев (апрель - август). На южных водохранилищах, где ледостава обычно не бывает, период охлаждающего влияния уменьшается до 3-х месяцев (апрель - июнь), в остальное время года они интенсивно нагревают воздушные массы, оказывая отепляющее влияние на прилегающие территории. Изменение суточной (внутри суток) температуры воздуха в зоне побережья шириной до одного километра от уреза воды может достигать 5-8°, средней месячной - 0,3 - 3,0 °С.

Сдвиг дат перехода средней суточной температуры воздуха через 0, 5, 10°С составляет 3-7 дней. Продолжительность безморозного периода за счет отепляющего влияния увеличивается до 10 дней.

3.1.4. Изменение абсолютной влажности воздуха, как и температуры воздуха, в значительной мере зависит от географического положения водохранилища. Значения абсолютной влажности на наветренном берегу могут быть на 1,4 - 5,0 мб больше, чем вне зоны влияния.

На севере, в зоне избыточного увлажнения, где из-за сильной заболоченности различия между сушей и водной поверхностью невелики, абсолютная влажность меняется меньше, чем на юге, в зоне недостаточного естественного увлажнения.

3.1.5. Максимальные изменения относительной влажности воздуха приходятся на весенне-летний период:

в зоне избыточного естественного увлажнения, в районе северных водохранилищ, влажность повышается на 4 - 6%;

в зоне недостаточного естественного увлажнения влажность увеличивается в среднем на 6 - 12%, хотя ее изменения в течение суток имеют сложный характер: ночью происходит уменьшение влажности, днем, наоборот, влажность повышается.

3.1.6. Количественным показателем потенциального влияния водохранилища на температуру воздуха служит разность между температурой поверхности воды и температурой воздуха на побережье, а на абсолютную влажность - разность между насыщающей влажностью при температуре поверхности воды и влажностью на побережье.

3.1.7. Направление ветра изменяется в зависимости от ориентации водохранилища, извилистости береговой линии, характера ландшафта, шероховатости подстилающей поверхности суши и особенностей местной циркуляции воздуха.

3.1.8. Скорость ветра над акваторией водохранилища почти не меняется (15 - 20%) в охлаждающий период, в отепляющий — возрастает на 50-100%.

Осенью на наветренном берегу водохранилища наблюдается увеличение в 2-3 раза повторяемости сильных ветров (более 15 м/сек) по сравнению с исходными ветровыми условиями.

Термические контрасты между сушей и водой на крупных водохранилищах приводят к возникновению местной циркуляции - бризов, они дополняют схему воздействия водохранилища на метеорологический режим. В сторону суши бризы могут проникать на расстояние 3 км и более, захватывая по высоте зону в 100 - 300 м.

Коэффициент усиления ветра по наблюденным данным метеостанции Береговая, расположенной на расстояние 400 м от уреза воды наиболее расширенного озеровидного участка Зейского водохранилища, составил 1,5 - 2,0 в осенне-зимний период; 1,4 — 1,6 весной и 1,5 - 1,9 летом. Усиление ветра весной и летом произошли из-за развития местной бризовой циркуляции, захватывающей довольно большие участки суши и водоема.

3.1.9. В холодное время года (главным образом, в конце осени и зимой) над полыньями нижнего бьефа и их наветренными берегами создаются условия для образования туманов испарения, а на побережье увеличивается вероятность образования гололеда и изморози. К таким условиям относятся:

типичное для антициклональной синоптической ситуации сильное выхолаживание воздуха над сушей или льдом, а затем - перемещение этого воздуха на открытую водную поверхность;

слабые ветры (менее 5-7 м/сек);

наличие приземной (на высоте не более 100 - 200 м) инверсии, т.е. повышение температуры воздуха по мере увеличения высоты;

достаточное начальное увлажнение воздуха (более 75%).

Данные об изменении основных метеоэлементов и среднего числа дней с туманом до и после создания Зейского водохранилища приведены в Приложении 4.

3.1.10. Влияние ГЭС на метеоэлементы в нижнем бьефе может распространяться в зависимости от рельефа местности и ветрового режима на несколько километров вглубь побережья.

Так, влияние Саяно-Шушенской ГЭС в нижнем бьефе угасает на расстоянии 700 - 800 м, Вилюйской ГЭС - на расстоянии 2 км от уреза воды.

По длине нижнего бьефа изменение климатических параметров по сравнению с естественными условиями уменьшается по мере удаления от ГЭС.

Характер береговых склонов и их крутизна определяют размеры зоны климатического влияния. Залесенные побережья водохранилища ограничивают его влияние на местный климат вследствие активной ретрансформации поступающих с водной поверхности масс воздуха.

В зоне горных водоемов изменение местного климата будет происходить как под влиянием изменения высоты местности, так и за счет трансформации воздуха при движении его над водохранилищем.

На участках, где горные хребты подходят непосредственно к урезу воды, влияние водохранилища на местный климат практически не прослеживается.

3.1.11. С созданием водохранилища происходят дополнительные затраты водных ресурсов на испарение, что приводит к некоторой интенсификации влагооборота. Диапазон значений слоя испарения с водной поверхности водохранилищ на территории России достигает 1400 мм (от 300 мм в зоне избыточного естественного увлажнения до 1700 мм в зоне недостаточного естественного увлажнения).

3.1.12. Прогнозная оценка изменений местного климата под влиянием гидротехнических сооружений может даваться на основе расчетов и по наблюдениям на объекте-аналоге (см. Рекомендации П 850-87/ Гидропроект).

3.1.13. Расчетный метод ГГО предназначается для определения средних за расчетный период и в отдельные сроки изменений температуры и абсолютной влажности воздуха над прилегающей к водоему территории и акваторией водохранилища, с учетом различной шероховатости подстилающих поверхностей [19].

Факторами, необходимыми для определения влияния водохранилищ на количественные характеристики метеоэлементов, являются: температура поверхности воды, площадь водного зеркала, глубина, объем, ширина водохранилища; физико-географические условия расположения; условия атмосферной циркуляции и связанные с ней погодные условия (пасмурная погода в значительной степени нивелирует контраст вода - суша), шероховатость подстилающей поверхности, режим эксплуатации водохранилища, а также степень освоения прилегающих территорий (наличие жилых массивов, промышленных объектов, сельскохозяйственных угодий).

Основой расчетного метода являются формулы М.П. Тимофеева, выражающие изменения температуры и влажности воздуха при переходе воздушного потока с водоема на сушу. Расчетный метод дает количественные характеристики изменения температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха, направления и скорости ветра. По их прогностическим значениям может даваться качественная оценка условий туманообразования (туман ожидается слабый, умеренный, сильный).

Количественная оценка тумано- и гололедообразования в районе проектируемого гидроузла выполняется с использованием двумерной гидростатической модели пограничного слоя атмосферы, формирующегося в квазистационарных условиях над неоднородной поверхностью. Модель построена с учетом фазовых переходов влаги и влияния сглаженного рельефа на структуру пограничного слоя. Расчеты проводятся на основе численного решения системы уравнений пограничного слоя атмосферы.

3.1.14. Метод географических аналогий представляет собой экстраполяцию результатов анализа изменения местного климата, полученных на действующих водохранилищах-аналогах, на зону возможного влияния проектируемого водохранилища.

Выбор и обоснование водохранилища-аналога производится по следующим основным критериям: небольшое взаимное удаление; общность климатической зоны, конфигурации, растительного покрова, морфометрии, площади мелководий и подтопленных земель; однородность ландшафта водосбора.

Трудность выбора водохранилища-аналога по всем критериям подобия, отсутствие количественных оценок тумано- и гололедообразования (высота, водность и граница распространения тумана), интенсивность гололеда и соответствующая ей высота, низкая оправдываемость прогноза изменения климата в условиях сложного пересеченного рельефа и вечной мерзлоты требуют новых методических подходов с применением математического аппарата (моделирования) и современной электронно-вычислительной техники, позволяющей использовать накопленный банк данных метеорологических наблюдений.

3.1.15. Организация наблюдений за изменением местного климата в районе расположения гидротехнических объектов необходима как для создания банка данных по водохранилищам-аналогам, так и с целью анализа гидрометеорологических процессов, обусловленных возведением и эксплуатацией гидросооружений, а также всего водохозяйственного комплекса. Такие наблюдения должны осуществляться в рамках системы мониторинга (наблюдения, сбор, анализ результатов наблюдений, создание автоматизированного банка данных), расположенных в различных физико-географических условиях страны.

Ведение мониторинга позволит повысить качество прогнозов изменения местного климата с последующей оценкой их оправданности.

3.1.16. Гидрометеорологические наблюдения производятся в течение всего периода изыскательских работ, проектирования и строительства водохранилища, а также в первые годы его эксплуатации.

Наблюдения должны охватывать будущую береговую полосу водохранилища и нижнего бьефа предполагаемой зоны влияния. Наиболее показательными для анализа и прогноза изменений метеоэлементов являются наблюдения у плотины, в средней и хвостовой частях водохранилища, а также в районе нижнего бьефа ГЭС (на удалении 1 км от плотины и в конце полыньи).

Для производства гидрометеорологических наблюдений организуются временные метеопосты. Один раз в месяц выполняются наблюдения на фиксированных микроклиматических разрезах с точками наблюдений на расстоянии 50, 100, 1000, 5000 и 10000 м от уреза воды в глубь суши.

3.1.17. Инструментальные наблюдения проводятся за температурой, влажностью воздуха, направлением и скоростью ветра, температурой поверхности воды; визуальные - за облачностью, осадками, туманами, гололедом [20].

Гидрометеорологические наблюдения используются для составления, корректировки и оценки оправдываемости прогноза изменения местного климата, совершенствования методики прогнозирования.

3.1.18. Изменения местного климата происходят на фоне глобальных изменений климата, которые могут усиливать или ослаблять, а возможно, и перекрывать влияние непосредственно водохранилища в зависимости от того, складываются или взаимно гасятся антропогенные и естественные воздействия.

3.1.19. Климатические изменения влекут за собой по принципу обратной связи изменения в значениях составляющих теплового баланса воды с воздухом, а следовательно, должны учитываться при составлении прогноза формирования температурного и ледового режимов бьефов ГЭС, а также длины зоны ее термического влияния.

3.2. Изменения состава атмосферного воздуха