В структуре энергетического обеспечения России на долю ГЭС приходится 22 %. В Сибири созданы каскады ГЭС: Иркутская, Братская, Усть-Илимская, Богучанская на Ангаре и Саяно-Шушенская, Майнская, Красноярская – на Енисее. При этом уровень освоения экономически эффективных гидроэнергоресурсов составляет всего 26 %. Планируется использовать гидроэнергетический потенциал республики Тыва: Тувинская, Шивелигская, Шуйская, Буренская ГЭС на реках Большой и Малый Енисей [5].
Водохранилища для работы ГЭС в Сибири создавались в пределах водосборов рек, расположенных на покрытых лесом территориях. Поэтому, несмотря на разнообразие природно-климатических и морфологических условий формирования лож водохранилищ, их объединяет одна проблема – затопление лесных массивов и процесс образования запасов плавающей древесины на акваториях водохранилищ, которая не только влияет на качество воды и экосистему, но и представляет опасность для судоходства и ГЭС [3].
Цель исследования – определение объемов древесной массы, поступающей при размыве берегов водохранилищ ГЭС в процессе их заполнения и эксплуатации, для разработки научно обоснованных управленческих решений по исключению негативного воздействия.
Материалы и методы исследования
Аналитический обзор ранее выполненных исследований, проведенных сотрудниками кафедры использования водных ресурсов СибГТУ.
Результаты исследования и их обсуждение
При создании водохранилища на выполнение работ по подготовке ложа под затопление (влияющих в дальнейшем на качество воды и водопользование), а также компенсационные и природоохранные мероприятия требуются значительные финансовые затраты. Поскольку главным объектом является строительство ГЭС, то лесоочистке лож водохранилищ не уделяется должного внимания. Поэтому в разные годы затоплялось без лесоочистки от 35 до 67 % покрытых лесом площадей [3]. К настоящему времени только водохранилищами ГЭС Сибири затоплено более 695 тыс. га лесных земель (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика водохранилищ ГЭС Ангаро-Енисейского бассейна
|
Показатель |
Водохранилище |
Всего |
||||||
|
Иркутское |
Братское |
Красноярское |
Усть-Илимское |
Саяно-Шушенское |
Майнское |
Богучанское |
||
|
Год заполнения водохранилища |
1959 |
1967 |
1970 |
1977 |
1990 |
1984 |
2015 |
– |
|
Полный объем водохранилища, км3 |
48,6 |
169,3 |
73,3 |
59,4 |
31,3 |
0,1 |
58,2 |
440,2 |
|
Величина колебания уровней, м |
1 |
10 |
20 |
2 |
40 |
5 |
1 |
– |
|
Площадь зеркала, км2 |
32965 |
5470 |
2100 |
1833 |
621 |
11 |
2326 |
45326 |
|
Площадь затопления, тыс. га в том числе покрытая лесом |
138,6 45,3 |
510,5 326,9 |
175,0 38,0 |
154,0 127,8 |
54,6 48,9 |
0,5 0,2 |
153,1 108,4 |
1186,3 695,5 |
|
Длина береговой линии, км |
2200 |
6036 |
1560 |
2500 |
1364 |
47 |
2430 |
16137 |
Берега водохранилищ находятся под воздействием ветровых волн, вдольбереговых течений, колебания уровня воды, воздействия ледового поля.
Разрушение берегов ведет к отступлению береговой линии и формированию нового берегового профиля с плоским откосом. Особенно сильно деформируются участки там, где берега сложены лессовыми грунтами. Переработка берегов наиболее интенсивно происходит в первые годы эксплуатации, а затем постепенно затухает. Период активной переработки берега занимает обычно от 5 до 10 лет, а для стабилизации берега требуется до 20–30 лет [7]. Так, на водохранилищах Ангары, строительство которых было в основном завершено в 1959–1977 годах, продолжает активно формироваться береговая линия, интенсивно развиваются абразивные процессы, эрозионные и другие негативные геологические явления. Эти процессы не только не затухают, а, наоборот, увеличиваются как по размерам, так и по темпам развития [2]. Интенсивность развития абразионных процессов на водохранилищах и в настоящее время также продолжает оставаться достаточно высокой.
Протяженность абразионных берегов на некоторых водохранилищах достигает 50–70 % от общей длины (на Иркутском водохранилище составляет 38 %, Братском – 41 %, Усть-Илимском – 25 %, Красноярском – 71 %), а скорость отступления бровки берега составляет десятки и сотни метров в год [3].
Водохранилище Богучанской ГЭС располагается в бассейне нижнего течения Ангары, в основном на территории Кежемского района Красноярского края и частично, около 16 % по площади зеркала, на территории Усть-Илимского района Иркутской области. Берега водохранилища на большом протяжении сложены скальными и полускальными породами, поэтому переработка берегов будет незначительной. Максимальная ширина зоны переработки может иметь место в основном на участках, сложенных рыхлыми породами, и достигать в конечную стадию этого процесса около 300 м. Абразионные берега по протяженности распространяются на 766 км, что составляет 31,5 % от периметра береговой линии [1]. На рисунке представлены некоторые результаты обработки материалов [1] по прогнозу размыва берегов в пяти створах Богучанского водохранилища.
Интенсивность переформирования берегов водохранилищ зависит от многих факторов: уровенного режима водохранилища, ветро-волновых условий, геологического строения береговых склонов и ложа водохранилища, морфологических особенностей, гидрологических процессов, степени залесенности береговой полосы водохранилищ.
Прогноз размыва берегов водохранилища Богучанской ГЭС
В литературе, рассматривающей проблему размыва берегов водохранилищ, основное внимание уделено процессу размыва берегов, сложенных из определенных типов грунта, т.е. только лишь с геологической точки зрения; не связывается размыв берегов с характером лесонасаждений на этих участках, препятствующих размыву. Но при этом, в результате размыва берегов, вместе с обвалами грунтов и выпадением их в ложе водохранилища, происходит отпад древесины с берегов водохранилищ. Поэтому, рассматривая динамические процессы на водохранилищах, необходимо связывать между собой размыв берегов с объемами древесной массы, поступающей на акваторию водохранилищ.
Исходными данными для определения объемов поступления древесной массы на акваторию водохранилища в результате размыва берегов являются:
– карты инженерно-геологического районирования берегов водохранилища, прогнозирующие (или позволяющие спрогнозировать) ширину размыва на 10-, 25-летнюю и т.д. стадию и построенные с учетом энергии ветрового волнения для каждого расчетного участка, уровенного режима водохранилища, геолого-морфологического строения береговых склонов и физико-механических свойств отложений, слагающих берега, их размываемости;
– карты-схемы размещения лесных кварталов, примыкающих к береговой линии водохранилища;
– таксационные описания лесных кварталов, примыкающих к береговой линии.
Совмещая эти карты, определяют границы размыва лесных кварталов.
Метод определения объемов поступления древесной массы на акваторию водохранилища в результате размыва его берегов, примененный для Богучанского водохранилища в работе [6], заключается в следующем. В начале определяются границы участков однотипного грунта и их протяженности по береговой линии, используя карту берегов водохранилища, каждому участку присваивается порядковый номер. Полученные данные заносят в графы 1 и 2 расчетной таблицы.
В графу 3 вносятся значения среднегодового отступления береговой кромки на данном участке, взятые по материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических постов на действующих водохранилищах, а при их отсутствии – используют данные по водохранилищу-аналогу или прогнозные.
В графу 4 записывается площадь размыва – результат перемножения длины береговой полосы участка (графа 2) на величину отступления береговой кромки (графа 3).
В графе 5 проставляется номер лесных кварталов, расположенных в границах расчетного участка, выделенного на геологической карте. Номера кварталов выписываются с карты-схемы размещения лесных кварталов вдоль побережья водохранилища, при совмещении ее с геологической картой.
В графы 6–9 выписываются таксационные показатели этих кварталов, по которым определяют средние запасы древесины на гектар общей площади (путем деления соответствующих запасов на общую площадь), и данные вносятся в графы 10–12.
Перемножением средних запасов на гектаре различных видов древесины (графы 10–12) на площадь размыва (графа 4) получаем объем поступления древесной массы в водохранилище с расчетного участка и записываем в графы 13–15, а их сумму – в графу 16. Повторяя расчеты для всех участков, в итоге получим объем древесной массы, поступающей в водохранилище от размыва берегов.
Таблица 2
Прогноз объемов древесины, поступающей на акваторию водохранилища Богучанской ГЭС от размыва его берегов
|
№ п/п |
Геометрия размыва берегов водохранилища |
Таксационная характеристика кварталов, примыкающих к береговой линии водохранилища |
Средний запас на 1 га общей площади, м3/га |
Расчетные объемы древесины, поступающей на акваторию водохранилища, м3 |
|||||||||||
|
длина, м |
ширина, м |
площадь, га |
номер квартала |
запас, м3 |
общая площадь, га |
растущего леса |
сухостоя |
валежника |
растущего леса |
сухостоя |
валежника |
суммарный |
|||
|
растущего леса |
сухостоя |
валежника |
|||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
|
Красноярский край, Кодинский лесхоз, Кодинское лесничество (правый берег р. Ангара) |
|||||||||||||||
|
1. |
1300 |
берег отсыпан камнем |
232 |
177840 |
5810 |
2450 |
976 |
182,2 |
6,0 |
2,5 |
– |
– |
– |
0,0 |
|
|
2. |
2100 |
233 |
154280 |
570 |
4310 |
842 |
183,2 |
0,7 |
5,1 |
– |
– |
– |
0,0 |
||
|
3. |
2100 |
1,7 |
0,357 |
234 |
203950 |
3210 |
940 |
914 |
223,1 |
3,5 |
1,0 |
79,6 |
1,2 |
0,4 |
81,2 |
|
4. |
7700 |
6,0 |
4,620 |
263 |
145330 |
5310 |
3880 |
583 |
249,3 |
9,1 |
6,7 |
1151,8 |
42,0 |
31,0 |
1224,8 |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
15. |
6000 |
8,7 |
5,220 |
353 |
195570 |
– |
– |
650 |
300,9 |
– |
– |
1570,7 |
– |
– |
1570,7 |
|
16. |
7600 |
6,2 |
4,712 |
363 |
298950 |
– |
– |
1114 |
268,4 |
– |
– |
1264,7 |
– |
– |
1264,7 |
|
17. |
8000 |
6,2 |
4,960 |
365 |
427950 |
– |
– |
1328 |
322,3 |
– |
– |
1598,6 |
– |
– |
1598,6 |
|
Σ |
100600 |
36,269 |
9760,3 |
163,0 |
256,6 |
10179,9 |
|||||||||
|
Кодинский лесхоз, Проспихинское лесничество (левый берег р. Ангара) |
|||||||||||||||
|
1. |
12500 |
1,7 |
2,125 |
3 |
64890 |
880 |
8940 |
299 |
217,0 |
2,9 |
29,9 |
461,1 |
6,2 |
63,5 |
530,8 |
|
2. |
400 |
1,7 |
0,068 |
7 |
153530 |
6180 |
30380 |
807 |
190,2 |
7,7 |
37,6 |
12,9 |
0,5 |
2,6 |
16,0 |
|
3. |
2500 |
2,5 |
0,625 |
266 |
118910 |
5670 |
15180 |
462 |
257,4 |
12,3 |
32,9 |
160,9 |
7,7 |
20,6 |
189,2 |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
Итого |
1243440 |
744,742 |
148195,7 |
2360,1 |
4663,6 |
155219,4 |
|||||||||
|
Иркутская область, Кеульское лесничество, бассейн р. Едарма (левый берег р. Ангара) |
|||||||||||||||
|
1. |
1600 |
2,3 |
0,368 |
1 |
141660 |
3520 |
2010 |
857 |
165,3 |
4,1 |
2,3 |
60,8 |
1,5 |
0,8 |
63,1 |
|
2. |
3600 |
2,3 |
0,828 |
6 |
241110 |
3750 |
3660 |
1288 |
187,2 |
2,9 |
2,8 |
155,0 |
2,4 |
2,3 |
159,7 |
|
Σ |
5200 |
1,196 |
215,8 |
3,9 |
3,1 |
222,8 |
|||||||||
|
Катинский КЛПХ, Катинское и Зелединское (Сосновская дача) лесничества (правый берег р. Ангара) |
|||||||||||||||
|
1. |
2200 |
3,7 |
0,814 |
254 |
152290 |
– |
– |
825 |
184,6 |
– |
– |
150,3 |
– |
– |
150,3 |
|
2. |
4550 |
3,7 |
1,684 |
257 |
323130 |
– |
– |
1640 |
197,0 |
– |
– |
331,7 |
– |
– |
331,7 |
|
3. |
4400 |
3,7 |
1,628 |
98 |
155300 |
11090 |
11240 |
733 |
211,9 |
15,1 |
15,3 |
345,0 |
24,6 |
24,9 |
394,5 |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
Итого |
330410 |
86,747 |
18202,6 |
626,7 |
704,9 |
19534,2 |
|||||||||
|
Всего |
1573850 |
831,489 |
|||||||||||||
В качестве примера в табл. 2 представлен фрагмент расчета прогнозных объемов поступления древесины с размываемых берегов водохранилища Богучанской ГЭС при отметке нормального подпорного уровня 208,0 м БС по материалам отчета [6].
Аналогичным образом, зная величину размыва, можно определить количество поступающих в водохранилище других загрязняющих веществ с размываемых берегов: гумус, лесная подстилка и т.п.
Выводы
1. Интенсивность переформирования берегов водохранилищ и поступление древесной массы на акваторию зависит от многих факторов (геологическое строение, морфология, энергия волнового воздействия и т.д.). Среднегодовое поступление древесной массы с размываемых берегов Богучанского водохранилища составит около 175 тыс. м3 в год.
2. Предлагаемый метод определения объемов поступления древесной массы с размываемых берегов водохранилищ может быть использован для водохранилищ, построенных на лесопокрытых территориях.
3. Для защиты интенсивно размываемых берегов водохранилищ необходимо использовать плавучие волногасители простых конструкций из древесины, собранной с акватории водохранилища [4].
Рецензенты:
Рогов В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВО СибГТУ, г. Красноярск;
Шевелев С.Л., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой лесной таксации, лесоустройства и геодезии, ФГБОУ ВО СибГТУ, г. Красноярск.