2.7.1 Опыт эксплуатации Новосибирского водохранилища

В «Сибирском экологическом журнале, № 2 (2003) 171-179 представлены данные Института водных и экологических проблем СО РАН, ФГУ ВерхнеОбърегионводхоз по формированию гидролого-гидрохимического режима верхней Оби на участке Новосибирского водохранилища, в условиях изменения природно-техногенной ситуации.

Проведен анализ формирования качества воды в крупной природно-техногенной системе на примере изменений гидролого-гидрохимического режима Новосибирского водохранилища и его нижнего бьефа. Исследован характер многолетней и сезонной динамики водности притока и сбросов, зависимости коэффициента водообмена от водности отдельных сезонов и года в целом, динамики приоритетных химических показателей качества воды по акватории водохранилища и во временном аспекте. Показано, что Новосибирское водохранилище, несмотря на малую регулирующую способность, существенно улучшило вводно-ресурсную ситуацию в зоне его влияния, особенно в нижнем бьефе, и играет позитивную роль в формировании показателей качества воды.

Многолетние изменения гидролого-гидрохимического режима Новосибирского водохранилища – самого крупного искусственного водоема на юге Западной Сибири – и его нижнего бьефа могут явиться примером формирования качества воды в крупной природно-техногенной системе. Анализу и оценке этих изменений посвящена данная работа.

Полезный объем Новосибирского водохранилища позволяет осуществлять лишь неглубокое сезонное регулирование стока, а основную роль в процессе наполнения и поддержания уровня на проектных отметках играют характер и время поступления волн половодья и паводков. Примером этого могут быть 1997 г., максимальным по продолжительности периода весенне-летнего наполнения, и 1999 г. – по возможности пополнения водохранилища за счет летне-осеннего дождевого паводка.

Среднемноголетний приток 43-летнего периода эксплуатации (1959-2001 гг.) – 50,7 км³при его колебаниях от минимального в маловодном 1974 г. – 37,0 км³, до максимального в многоводном 1969 г. – 73,9 км^3.. Объем годового притока 2001 г. (57,2 км³) на 6,5 км³выше среднемноголетнего, годовой приток 2000 г. (49,6 км³) достаточно близко к среднему, а приток 1999 г. (48,8 км³) на 1,9 км³ниже нормы. Годовой сброс многоводного 2001 г. – 55,1 км³, средне-водного 2000 г. – 47,0 км³, маловодного 1999 г. – 45,2 км³, при среднемноголетней величине сброса 49,6 км³и ее изменениях от 73,5 км³в 1969 г. до 36,7 км³в 1974 г.

Таблица 2.12 - Годовая и сезонная ведомость притока и сбросов Новосибирского водохранилища в 1996-2001 и экстремальных годах

Год	Водность
	годовая	весны	лета	осени	зимы
	Приток
2001	1,13	1,24	1,06	0,99	0,99
Окончание таблицы 2.12
2000	0,98	0,98	1,06	0,89	1,00
1999	0,97	0,87	0,95	1,34	0,83
1998	0,80	0,79	0,89	0,70	0,79
1997	0,88	0,94	0,80	0,80	1,14
1996	0,94	0,80	1,06	1,14	1,09
1974	0,73	0,78	0,52	0,81	0,94
1981	0,73	0,77	0,59	0,79	0,92
1982	0,75	0,79	0,64	0,80	0,71
1966	1,32	1,71	1,06	0,64	1,03
1969	1,46	1,63	1,31	1,40	0,81
Сброс
2001	1,11	1,28	1,00	0,88	0,99
2000	0,95	0,94	0,98	0,81	1,17
1999	0,91	0,82	0,86	1,19	0,85
1998	0,75	0,67	0,84	0,73	0,86
1997	0,91	0,95	0,68	0,87	1,22
1996	0,91	0,75	1,01	1,06	1,05
1974	0,74	0,76	0,60	0,77	0,83
1981	0,75	0,69	0,61	0,95	0,90
1982	0,74	0,71	0,64	0,88	0,87
1966	1,41	1,69	1,54	0,84	1,13
1969	1,48	1,78	1,31	1,39	0,84

Из 43 лет эксплуатации водохранилища 22 года были в той или иной степени маловодными, 14 лет – многоводными, остальные годы близки к средневодным.

Анализ сработки уровня ниже УМО за весь период эксплуатации показывает, что она не исключение и наблюдалась в 29 годах из 43. Однако прежде сработка ниже УМО составляла 2-5, максимально 15 см и наблюдалась не ежегодно. В последнее время, особенно в 90-е гг., сработка ниже УМО отмечалась ежегодно, величина ее значительно увеличилась.

По классификации Новосибирское водохранилище относится к водоемам с большим водообменном. Годовой коэффициент водообмена Новосибирского водохранилища за 43 – летний период (1959-2001) 6,64 и изменялся в зависимости от водности года от 4,76 (в экстремально маловодном 1974 г.) и 5,26 (в маловодном 1982 г.) до 9,58 (в самом многоводном за период 1969 г.).

Характер среднемесячной и сезонной динамики коэффициентов водообмена достаточно однообразен по годам, но существенно отличается по величинам и еще в большей степени, чем годовые коэффициенты, зависит от притока и сбросов. Наибольшие коэффициенты водообмена наблюдается в весенний период. В среднем за период 1959-2001 гг. коэффициент весеннего сезона равен 3,13.

В последние годы наблюдается понижение водности весеннего периода, что подтверждает и анализ коэффициентов водообмена. Весенний коэффициент водообмена за период 1959-1973 гг. – 3,5 за весь период эксплуатации 1959-2001 гг. – 3,13, а за маловодную фазу 1974-2001 гг. - 2,92.

Существенно снизились коэффициенты водообмена в мае, в меньшей степени – в июле. Это может явиться причиной накопления в водохранилище химических, в частности биогенных, веществ за счет недостаточной естественной весенней промывки водоема, а так же развития процессов эвтрофирования в озерной части, которое отмечалось в маловодье 1980-1982 гг.

Коэффициенты водообмена летнего сезонного 2001 г. – 1,32 2000 г. – 1,29 близки к среднему – 1,30, а коэффициенты водообмена в 1999 г. (1,12) и 1998 г. (1,12) много ниже среднего за счет пониженных среднемесячных коэффициентов этих лет. Анализируя летние сезонные и месячные коэффициенты водообмена, можно отметить некоторую слабую тенденцию уменьшения коэффициентов летнего сезона, особенно июля.

Самые низкие коэффициенты водообмена наблюдаются в зимний период. Коэффициент водообмена зимнего сезона 2001 г. (1,02) близок к среднему.

Из трех маловодных лет (1996-1998) в 1997 г. зимний коэффициент водообмена наиболее высокий – 1,23, выше среднего (1,04) и коэффициентов 2001 и 2000 гг. особенно низкий за последние годы коэффициент водообмена в зимний период наблюдался в 1999 г. - 0,99.

Формирование качества воды в водохранилищах является сложным и многогранным процессом, зависящим от комплекса гидрологических, гидрометеорологических, гидробиологических, геоморфологических и антропогенных факторов. Качество воды связано с условиями ложа водохранилищ и прилегающими ландшафтами водосборного бассейна. Многим водохранилищам Сибири свойственно ухудшение качества воды из-за плохой подготовки ложа, замедленного водообмена и снижения процессов самоочищения вследствие сброса в них неочищенных вод, прогрессирующего загрязнения акватории и водосборной территории, а так же пониженных температур воды в весенний и осенне-зимний период. Усиливающийся хозяйственный пресс и рекреационное освоение побережий в совокупности с хроническим отставанием водохозяйственных мероприятий неуклонно ухудшает гидрохимический режим вод в водохранилищах.

Минимальный состав воды в Новосибирском водохранилище за весь период его существования не претерпел значительных изменений. Преобладающим катионом в воде является ион кальция, анионом – гидрокарбонат ион, общая минерализация не превышает 0,2 г/дм³. Основными загрязняющими водохранилище веществами являются фенолы, нефтепродукты, соединения, содержащие ионы аммония, легко-окисляемые органические вещества (характеризуемые величины БПК); реже - нитриты; в отдельных случаях – соединения тяжелых металлов.

В настоящее время в результате естественных и антропогенных процессов эвтрофикации Новосибирское водохранилище находится в мезотрофной стадии. С гидрохимической точки зрения это проявляется в повышенном содержании биогенных элементов, обуславливающих вспышки численности сине-зеленых водорослей и «цветение» воды на обширных участках акватории водоема, а также снижение видового разнообразия гидробионтов всех уровней.

В целом, изменение концентраций изученных показателей гидрохимического стока р. Оби на участке Новосибирского водохранилища характеризуется относительной стабильностью в пространственном (по акватории) и во временном аспектах. Этот вывод подтверждается как результатами длительных наблюдений за основными гидрохимическими характеристиками качества воды водохранилищах, так и данными последних лет. Для нитритов и аммонийных соединений следует отметить уменьшение концентрации по мере движения от входного створа к плотине, что может свидетельствовать о процессах самоочищения в водоеме. Более сложная ситуация наблюдается для органических веществ. Не происходит уменьшения значений БПК₅ содержания фенолов и нефтепродуктов при движении к плотине.

Обращает на себя внимание резкий всплеск концентраций фенолов и нефтепродуктов в нижней части водохранилища 2000 г. Следует отметить также отдельные случаи, когда были зафиксированы повышенные концентрации исследуемых химических веществ: значений БПК₅– до 6,28 мгО/л в районе г. Камень-на-Оби, до 6,63 мгО/л в Бердском заливе в зимнюю межень 2001 г.; аммонийных соединений – до 1,24 мгN/л в районе г. Камень-на-Оби в весеннее половодье 1999 г. и до 2,15 мгN/л в Бердском заливе в зимнюю межень 2001 г.; для нефтепродуктов – самые высокие значения 1,67 мг/л наблюдались зимой 2001 г. в нижнем бьефе; для фенолов – до 0,006-0,008 мг/л в Бердском заливе и нижнем бьефе в зимнюю и осеннюю межень 2001 г. Это может быть связано как с маловодьем в отдельные гидрологические периоды, так и с залповыми антропогенными поступлениями этих веществ в водохранилище.

Новосибирское водохранилище, несмотря на малую регулирующую способность, существенно улучшило вводно-ресурсную ситуацию в зоне его влияния, особенно в нижнем бьефе. Анализ динамики концентраций приоритетных загрязняющих веществ, поступающих в водохранилище с речным стоком и от абразии берегов, позволяет установить позитивную роль водохранилища в изменении показателей качества воды.

В целом по результатам гидрологических, гидрохимических, а так же гидробиологических исследований воды Новосибирского водохранилища можно характеризовать как умеренно-загрязненные. В водохранилище активно протекают процессы самоочищения. Поэтому особую актуальность приобретают мероприятия по организации водоохранных зон, поддержания их в надлежащем состоянии, что ограничит поступление в водохранилище загрязняющих веществ с его собственного водосбора. Улучшение экологической ситуации связано так же с защитой берегов от ветроволновой абразии.

По заказу ФГУ ВерхнеОбърегионводхоз (договор № 6/2001) Институтом водных и экологических проблем (сибирское отделение) выполнена научно-исследовательская работа по теме «Обобщение и анализ результатов изучения динамики берегов внутренних водоемов и работ по их защите (в приложении к Новосибирскому водохранилищу)».

Изучение рельефообразующих процессов в береговой зоне водохранилищ было начато в тридцатых годах Ф.П. Саваренским. Опираясь на результаты первых наблюдений на искусственных водоемах, образовавшихся при перекрытии рек плотинами, он был склонен рассматривать береговые процессы на водохранилищах как аналог русловых; для различения этих процессов он лишь обозначил явления разрушения берегов водохранилищ термином “переработка”. Предложения Ф.П. Саваренского были поддержаны Б.В. Поляковым и В.А. Ширямовым.

рис. 2.2 – Берегопереработка на Новосибирском водохранилище

Немногим позднее исследования С.Л. Вендорова на Цимлянском водохранилище и Е.Г. Качугина на водохранилищах канала Москва-Волга показали ошибочность гипотезы Ф.П. Саваренского. Они впервые высказали мысль о том, что в развитии берегов искусственных водоемов заметную роль играют процессы волновой природы. Причем, С.Л. Вендоров подметил, что условия развития волнения на водохранилищах изменяются в направлении простирания водоема от зоны выклинивания подпора к плотине гидроузла, становясь наиболее благоприятными в глубоководных районах акватории. Это позволило ему сформулировать гипотезу о зональности гидрологических процессов на водохранилищах, позднее подтвержденную работами Н.В. Буторина и Ю.М. Матарзина с соавторами. В результате, ими были созданы объективные предпосылки для создания того, что среда рельефообразования и осадконакопления котловин водохранилищ существенно неоднородна.

Последующие исследования внутриводоемных процессов принесли важные для понимания закономерностей формирования берегов искусственных водоемов результаты. Были вскрыты основные закономерности уровенного режима водохранилищ, обстоятельно изучены особенности их водообмена, начато изучение ветрового волнения на акватории искусственных водоемов.

В конце 50-х – вначале 60-х годов внимание исследователей стало сосредоточиваться, главным образом, на инженерно-геологических и/или гидрологических аспектах проблемы формирования берегов водохранилищ. Особенно тщательно изучались механизмы развития подпора грунтовых вод при первоначальном наполнении искусственных водоемов и периодических колебаниях уровня воды в период их эксплуатации, изменение прочностных свойств горных пород при обводнении склонов, оползневые, обвально-осыпные, карстовые процессы.

Рис. 2.3 – Эрозионные процессы береговой части Новосибирского водохранилища

Разрушение берегов водохранилищ входит в “десятку” наиболее опасных природных явлений. Поэтому одной из целей изучения береговых процессов на искусственных водоемах стала разработка методов оценки скорости и возможных масштабов размыва берегов.

рис. 2.4 - Эрозионные процессы

Вполне естественно, что недостаток знаний о природе и механизмах береговых процессов на водохранилищах затрудняет поиск эффективных решений при освоении береговой зоны искусственных водоемов. Особенно часто подобные затруднения возникают в связи с обоснованием, разработкой или осуществлением мероприятий по защите берегов от размыва, поскольку развитие социально-экономической инфраструктуры побережий требует минимизации риска от опасных природных явлений. Наиболее, пожалуй, ярким примером неудачного решения проблемы, стала предлагавшаяся в середине 70-х годов концепция инженерной защиты берегов Новосибирского водохранилища. Разработанные ее авторами решения оказались рентабельными менее чем на 5% периметра разрушаемых берегов водоема и, как показал опыт эксплуатации сооружений-прототипов, имели низкую надежность. Поэтому концепция была отвергнута и в этой связи возникла необходимость в разработке новых конструктивных решений, основанных на более глубоком знании закономерностей развития берегов искусственных водоемов.

Рис. 2.5 – Крепление берега каменной наброской на Новосибирском водохранилище

Новосибирское водохранилище было создано в 1957 -1959 годах в результате частичного затопления долины р. Обь после ее перекрытия в створе с координатами 55^ос.ш. и 83^ов.д. Водоем простирается в генеральном направлении с юго-запада на северо-восток от г. Камень-на-Оби до г. Новосибирска. Он имеет линейно-вытянутую, простую в плане форму и следующие основные морфометрические характеристики: протяженность, соответствующая от г. Камня-на-Оби до плотины Новосибирского гидроузла по равноудаленной от берегов линии – 220 км; полный объем – 8,8 км³; полезный объем – 4,4км³; минимальная, средняя и максимальная ширина при объеме 8,8 км³– 2, 10 и 22 км соответственно; средняя и максимальная глубина – 9 и 25 метров соответственно; площадь акватории при объеме 8,8 км³– 1070 км²; площадь акватории при объеме 4,4 км³– 760 км²; общая протяженность береговой линии – 550 км.

Новосибирское водохранилище создано в результате затопления классически построенной долины реки и имеет сравнительно простые плановые очертания. Берега водоема сложены горными породами разных классов – II, III и V – по устойчивости к абразии, хотя в целом преобладают породы V класса. Кроме того, оно расположено вне каскада ГЭС, что исключает зависимость его гидрологического режима от возмущений, эпизодически возникающих в пределах каскада из-за неравномерности работы смежных станций. Все это позволяет изучать обстановки рельефообразования и осадконакопления в котловине и береговой зоне искусственного водоема в наиболее “чистом” виде.

Ветровое волнение является одним из наиболее значимых факторов в развитии берегов крупных водохранилищ. Как и на морях или на озерах, параметры волн на водохранилищах в первую очередь зависят от скорости ветра, продолжительности его действия, длины разгона волн, изменения глубины дна по разгону и, следовательно, от особенностей морфологии и плановых очертаний котловины конкретного водоема. Однако между естественными и искусственными водоемами есть одно заметное различие – в последнем случае условия развития ветрового волнения на водохранилищах существенно зависят от режима периодических колебаний уровня воды, которые приводят к изменению глубин водоема и характерной длины разгона волн.

Другой особенностью водохранилищ является изменчивость условий развития ветрового волнения на акватории водоема.

На Новосибирском водохранилище по силе и по направлению преобладают южные, юго-юго-западные и юго-западные ветры, направление которых близко совпадает с направлением простирания водоема. По данным наблюдений, продолжительность действия штормов на водохранилище колеблется от 0,5 до 24 часов и более. Скорость ветра во время штормов достигает 40 м/с.

В соответствии с естественным распределением абсолютных высот в затопленной долине Оби средняя глубина Новосибирского водохранилища в направлении от г. Камень-на-Оби к плотине гидроузла увеличивается с 2 - 3 метров до 12 - 15 метров. Хотя и неравномерно, но его ширина также увеличивается в том же направлении. При этом многократно сокращается площадь акватории, занятая островами и находящаяся в их тени. Соответственно изменяются и длина разгона волн всех направлений и глубины дна вдоль разгона. Поэтому условия развития ветрового волнения на водохранилище в безледоставный период существенно различны в его верхней, средней и приплотинной частях.

В верхней мелководной и изобилующей островами части Новосибирского водохранилища, протяженностью около 60 - 65 км, высота ветровых волн даже во время сильных штормов обычно не превышает 0,5 - 0,7 метра. Вне ее характерные высоты волн быстро возрастают, достигая в приплотинной зоне 3 - 3,5 метра. По наблюдениям, в этой области в безледоставный период года средняя повторяемость волн с высотой до одного метра составляет приблизительно 88% (продолжительность около 74 суток); волн с высотой 1 - 2 метра – свыше 10% (продолжительность 9 суток); волн с высотой 2 - 3 метра – менее 1% (продолжительность около 0,8 суток); и волн с высотой более 3 метров – 0,07% (продолжительность 0,06 суток). Наименьшее число дней с волнением имеет место в весенне-летний период, а осенью повторяемость и сила штормов возрастают. Аналогичные черты имеет волновой режим искусственных водоемов вообще.

Создание крупных водохранилищ преобразует гидрологический режим реки. Локальное изменение режима колебаний уровня воды в пределах зоны затопления является одним из важнейших последствий этих преобразований.

Как и на естественных водоемах, на водохранилищах колебания уровня воды отражают изменения объема их водных масс в результате изменения во времени соотношения приходных и расходных составляющих водного баланса. Наряду с колебаниями уровня, зависящими от изменения объема водной массы, на водохранилищах также наблюдаются и не связанные с ними колебания уровня воды. В их числе колебания, обусловленные сгонно-нагонными явлениями, резкими изменениями атмосферного давления и рядом антропогенных факторов (неравномерной работой гидроузлов, водозаборов и т.д.).

По характеру регулирования стока образующей водоем реки обычно различают водохранилища многолетнего, сезонного, а также месячного, недельного и суточного регулирования. Многолетнее регулирование преследует цель задержания стока в многоводные годы для использования в годы с недостаточным увлажнением. Сезонное же регулирование направленно на аккумуляцию в водохранилищах стока многоводных сезонов года для использования его в маловодные сезоны. Очевидно, что эти два типа регулирования способствуют нивелированию естественной неравномерности стока. Месячное, недельное и суточное регулирование речного стока чаще всего осуществляется гидроузлами энергетического назначения. Оно обусловлено преимущественно техническими причинами и, напротив, обычно увеличивает неравномерность расходов воды по сравнению с бытовыми.

Для обеспечения многолетнего регулирования в обычной природной обстановке достаточен полезный объем водоемов в 20 - 50% годового стока, для сезонного регулирования – в 8 - 20% и менее 8% - для иных видов регулирования.