О прогнозировании качества воды на этапе проектирования водохранилища

Современный технический прогресс накладывает серьезный отпечаток на состояние окружающей среды. Это относится как к атмосфере, почве, так и к водным ресурсам. Любое вмешательство со стороны человека в природные процессы влечет за собой необратимые изменения, которые могут иметь как положительные, так и отрицательные влияния, выраженные в негативных последствиях эксплуатации водных объектов, нерациональном использовании водных ресурсов и др. Применение методов и технологий прогнозирования таких последствий является важным этапом при проектировании водохранилища.

Обозначенные выше проблемы, связанные со строительством и эксплуатацией водохранилищ, требуют внимательного анализа и принятия решений для устранения отрицательных воздействий на окружающую природную среду, которые могут проявиться через многие годы после завершения строительства водохранилищ. Дать буквальный экологический прогноз воздействия водохранилищ на окружающую природную среду сегодня невозможно. Экологическое прогнозирование по существу еще не имеет достаточно разработанной теории. Не существует примеров четких методических рекомендаций прогнозирования, которые могли бы быть использованы как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации водохранилищ [1].

Актуальность исследования данной темы подтверждается принятым Постановлением Правительства РФ от 19 апреля 2012 г. №350 (ред. от 30 декабря 2012 г.) «О федеральной целевой программе "Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–2020 гг."». Задачами данного постановления являются в частности:

• -    ликвидация локальных дефицитов водных ресурсов в вододефицитных регионах Российской Федерации;

• -    повышение рациональности использования водных ресурсов;

• -    сокращение негативного антропогенного воздействия на водные объекты;

• -    восстановление и экологическая реабилитация водных объектов;

• -    повышение эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений (в том числе бесхозяйных) путем их приведения к безопасному техническому состоянию;

• -    обеспечение защищенности населения и объектов экономики от негативного воздействия вод сооружениями инженерной защиты;

• -    развитие и модернизация системы государственного мониторинга водных объектов [2].

Во многих странах мира точно так же задумываются о проблеме водных ресурсов, об их рациональном использовании, воспроизводстве и охране [3].

Основной трудностью прогнозирования поведения не существующего, а только проектируемого водохранилища является отсутствие исходных данных наблюдений, позволяющих оценивать динамику изменений и направления развития различных ситуаций. Следовательно, получить совершенно точный прогноз на этапе проектирования водохранилища невозможно. Для этих целей используются данные наблюдений за уже созданным водохранилищем, расположенным в аналогичных климатических и природных условиях [4].

В качестве исходной информации необходимы данные специального мониторинга. В российских условиях можно рассчитывать только на многолетние данные пунктов наблюдений Роскомгидромета: по водному и температурному режимам, морфометрии, актинометрии и качеству вод бассейна реки в районе сооружения водохранилища. Для моделирования динамики водной экосистемы сценарии внутригодового распределения компонентов во входном створе могут быть выбраны исходя из реальных данных по содержанию минеральных форм азота (аммоний, нитриты, нитраты), фосфора, кислорода, хлорофилла «a», фитопланктона, органических и взвешенных веществ [5].

Для моделирования в будущей экосистеме биогеохимических циклов трансформации биогенных веществ требуется исходная информация по содержанию органических форм азотных и фосфорных соединений, что не контролируется службами Роскомгидромета [6].

В условиях нехватки воды приемлемого качества достаточно четко выявляется проблема управления водохозяйственной системой. Необходимо принимать управленческие меры, влияющие на количество сбросов загрязняющих веществ в водоем, ограничение объема и определение состава удобрений, применяемых на территории, являющейся водосбором для данного водоема [7–9]. Иначе может сложиться ситуация нерационального использования водных ресурсов [10].

При создании искусственного водоема (водохранилища) возникает новая экосистема, зависящая от многих факторов и функционирующая по определенным законам. Применить данные законы для оценки и прогноза состояния водной экосистемы позволяют средства математического моделирования [11–13]. Однако стоит отметить, что при математическом моделировании всегда используются некоторые упрощения, что нуждается в обосновании границ применимости [14].

Как правило, для математического описания потоков вещества в экосистеме используются балансовые модели, уравнения которых описывают скорости поступления, оттока и взаимодействия различных химических соединений, растворенных в воде и находящихся во взвеси. Такие модели могут включать от двух (например, [15]) до нескольких десятков компонентов [16, 17].

При экологической экспертизе проекта водохранилища должны быть смоделированы различные ситуации, характеризующие состояние экосистемы при чрезвычайных происшествиях, например таких, как попадание токсических веществ из любых потенциальных источников. Необходимо провести анализ, оценку последствий возникновения таких ситуаций [18]. В целях повышения эффективности экологического мониторинга могут быть использованы автоматизированные программно-аппаратные средства