Болгов М.В., Мишон В.М., Сенцова Н.И.
Современные проблемы водных ресурсов и водообеспечения.
М.:Наука, 2005. 318 с. © 2005

ВВЕДЕНИЕ

Гидрологическое обоснование проектных решений базируется на разнообразных подходах, методах, моделях, сценариях и т.п. формах представления знаний о состоянии водных объектов. Эти знания отражают как специфику их потребителя (например, требования проектировщика или эколога), так и конкретные предпочтения научных школ, традиционно придерживающихся установившихся научных воззрений.

В гидрологии, науке во многом прикладной, развиваются различные направления, основными из которых являются стохастическое, опирающееся во многом на методы теории вероятностей и математической статистики, и так называемое генетическое (по определению А.Н. Бефани), основывающееся на детальном анализе и моделировании процессов перемещения влаги как по поверхности речного бассейна, так и в насыщенных и ненасыщенных грунтах, слагающих водосбор.

Имевшее место в середине прошлого века противопоставление этих подходов с современной точки зрения представляется неконструктивным. Очевидно, что характеристики подстилающей поверхности, входящие в генетические модели как параметры, могут быть детально охарактеризованы лишь в рамках вероятностных представлений об их изменчивости. С другой стороны, чисто статистические методы могут быть использованы при наличии продолжительных наблюдений. Гидрологические обобщения и перенос данных в неизученные створы выполняются на основе представлений об условиях формирования стока, т.е. базируются на его генезисе.

Перечисленные противоречия не исчерпывают всех проблем современной гидрологии. Вторая половина прошлого века характеризовалась резким увеличением антропогенной нагрузки на все компоненты природной среды, в том числе и на водные объекты. Но, несмотря на плановое развитие экономики, его последствия для природной среды часто носили непредсказуемый характер. К сожалению, гидрология не смогла удовлетворительно ответить на возникшие вопросы, связанные с прогнозом антропогенных изменений водности, в том числе из-за неопределенностей сценариев климатических изменений и т.п.

Не получили развития в последние годы и чисто экспериментальные направления в гидрологии. Прекратили существование (или значительно сократили программы работ) водобалансовые станции, резко сократилась сеть мониторинга водных объектов, практически отсутствуют новые экспериментальные проекты.

Сказанное выше означает, что неопределенность в гидрологических расчетах и прогнозах как минимум не уменьшается, несмотря на компьютеризацию технологий, доступ к результатам дистанционного зондирования и т.п. Созданные архивы (базы данных) результатов гидрологических наблюдений практически не доступны потребителю, данные наблюдений последних лет не публикуются, что делает невозможным научный анализ современного состояния водных ресурсов.

Важным аспектом прикладной гидрологии остается проблема нормирования расчетных значений, соответствующих уровню ответственности проектируемого объекта. Соответствующая концепция надежности, основанная на «полувероятностном» методе проектирования и нагрузках заданной обеспеченности, позволяет, в целом, поддерживать требуемый уровень безопасности. В задачах же гидрологического обоснования экологической безопасности столь определенного подхода пока нет. Санитарные нормы и правила указывают некоторое минимально допустимое значение водности, которое вряд ли адекватно отражают состояние и особенности водных экосистем.

Список перечисленных гидрологических задач и проблем, требующих пристального внимания, можно продолжить, но сегодня необходимо обсудить методы исследований, позволяющие в современных условиях решать задачи надежного экономического обоснования проектных решений, сохраняя условия функционирования водных и околоводных экосистем, обеспечение устойчивого управления водными объектами в целом.

Данная книга представляет собой попытку рассмотрения некоторых гидрологических проблем, актуальных с точки зрения как собственно гидрологии, так и различных отраслей экономики, связанных с использованием водных ресурсов.

Большое внимание уделено стохастическим моделям различных гидрологических характеристик. Первая глава посвящена подробному изложению теории процессов Маркова для негаусовского случая, наиболее распространенного в гидрологических приложениях. Рассмотрены методы построения двухмерных плотностей вероятности, удовлетворяющих уравнению Маркова, методы моделирования искусственных последовательностей, оценки максимального правдоподобия и методы моделирования в многомерном случае.

Применительно к задаче прогноза уровня внутреннего водоема (Каспийского моря) получены стохастические дифференциальные уравнения, описывающие марковские процессы с априорными гамма-распределениями. На основе этих уравнений развита методика имитационного моделирования уровня замкнутого водоема.

Рассмотрен ряд подходов к аппроксимации распределения экстремальных и сезонных характеристик стока. Излагаются основные результаты теории экстремальных событий и их приложение к аппроксимации распределений максимальных расходов воды.

Обсуждается метод оценивания параметров на основе вычисления порядковых статистик (метод L-моментов). Для распределения Крицкого-Менкеля предложена номограмма, связывающая L-моменты с обычными моментами распределения.

Во второй главе для моделирования сезонной изменчивости стока предложен класс периодически коррелированных стохастических моделей, представляющих собой смесь белого шума и процесса Маркова. Для задания параметров модели предложены их региональные оценки.

Далее во второй главе рассматривается задача описания колебаний стока для периодов низкой водности. Излагаются основы метода объединения совокупностей, предложенного С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем для оценки параметров максимального стока, и результаты оценивания параметров распределений минимального стока рек, полученные путем применения этого метода.

Для описания колебаний водности в маловодный период применен так называемый «пороговый» подход, который заключается в оценке параметров выбросов случайного процесса ниже заданного уровня. Получено, что распределение продолжительности стояния уровня (или стока) ниже заданного значения удовлетворительно аппроксимируется распределением Вейбула.

В третьей главе на примере бассейна Верхнего Дона рассмотрено современное состояние водных ресурсов. Исследуются закономерности формирования стока и снежных ресурсов. Анализируется внутригодовое распределение, а также пространственное распределение годового, меженного и весеннего стока. Исследуется динамика речного стока за многолетний период. Дается оценка современного состояния водных ресурсов с учетом влияния хозяйственной деятельности.

Качество поверхностных вод Верхнего Дона в значительной степени формируется под влиянием хозяйственной деятельности в его бассейне и, прежде всего, сбросов промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Основные источники загрязнения находятся на территории Воронежской и Липецкой областей.

Анализ динамики стока основных рек бассейна Верхнего Дона за многолетний период показал, что явных негативных изменений не отмечается, а существующие вариации речного стока укладываются в рамки современных представлений о его многолетних колебаниях.

Для гидрологического обоснования водохозяйственных мероприятий важным является вывод о стационарности условий формирования стока при изменении ландшафтов и росте безвозвратного водопотребления. Известно, что механизм антропогенных изменений стока сложен, и зачастую наблюдаются противоречивые тенденции, результат которых более отражается на перераспределении стока внутри года, нежели чем на изменении годовых объемов стока. Так, например, в результате анализа многолетних колебаний годового стока р. Дон у г. Лиски не удалось выделить значимого тренда, хотя в последние десятилетия имело место и дополнительное испарение с поверхности многочисленных прудов и водохранилищ, и изменение структуры землепользования и т.д.

Целью четвертой главы является оценка и анализ современного водопотребления и водоотведения на примере бассейна Верхнего Дона. Отдельно рассматриваются водопотребление и водоотведение по водохозяйственным участкам и видам водопользователей, а также дается оценка безвозвратного водопотребления.

В последнее десятилетие прослеживается постепенное сокращение водозабора из поверхностных и подземных источников, связанное с падением объемов производства, сокращением поголовья скота и площадей орошаемого земледелия. Однако интенсивность спада производства и уменьшение водопотребления неодинаковы: использование воды сокращается в меньшей степени и различается по отраслям хозяйств. В результате экономическая эффективность производства снижается и увеличивается удельное водопотребление (на единицу продукции).

В изменении водопотребления выявлены следующие тенденции: значительное уменьшение общего водозабора и водоотведения (соответственно в 1.75 и 1.5 раза); почти в 2 раза уменьшился общий сброс сточных вод в водные объекты, однако, при этом доля загрязненных и недостаточно очищенных вод значительно увеличилась – их сброс вырос в 2 раза. Общее количество загрязняющих веществ сократилось.

Оценка возможного использования водных ресурсов региона является сложной задачей, требующей учета перспективных величин водопотребления, связанных, в свою очередь, со сценариями развития экономики в целом, гипотез относительно возможных изменений климата и речного стока, новых стратегий управления водным хозяйством и т.п. Понятно, что перечисленные факторы характеризуются большой неопределенностью и имеют вероятностную природу. Поэтому в рамках данной монографии обсуждается подход, позволяющий свести общую проблему к традиционно рассматриваемой задаче оценки надежности функционирования водохозяйственной системы с учетом ограничений экологического характера и перспективных величин водопотребления.

Эффективным методом получения оценок надежности функционирования водохозяйственной системы бассейна Верхнего Дона, используемым в данной работе, является имитационное моделирование с привлечением искусственных реализаций стока большой продолжительности. В результате имитационных расчетов получается набор ситуаций, характеризующихся дефицитом водных ресурсов как по отношению к водопотребителям и водопользователям, так и к экологически допустимым значениям остаточных величин стока (попусков в нижние бьефы гидроузлов).

Водохозяйственная система Верхнего Дона представлена в виде нескольких участков, соответствующих водосборам основных притоков, регулирующим емкостям и размещению ответственных водопотребителей. Она содержит два крупных водохранилища, управляемых по различным схемам. На основе правил управления водохозяйственной системой и величин безвозвратного водопотребления производится имитационное моделирование.

С использованием искусственных последовательностей притока для основных водохозяйственных участков продолжительностью 1000 лет, выполнены водохозяйственные расчеты и получены 12000 среднемесячных значений стока в узлах расчетной схемы и наполнений водохранилищ, что позволило оценить гарантии заданных величин водопотребления, а также их возможное изменение при различных сценариях водопользования.

Экономическая ситуация последних лет сделала абсолютно нереалистическими оценки расчетных прогнозных величин водопотребления, полученные в 1991-1992 гг. и распространенные на ближайшие 20 лет. Коллапс народнохозяйственной системы предопределил существенное сокращение водопотребления всеми потребителями. Соответственно, уменьшилось и безвозвратное водопотребление, определяющее напряженность водохозяйственного баланса.

Так, общее водопотребление по сравнению с оценками, полученными в 1992 году, уменьшилось к 2000 г. практически в 2 раза, что кардинально изменило структуру водохозяйственного баланса, частоту и глубину перебоев в системе. Необходимо отметить, что тенденция к сокращению водопотребления в регионе сохраняется и в последние годы.

Существенное сокращение водопотребления на нужды промышленности и коммунального хозяйства очевидно связано с наблюдающимся спадом в экономике России. Прогноз водопотребления на отдаленную перспективу сегодня является сложной задачей, поскольку темпы экономического роста прогнозируются с большой неопределенностью. Тем не менее, существенных оснований для прогнозирования дальнейшего спада в водном хозяйстве, сегодня нет. Данные по водопотреблению свидетельствуют об относительной стабилизации ситуации и в качестве одного из проектных вариантов рекомендуется на ближайшую перспективу принимать современные величины безвозвратных изъятий. В таком случае можно прогнозировать снижение «остроты» водохозяйственной обстановки в маловодные годы.

Полученные данные свидетельствуют, что в современных условиях, характеризующихся резким спадом безвозвратного водопотребления в бассейне, гарантия санитарно-допустимых величин стока (и величин самого безвозвратного водопотребления) высокая. Результаты имитационных расчетов показали, что при современном уровне водопотребления имеет место высокий уровень надежности бесперебойной эксплуатации водных ресурсов ответственными водопотребителями.

Авторами монографии являются Болгов Михаил Васильевич (введение, главы 1, 2, 4, 5, заключение, идея структуры книги и общее редактирование); Мишон Виталий Михайлович (введение, главы 3, 4); Сенцова Надежда Ивановна (введение, главы 3, 4, 5).

В подготовке отдельных разделов принимали участие Осипова Н.В. (1.6), Филиппова И.А. (2.2). Ряд разделов первой главы написан по материалам совместных работ с Ратковичем Д.Я., Сармановым И.О. и Писаренко В.Ф.

Исследование системы водоснабжения АЭС развивают предложенные в свое время А.А. Великановым, В.С. Ковалевским, Д.Я. Ратковичем, М.В. Болговым и др. идеи о необходимости совместного использования поверхностных и подземных вод в системах водоснабжения ответственных потребителей.

Авторы благодарят научного сотрудника ИВП РАН Е.В. Лазареву, ведущих инженеров ИВП РАН Е.С. Евдокимову и М.Д. Трубецкову за помощь в подготовке рукописи.

Авторы выражают глубокую благодарность доктору технических наук А.Е. Асарину за труд по рецензированию книги и полезные замечания, способствовавшие улучшению качества рукописи.

Монография подготовлена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Программы РАН «Водные ресурсы, динамика и оценка поверхностных и подземных вод и ледников», а также программы «Университеты России». Исследования были поддержаны рядом грантов РФФИ и Благотворительным Фондом содействия отечественной науке.

Содержание