7. Проблемы водохранилищ

По водохранилищам имеется обширная литература. Наиболее полно и в популярном стиле проблемы водохранилищ освещены в книге С. Л. Вендрова и К. Н. Дьяконова (1976).

По данным Ю. П. Беличенко и Л. Я. Полянинова (1976), в СССР эксплуатируется около 1000 водохранилищ, при этом объем каждого из них превышает 1 млн. м³. Общая площадь их зеркала достигает 116 тыс. км². Полная емкость этих водохранилищ - 831 км³, полезная, т. е. доступная регулированию, - 406 км³. По заявлению А. Н. Вознесенского, Г. Г. Гангардта и И. А. Герарди (1974), к окончанию XX в. полный объем водохранилищ в СССР возрастет до 1600 - 1800 км³, а полезный - до 800 - 1000 км³. Разумеется, с учетом более мелких водохранилищ (объемом менее 1 млн. м³), число которых измеряется, вероятно, десятками тысяч, и прудов, численность которых измеряется, по-видимому, сотнями тысяч, все вышеприведенные цифры должны быть существенно увеличены. Во всяком случае несомненно, что в ближайшие 25 лет площадь водохранилищ и прудов существенно возрастет и превысит площадь зеркала естественных континентальных водоемов на земном шаре (Карпенко, Сиренко и др., 1975).

Абсолютное преобладание на земном шаре водохранилищ гидроэнергетического назначения дает экологу и экономисту весьма впечатляющий критерий для оценки эффективности затопления территорий. Таким критерием в крупном энергетическом гидростроительстве является отношение площади затопления к объему производимой гидроэлектроэнергии.

Эколога соответствующие данные весьма настораживают. Не вдаваясь в их обсуждение, заметим лишь, что надо проектировать в союзе с экологией, начиная с постановки проблемы и обсуждения принципиальной идеи ее технического решения и кончая претворением проекта в жизнь. Множества коллизий можно избежать именно на самом начальном этапе проектирования, посоветовавшись с экологами и географами. Экологическая экспертиза готовых проектов является паллиативной мерой.

Нет сомнения в том, что самым болезненным моментом в создании водохранилища является необходимость затопления сельскохозяйственных угодий и лесных земель. Академик С. Г. Струмилин и Э. Е. Писаренко (1977) с достойной подражания гражданской прямотой раскрыли причины этой легкости: "После Октябрьской революции в результате национализации земля выпала из товарооборота страны. Ее нельзя уже ни продать, ни купить на рынке. Выпали из учета и цены на нее. Землю стали рассматривать как "даровое" благо природы, подобное речной воде или дачному воздуху. Однако эта заведомо ошибочная концепция чревата бесхозяйственным расточительством важнейших первоисточников народного богатства - расточительством общественных ресурсов прошлого и живого труда. А практика доказывает необходимость учета и оценки этих "даров" природы. Их следовало бы включить в себестоимость производства хозрасчетных предприятий в качестве рентных платежей государству" (с. 101). Но как подойти к стоимостной оценке затопляемых водохранилищами земель?

В последние десятилетия все более серьезное внимание уделяется так называемым "невесомым" полезностям леса (при специальном подходе даже самые "деликатные" из них оказываются вполне весомы и измеримы). По оценкам специалистов из разных стран, собственно стволовая древесина по отношению к "невесомым" полезностям лесного массива в стоимостном выражении составляет от ¹/₂ до ¹/280. Последняя оценка дается в ФРГ, так что величину ¹/₈₃, вычисленную английскими лесоводами, надо считать вполне умеренной и реалистичной. Стоимость же древесины на международном рынке сама по себе с каждым десятилетием удваивается. В этой связи мы предлагаем следующий подход к стоимостной оценке природных угодий (можно считать его одним из экологических принципов): проектируя, например, под затопление 1 млн. м³ древесины, да еще "на корню", надо считать, что с учетом всех полезностей лесного массива упомянутый объем эквивалентен в стоимостном выражении 33 млн. м³ древесины (принимаем коэффициент перевода - ¹/₃₃); через 10 лет этот же объем будет эквивалентен уже 66 млн. м³, через 20 лет - 132 млн. м³ и т. д. Отсюда нетрудно перейти к денежному выражению, но главное - следует отнести эти коммерческие потери на стоимость "искомого продукта", т. е. электроэнергии, прибавки урожая зёрна с орошаемых земель и т. п., получаемых в результате затопления. Аналогичным путем можно найти разумный эквивалент при затоплении пойменных лугов и пастбищ.

Есть еще один способ стоимостной оценки природных угодий. Он называется у экономистов субституционным. Суть его состоит в том, что стоимость естественных угодий определяется в размерах капитальных (а в идеале - и эксплуатационных) затрат, потребных для полного замещения (субституции) той или иной функции естественного угодья соответствующими техническими мероприятиями. Функцию естественных нерестилищ ценных пород рыб, например, можно заместить строительством и эксплуатацией рыбопитомников. Но эти затраты опять же нужно соотнести со стоимостью "искомого продукта", т. е. электроэнергии, прибавки урожая и пр.

Следующим после прямого затопления критическим моментом в создании (и проектировании) водохранилища является трансформация прилегающих к этому водохранилищу угодий в результате подтопления, инфильтрации, изменений местного климата и т. п. Оценка этих явлений чрезвычайно сложна, особенно на водохранилищах с переменным подпором. При районировании береговой полосы водохранилищ выделяются зоны гидрологического, гидрогеологического, активного климатологического и эпизодического климатологического влияния (Корнилов, 1970). В зоне гидрологического влияния особо выделяется полоса временного затопления (выше нормального проектного уровня - НПУ) и полоса сработки (ниже НПУ). На равнинных водохранилищах при сработке уровня из-под воды освобождаются на некоторое время громадные территории. И хотя полоса сработки "включается гидростроителями в площадь зеркала водохранилища, т. е. рассматривается как территория, покрытая водой, однако это не совсем так. Значительную часть времени эта площадь не будет залита водой, и здесь образуется прибрежное болото..." (Корнилов, 1970, с. 57).

Рис. 6. Схема влияния водохранилищ на экосистемы побережья (по К. Н. Дьяконову, 1970). Подзоны: А - прямого влияния; Б - косвенного влияния; В - местообитания (в пределах которых влияние водохранилища не сказывается). Пояса: 1 - периодического затопления; 2 - сильного подтопления, отрицательного влияния; 3 - переходный, слабого влияния; 4 - умеренного и слабого подтопления, положительного влияния; а - положение депрессионной кривой после создания водохранилища; б - то же до создания водохранилища. Переходные пояса А-3 и Б-3 прослеживаются только на плоских берегах

На рис. 6 показана схема влияния водохранилищ на леса побережья, предложенная К. Н. Дьяконовым (1970). Автор поясняет, что система "грунтовые воды - водохранилище" достигает состояния динамического равновесия через несколько десятков лет после создания водоема. Позднее К. Н. Дьяконов (1977) предложил называть совокупность зон, подзон и поясов сферой влияния водоема, указав, что относительная стабилизация влияния фильтрации и подпора происходит через 10 - 20 лет после создания водохранилища, причем при наличии верховых болот на побережье водохранилища ширина зоны гидрогеологического влияния снижается.

Существенные противоречия между строителями и экологами обнаруживаются при установлении границ пояса или зоны подтопления грунтовых вод водохранилищем. Проектировщики руководствуются "концепцией одного метра" (Дьяконов, 1977), т. е. считают подтопляемой территорию, лежащую на 1 м выше НПУ. И. Ю. Долгушин (1970) объясняет предмет противоречий следующим образом: "...в проектных организациях главным признаком подтоплений территории принято считать ее заболачивание, происходящее обычно в первые годы после создания водохранилища, а нас же интересует весь комплекс изменений ландшафта, которые могут происходить постепенно (сравните с ситуацией при оценке воздействия ЭМП - ЛЭП на человека. - В. П.), на протяжении нескольких десятилетий" (с. 161). Далее он обосновывает "концепцию двух метров", которая представляется более надежной.

На изменения уровня и режима грунтовых вод в результате подтопления биоценозы любого типа реагируют соответствующей перестройкой своей структурно-функциональной организации. Даже гибель биоценоза в этом смысле нельзя считать абсолютной: на смену ему рано или поздно придет биоценоз нового типа, более приспособленный к новым условиям. Единственным и достаточно надежным источником представлений о превращениях биоценозов в зоне подтопления может служить система сопряженных региональных генетических классификаций лесных, луговых и болотных биогеоценозов, основанных на отношении биогеоценозов к гидрологическому фактору. Границы биогеоценозов, как известно, очень постоянны, поскольку детерминированы одновременно множеством геофизических, геохимических, биологических и исторических факторов. Разрушить их совместное действие измененный гидрологический фактор не в состоянии, следовательно, численность биогеоценологических участков (контуров, выделов) в зоне предполагаемого подтопления останется неизменной при любых превращениях биоценозов. При наличии классификаций, в которых отражены естественные взаимопревращения не только одного типа леса в другой тип леса, типа луга в другой тип луга и т. д., но и луга в лес, леса в болото; задача сводится к перенесению площадей биоценозов из одной классификационной категории в другую с последующей всесторонней оценкой всех земельных превращений в зоне подтопления, составлением сводного баланса его положительных и отрицательных моментов. Далее наступает этап принятия дифференцированных решений и рекомендаций, направленных на усиление положительных и ослабление отрицательных моментов, этап коммерческой оценки "доходов и расходов" и их распределения между заинтересованными хозяйствами и ведомствами. Такова идеальная схема эколого-экономической оценки эффекта подтопления и в прогностическом, и в ретроспективном плане.

До 90% протяженности водохранилищ при НПУ составляет так называемая зона переменного подпора (Беркович, Виноградова, 1975), где речные условия периодически сменяются озерными. Выше этой зоны по течению реки образуется зона регрессивной аккумуляции, характеризующаяся накоплением руслового материала и соответственно повышением отметок дна реки. Все это способствует оживлению аллювиальных сукцессий растительности. Как показала Л. К. Малик (1972, 1973, 1976, 1978), на равнинных реках Западной Сибири даже в ненарушенном гидрологическом режиме влияние подпора главных рек на притоки распространяется чрезвычайно далеко. Создание водохранилищ в этих условиях существенно изменит даже ледовую обстановку в подпертых водотоках. На Новосибирском водохранилище, например, где подпорные явления гораздо менее актуальны, чем на Нижнем Иртыше и Средней Оби, ледяной покров в подпертых водотоках начал устанавливаться на 5 - 10 дней раньше и сходить на 10 - 15 дней позднее, чем в естественных условиях (Вендров, Широков, Подлипский, 1976), в зоне выклинивания подпора значительно усилились заторные явления. Для экосистем, зависимых в своей жизнедеятельности от ледового и снежного режима (прибрежных и речных - потамофильных), создание водохранилища в данном случае оказалось практически равноценным перемещению их на несколько сот километров к северу, в более суровые климатические условия.

Если влияние водохранилища в верхнем бьефе еще можно весьма условно ограничить зоной выклинивания подпора, то в нижнем бьефе оно практически распространяется до устья реки и далее в эстуарий (залив, море), как бы ни была велика эта река. Прежде всего водохранилище задерживает до 93 - 95% твердого стока, что вместе со снижением водности и срезкой паводков кардинальным образом перестраивает гидрологический и гидрохимический режим реки в нижнем бьефе. Как отмечают А. М. Комлев и Н. В. Вострякова (1975), только внутрисуточные колебания стока полностью затухают лишь в 500 км от плотины. С. Л. Вендров и К. Н. Дьяконов (1976) приводят впечатляющие данные о пределах влияния водохранилищ на гидротермические условия в нижнем бьефе гидроузлов. Как показали И. А. Кузьмин и Л. И. Викулова (1974), а затем И. В. Попов (1977), задачи прогноза только русловых процессов в нижнем бьефе гидроузлов достаточно сложны. Тем более сложны и недостаточно исследованы взаимосвязанные биологические явления. Анализируя эту проблему, некоторые авторы рекомендуют прежде всего принципиально различать нижние бьефы гидроузлов, находящиеся в подпертом и свободном состоянии (Л. Н. Шапиро, 1974). На самом деле участок реки, расположенный между двумя гидроузлами, испытывает одновременно влияние и верхнего и нижнего водохранилищ. При этом складывается режим, практически не имеющий аналогов в естественных условиях. Наконец, имеются проектные разработки по созданию на отдельных отрезках крупных рек режима "анти-реки". Системой плотин естественный ток воды должен быть направлен обратно: река потечет вспять.

Концепция водосбора как элементарной экологической и хозяйственной единицы при создании (проектировании) и эксплуатации водохранилищ приобретает особое значение. Действительно, сооружением плотины некогда целостный и единый водосборный бассейн делится на две части, развитие которых пойдет по-разному. Поэтому водосборный бассейн верхнего бьефа гидроузла и самостоятельно водосбор нижнего бьефа можно рассматривать уже по отдельности. Граница этих двух "субводосборов" строится по элементам (водоразделам) существующей гидросети, но вполне очевидно, что в дальнейшем, т. е. в процессе эксплуатации водохранилища, эта граница начнет смещаться и видоизменяться в результате дискоординации базисов эрозии для верхнего и нижнего бьефов сооружения и не скоро достигнет состояния динамического равновесия. В равнинных, а особенно в горных условиях довольно обычными явлениями должны стать перехваты пограничных водотоков верхнего бьефа водотоками нижнего водосборного бассейна. Новый режим и новая гидросистема в отдельных случаях могут самым неожиданным образом вступить во взаимодействие с погребенной, древней палеогидросетью, а также с подземными водами... Эта концепция достаточно ясно показывает и практически доказывает, что сооружение водохранилища в любой части водосборного бассейна вовлекает в сферу преобразования природу всего бассейна. В этой связи чрезвычайно наивно рассуждать и доказывать, что влияние того или иного гидросооружения будет локальным.

О гидробиологических условиях и ресурсах собственно водохранилищ (а не прилегающих площадей и водотоков) написано очень много, и схема развития гидроэкосистем (например, для Днепровского каскада гидроузлов) разрабатывается весьма детально. Именно разрабатывается, поскольку жизненный цикл высших гидробионтов (рыб) сопоставим с жизненным циклом человека, а жизнедеятельность низших гидробионтов, напротив, протекает с такой огромной скоростью, что их изучение в природных условиях практически не успевает за их развитием, т. е. идет лишь вслед за ним. Я. Я. Цееб (1973) сделал обстоятельный обзор проблем, которые при этом возникают. Л. П. Брагинский (1977) в прикладном аспекте показал, что одна из острейших проблем - явление бурного развития популяций одноклеточных синезеленых водорослей (цветение воды), регулировать которое техника пока не в состоянии. Каждая водорослевая клетка при благоприятных условиях может дать до 10²⁰ потомков, а частота мутаций достигает одной на 106 - 107 клеток. В период массового размножения синезеленых водорослей в Днепровских водохранилищах их биомасса может достигать 500 г/м³, так что только содержание в воде ядовитых выделений водорослей может составлять от 10^-20 до 10^-8мг/л (Карпенко, Сиренко и др., 1975).

Гидрохимический режим водохранилищ, особенно в первые годы их существования, в значительной мере зависит от структуры и состава затопленных почв (Драчев, Карельская, Брук, 1939). Особые сложности возникают в тех случаях, когда затоплению подвергаются массивы торфяных болот (Богдановская-Гиенэф, 1959; Молкин, 1967; Бирюков, Тарунина, 1967а, 19676). При разложении затопленной торфяной залежи в анаэробных условиях образуется огромное количество газа (метана, сероводорода, окиси углерода и углекислоты). Накопление газов наряду с. промерзанием торфа создают предпосылки для его всплывания (объемный вес торфа становится меньше 1,0).

Зыбуны, надиловые и надводные сплавины всплывают одновременно с их затоплением. Верхние слои торфа промерзают в зимний период при сработке уровня водохранилища. При весеннем подъеме воды именно эти неоттаявшие слои торфа и всплывают (либо всплывает вся залежь целиком). Особенно благоприятные условия для всплывания торфа образуются во время летнего затопления торфяника на глубину 1,0 - 2,5 м. При увеличении слоя воды способность торфа к всплыванию уменьшается, и с глубины 8 - 10 м всплывание торфа наблюдается лишь в исключительных случаях.

В прибрежных полосах водохранилищ всплывшие участки торфа сначала часто бывают связаны с невсплывшей залежью, но под воздействием волн и ветра они в конце концов отрываются и дрейфуют. Дрейфующие же торфяные острова, постепенно разрушаемые волной, загрязняют водоем взвешенными наносами из торфяной крошки, коллоидальных частиц гумуса и грунта. Наиболее часто всплывают шейхцсриевые и шейхцериево-сфагновые виды торфа, а также осоково-сфагновые и сфагновые со степенью разложения не более 20 - 25%. Хорошо разложившийся торф всплывает только в промерзшем состоянии. На Горьковском и Рыбинском водохранилищах, например, всплывшая торфяная масса составляет от 6,6 до 10% по отношению к затопленной, но при сильных перепадах уровня воды это соотношение может быть значительно больше. Большая пнистость залежи тормозит ее всплывание. Мелкие торфяники всплывают целиком.

Всплывшая залежь выделяет в 2 - 3 раза больше газа, чем затопленная, поскольку она лучше прогревается. О возможных количествах газа, выделяемого из всплывшего торфа, можно судить по следующим данным: переходная шейхцериевая топяная залежь средней степени разложения выделяет за сутки с 1 га при температуре залежи 13,4° 5,3 тыс. л, при 19,2° - 20 тыс. л, при 20,2° - 25 тыс. л газовой смеси (Бирюков, Тарунина, 19676).

Известные резервы для оптимизации экологических условий водохранилищ и прилегающих территорий представляет режим эксплуатации водохранилищ. До последнего времени он подчинялся исключительно технологическим интересам гидроэнергетики или орошения. Некоторые "послабления" допускаются лишь для поддержания определенных условий при нерестовом ходе ценных пород рыб. По-видимому, потребуется громадный объем научно-исследовательских работ для того, чтобы выработать принципы эксплуатации водохранилищ, благоприятствующие одновременно удовлетворению комплекса требований. В целом достаточно очевидно, что в большинстве случаев создание системы небольших и гибко взаимодействующих между собой водохранилищ гораздо предпочтительнее, чем создание одного огромного водохранилища. Система, например, из трех водохранилищ (два на крупных притоках реки чуть выше пункта их слияния, одно - замыкающее - на основной реке) по мере надобности может эксплуатироваться в восьми "жестко фиксированных" режимах (все три створа закрыты, все три открыты; 1-й открыт, а 2-й и 3-й закрыты; 1-й и 2-й открыты, а 3-й закрыт и т. д.), а с учетом промежуточных состояний "открытости-закрытости" створов число комбинаций может быть практически бесконечным. Это и будет истинным регулированием.

Как и любой естественный водоем, водохранилище не может жить вечно. Нормальный срок его службы исчисляется, вероятно, 40 - 60 годами. В этой связи во многих случаях давно уж назрела проблема реконструкции существующих водохранилищ. Вопросы оптимизации их экологического режима при этом встают с такой же остротой, как и при их создании.