автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Характерные особенности влияния гидроаккумилирующих электростанций на формирования качества воды их бассейнов в сложных геоэкологических условиях

На правах рукописи

Гурьевич Татьяна Борисовна

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ ИХ БАССЕЙНОВ В СЛОЖ1ШХ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.23.07 - гидротехническое строительство 25.00.36 - геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2003

Диссертационная рабрта выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» и ООО «Центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике»

■ Научный руководитель ,

Научный консультант

. ■ . . ■ ■ 1 Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится « АЗ» ОХ7Я&рЯ 2003 г. , .

¿¿гДО "' - ' г

в /О час, на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском

государственном университете природообустройства по адресу!" 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд .201/1.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного университета природообустройства. .

! - ■ I 1 I ^ . :

Автореферат разослан«_» ' •■;■' 2003 г^оу.,- - : • , .....

доктор технических наук Рубин О.Д.

' доктор технических наук, профессор . Волшанцк. .

доктор технических наук, профессор-

Правдивец'Ю.П/...... . ■ >,

кандидат! геолоГО-минералогических наук КочарянА'.Г. '■• • •„.

ИНПЦ «Союзводпроект» "'

Ученый секретарь диссертационного совета . кандидат технических наук, доцент

Евдокимова И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устойчиво складывающаяся тенденция роста энергопотребления, создание генерирующих и сетевых энергетических компаний определяют необходимость в дополнительных маневренных мощностях для обеспечения надежности электрических систем и повышения качества получаемой электроэнергии. Наиболее широкими возможностями в этом направлении обладают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

В настоящее время в мире существует более трехсот ГАЭС и интерес к этому типу гидроэнергетических объектов постоянно растет, поскольку ГАЭС позволяют покрыть пиковую часть суточного графика энергетической нагрузки, заполнить его суточный ночной «провал», тем самым обеспечить более экономичные условия эксплуатации ТЭС и АЭС, служат аварийным резервом энергосистемы и повышают надежность и качество энергоснабжения.

ГАЭС - это сложные техно-природные объекты, в которых технические и природные составляющие взаимосвязаны и влияют друг на друга. Управление такими объектами, обеспечение их безопасности в соответствии с Законом «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ от 21.07.97.) требует знания закономерностей их функционирования, геоэкологических последствий воздействия на окружающую среду.

В Российской Федерации функционирует единственная гидроаккумулирующая электростанция - Загорская ГАЭС. Геоэкологические последствия длительной эксплуатации ГЭС и их водохранилищ изучены достаточно полно. Этой проблеме посвящены работы таких отечественных и зарубежных ученых, как А.Б. Авакян, А.Е. Асарин, В.Ф. Бреховских, СЛ. Вендров, Е.В. Веницианов, Г.В. Воропаев, А.И. Денисова, Д.А. Ивашинцов, В.В. Каякин, А.Г. Кочарян, A.B. Леонов, Ю.М. Матарзин, М.Г. Хубларян, В.М. Широков, К.К. Эдельштейн, М. Страшкраба, Т. Эдмондсон и др. Геоэкологические особенности ГАЭС исследованы в меньшей степени и представлены в работах И.Л. Дмитриевой, И.Г. Мельниченко, А.Г. Соколова, Л.А. Сиренко, Я.Я. Цееба, Дж. Ла Баунти, Р. Спеваковски.

В связи с перспективами строительства ГАЭС в нашей стране, требованиями повышения технической и экологической безопасности гидротехнических объектов, надежности управления ими, тема диссертации представляется актуальной, своевременной и имеющей большое практическое значение. Работа выполнялась в рамках договора № 934-4 от 01.02.99 г. «Исследование и оценка безопасности сооружений Загорской ГАЭС»

Целью диссертационной работы является изучение характерных особенностей влияния гидроаккумулирующих электростанций на формирование качества воды их бассейнов в сложных геоэкологических условиях.

Для достижения этой цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить и систематизировать основные факторы воздействия ГАЭС на водную среду.

2. Дать оценку последствий воздействия Загорской ГАЭС на водную среду на основе комплексных геоэкологических исследований. Выявить неблагоприятные техно-природные процессы, инициируемые созданием ГАЭС.

3. Разработать методику комплексной рейтинговой оценки состояние водной среды в системе « река - бассейны ГАЭС - нижний бьеф» в зависимости о-уровня антропогенного воздействия.

4. Разработать рекомендации по составу водоохранных мероприятий в зон влияния ГАЭС, в том числе экологического мониторинга как системы управлени. взаимодействием ГАЭС с окружающей средой, обеспечивающей экологическук безопасность объекта.

5. Применить выявленные закономерности при выборе перспективны площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

— впервые ГАЭС рассмотрена как сложный техно-природный объект со своим закономерностями функционирования, обуславливающими геоэкологическую ситуацию зоне влияния объекта;

— выявлены основные факторы воздействия ГАЭС на водную среду и дана оцеш последствий такого воздействия для различных компонентов водной среды;

— разработана методика комплексной рейтинговой оценки состояния водне среды в системе «река - бассейны ГАЭС - нижний бьеф» в зависимости от уров] антропогенного воздействия;

_ разработана методика организации экологического мониторинга зоны влиян] ГАЭС, как системы управления взаимодействием ГАЭС с окружающей средо обеспечивающей экологическую безопасность объекта.

На защиту выносятся:

1. Определение состава основных факторов воздействия ГАЭС на водную среду.

2. Оценка геоэкологических последствий воздействия ГАЭС на водную среду зоне влияния объекта.

3. Методика комплексной рейтинговой оценки состояния водной среды в зависимости от уровня антропогенного воздействия применительно к ГАЭС.

4. Методика организации экологического мониторинга как системы управления взаимодействием ГАЭС с окружающей средой.

Практическая значимость. Результаты исследований использованы при разработке разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» и «Охрана окружающей среды» в проекте Загорской ГАЭС, определении состава водоохранных мероприятий в зоне влияния ЗГАЭС, выборе перспективных площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

Применение установленных в диссертации закономерностей, приемов и методик в практике проектирования и эксплуатации ГАЭС позволит повысить степень экологической безопасности данных объектов.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международной конференции «Развитие европейских рек» (г. Будапешт, Венгрия, 1998 г.), на международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек» (г. Тольятти, 1998 г.), на Третьем международном конгрессе «ЭКВАТЭК. Вода: экология и технология» (г. Москва, 1998 г.), на Международном конгрессе «Великие реки» (г. Нижний Новгород, 1999 г.), на Пятой и Шестой научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2002, 2003 г.г.), на заседаниях ученого совета ОАО «НИИЭС» в 1999 - 2002 г.г.

Достоверность полученных результатов комплексных исследований подтверждена использованием аттестованных методов анализа, результатами экспериментов и натурных наблюдений.

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими справками из ОАО «Институт Гидропроект» и Загорской ГАЭС.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях и шести тезисах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и четырех приложений. Объем диссертации 171 страница, в том числе 35 таблиц, 22 иллюстрации, 20 страниц приложений и список литературы из 155 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена изученность проблемы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе на основе анализа и обобщения отечественного и мирового опыта эксплуатации гидроэнергетических объектов систематизированы основные факторы воздействия водохранилищ ГЭС и бассейнов ГАЭС на водную среду.

Показано, что создание водохранилищ оказывает комплексное воздействие на водную среду. При этом происходит:

- трансформация геоморфологических и гидрологических характеристик реки;

- в условиях, благоприятствующих седиментации, аккумулирование част! твердого стока в чаше водохранилища;

- под влиянием разбавляющего эффекта усреднение концентрации растворении веществ, сглаживание амплитуды сезонных колебаний типоморфных элементов биогенных и органических соединений;

- накапливание в донных отложениях в результате сорбции соединений тяжелы металлов, некоторых органических веществ, специфических загрязнителей, снижение и поступления в нижний бьеф;

- интенсифицирование процессов биодеградации органических вещест некоторых других загрязняющих компонентов под действием увеличения времен пребывания воды в водохранилище;

- активизация развития высшей водной растительности, планктонных водорослей

- увеличение рыбопродуктивности;

- изменение санитарно-гигиенической обстановки.

По наблюдениям специалистов ГАЭС влияют на окружающую среду в менып степени, чем ГЭС. Это объясняется меньшими, как правило, размерами верхних и нижн бассейнов ГАЭС по сравнению с водохранилищами ГЭС. Исключение составля] станции, в качестве нижнего водоема которых используется существуют водохранилище ГЭС (например, Круонисская, Киевская ГАЭС). В то же время ГА,' имеют свои специфические виды воздействия на окружающую среду, связанные высоким внутренним водообменом, высокими скоростями течений и колебания уровней воды с амплитудой 5-12 и более м.

Установлено, что интенсивное перемешивание воды при работе ГА способствует насыщению ее растворенным кислородом. Это наблюдалось на Киевск Круонисской ГАЭС, ГАЭС Маунт Эльберт и Смит Маунтин (США).

На большинстве ГАЭС перемешивание водных масс и улучшение насыщения их кислородом, а также снижение температуры поверхностных слоев приводит к угнетению синезеленых водорослей. Создание хорошо аэрируемых водоемов увеличивает пространство, пригодное для обитания гидробионтов. И хотя перекачка воды из бассейна в бассейн достаточно неблагоприятна для зоопланктона, на раде станций (Киевская ГАЭС, ГАЭС Маунт Эльберт) отмечали увеличение популяций гидробионтов. Как следствие, увеличивается рыбное стадо, что обуславливает возможность развития любительского рыболовства в бассейнах ГАЭС.

В целом можно констатировать, что последствия воздействия ГАЭС на окружающую среду изучены явно недостаточно. Принимая во внимание значение данных объектов для энергосистем и перспективы их строительства, целесообразно подробное рассмотрение экологических последствий работы ГАЭС и способов управления ими в конкретном речном бассейне р. Кунья на примере Загорской ГАЭС.

Во второй главе приведено описание иснользованных в работе методов геоэкологических исследований, оценки качества поверхностных вод, санитарно-гигиенического и ихтиологического обследований района Загорской ГАЭС, методики комплексной рейтинговой оценки состояния водной среды в системе «река - бассейны ГАЭС - нижний бьеф» в зависимости от уровня антропогенного воздействия.

В зоне строительства ГАЭС было выполнено комплексное геоэкологическое обследование территории площадью 370 км2. Изометрическая сеть опробования была принята с плотностью отбора одной пробы на 1 км2. Отбирались пробы почвы (верхний гумусовый слой), лесного опада, снега, поверхностных вод, донных отложений.

Регулярные наблюдения за качеством воды в районе размещения Загорской ГАЭС проводились в контрольных точках, выбранных таким образом, чтобы оценить качество воды в р. Кунья, р. Дубна, и бассейнах станции: р. Кунья до зарегулирования, верхний и нижний бассейны ГАЭС, район выпуска сточных вод с очистных сооружений пос. Богородское в нижнем бассейне ГАЭС, приплотинный участок нижнего бассейна, нижний бьеф ГАЭС, р. Дубна до и после впадения р. Кунья.

В пробах воды определяли: водородный показатель рН, окислительно-восстановительный потенциал Е11, удельную электропроводность, содержание растворенного кислорода, взвешенных веществ, величины перманганатной окисляемости и биохимического потребления кислорода (БПКД концентрации нитритов, нитратов, иона аммония, фосфатов, нефтепродуктов, фенолов, ряда тяжелых металлов (железо, марганец, медь, цинк, свинец, никель, кобальт, кадмий, хром и ртуть и др.). Всего от 25 до 40 показателей.

Подготовка проб и химический анализ осуществлялись по общепринятым методикам. Анализ проб воды выполнялся потенциометрическим, спектрофотометрическим и атомно-абсорбционным методами.

Третья глава. В первой части главы дана геоэкологическая характеристика зоны расположения Загорской ГАЭС: рассмотрены природные условия района, представлены характеристики основных источников антропогенного воздействия на водную среду.

Загорская ГАЭС располагается в Московской области севернее г. Сергиев Посад на р. Кунья. Основные технические характеристики станции приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики Загорской ГАЭС

Параметры Проектные данные

1. Установленная мощность турбин/насосов, МВт 1200/1320

2. Количество агрегатов, шт. 6

3. Расчетный напор, м 95-113

4. Выработка электроэнергии в год, млн. кВт-ч 1700

5. Потребление электроэнергии в насосном режиме в год, кВгч 2330

6. КПД гидроаккумулирования, % 73

7. Верхний бассейн

Объем полный, млн. м3 30

Объем полезный, млн. м3 22,4

НПУ, м 266,5

9. Нижний бассейн

Объем полный, млн. м3 33,2

Объем полезный, млн. м3 22,4

НПУ, м 162,5

Строительство ГАЭС осуществлялось в густонаселенном хорошо освоенно районе. Природная среда испытывает здесь воздействие многих техногенных факторо Река Кунья является левым притоком р. Дубна. Ее длина 46 км, площадь водосбора 2( км2, среднемноголетний годовой сток - 52,1 млн.м3. Водный режим реки характеризует! резко выраженным весенним половодьем, во время которого проходит около 50 годового стока, и сравнительно небольшими расходами в летне-осенний и зимш периоды. Сильное влияние на природную среду бассейна оказывают промышленш предприятия, расположенные вблизи водотока, предприятия коммунального хозяйст! сельскохозяйственные объекты, населенные пункты.

До строительства Загорской ГАЭС и бассейнов станции экологическая ситуация бассейне р. Кунья была весьма напряженной. Маловодность реки, большое количест

сточных вод, поступающих в нее без очистки или достаточной степени очистки, поверхностный смыв с прибрежных территорий обусловили высокое содержание в воде Куньи таких загрязняющих веществ, как соединения тяжелых металлов, органические и биогенные вещества, нефтепродукты, фенолы и т.д. Содержание этих веществ в речных водах многократно превышало ПДК как для водоемов хозяйственно-питьевого, так и рыбохозяйственного назначения. Отмечались случаи дефицита содержания кислорода в воде.

В настоящее время основными локальными источниками загрязнения р. Кунья на рассматриваемом участке являются г. Краснозаводск с расположенным в нем химическим заводом, пос. Богородское, пос. Новостройка с заводом-институтом НИИхиммаш и Загорской птицефабрикой, пос. Реммаш с заводом-институтом НИИхимстроймаш и пос. Скоропусковск с опытным заводом.

Значительная часть загрязняющих веществ поступает в водные объекты от диффузных источников загрязнения, рассредоточенных в пределах водосборной площади. Для того чтобы учесть этот фактор, в зоне строительства ГАЭС было проведено комплексное геохимическое обследование, включающее в себя, как упоминалось выше, анализ почвы, снега, лесного опада, воды и донных отложений.

Данное обследование выявило общую структуру загрязнения территории и ее природные геоэкологические особенности. Показано, что в почвах и донных отложениях района Загорской ГАЭС выделяется высококонтрастная полиэлементная геохимическая аномалия в районе пос. Скоропусковский с максимальными превышениями над уровнем естественного геохимического фона:

в почвах - по свинцу и меди в 30 - 35 раз, по цинку - в 7 раз (табл. 2), в донных отложениях - по свинцу и цинку - в 30 - 50 раз, по меди - в 20 раз, по никелю, кобальту, марганцу и ванадию - в 2 - 3 раза.

Снеговая съемка показала, что наиболее высокие концентрации загрязняющих компонентов приурочены к району расположения завода-института НИИХиммаш с максимальными превышениями нормативных показателей по железу - в 40 раз, алюминию - в 10 раз и по свинцу - в 3 раза (табл. 3). Зоны максимальных концентраций компонентов, входящих в состав комплексного аномального поля (цинк, марганец, железо, хром, свинец, меди и др.) располагаются в соответствии с местной розой ветров, в основном южнее и юго-западнее режимной зоны объекта.

Геохимический анализ лесного опада показал приуроченность высокого содержания загрязняющих веществ к особенностям рельефа. Полученные данные рассматривались в совокупности с результатами всех других видов геоэкологических исследований.

Таблица 2

Характеристика загрязнения почв района Загорской ГАЭС тяжелыми металлами

(мг/кг)

Химический элемент Максимальное содержание на Загорском участке Фоновое содержание в почвах Мировой кларк ПДК Превышение ПДК

РФ Московской области Района Загорской ГАЭС

Си 60-3300 7-33 41 42 47 100 33

РЬ 30-1100 5-25 - 22 16 32 35

гп 150-2200 17-100 - 100 85 300 7

Ва 600-8800 п-10'2 146 450 450 - -

Со 15-33 2-30 - 12 18 - -

Таблица 3

Характеристика загрязнения снежного покрова района Загорской ГАЭС тяжелыми металлами (мг/л)

Химический элемент Диапазон содержания на Загорском участке Фоновое содержание Максимальный коэффициент контрастности ПДК Максимальное превышение ПДК

Хп 0,002-0,19 0,006 32 1-5 нет

Мп 0,005-0,35 0,016 22 1-10 нет

Ре 0,24-10 0,5 20 0,5 40

РЬ 0,002-0,062 0,008 7 0,03 3

А1 0,2-1,6 0,3 5 0,5 10

Сг 0,001-0,0105 0,003 4 0,5 нет

Си 0,005-0,040 0,13 3 1 нет

В 0,02-0,08 0,025 3 0,5 нет

По данным комплексной геохимической съемки были составлены монометальные карты по свинцу, цинку, меди, селену, барию, кобальту, марганцу, ванадию и скандию. Не картах в соответствии со статистически рассчитанными параметрами были выделень фактические аномалии, в которых показаны внутренние зоны с превышениями по ПДК.

Проведенные исследования позволили определить состав и источники основные загрязняющих веществ, поступающих в воды р. Кунья и бассейнов ГАЭС. На основанш анализа результатов исследований были построены диаграммы, отражающие процентных вклад каждого источника в общий уровень загрязнения воды бассейнов ГАЭС (рис. 1).

ВПК,

Ионы Аммония 5-

Нефтенродукты Свинец

Рнс.1 Вклад различных источников в общий уровень загрязнения воды бассейнов Загорской ГАЭС

1. Поверхностный сток; 2. Скоропусковский опытный завод; 3. Краснозаводский

химический завод; 4. Загорская птицефабрика; 5. НИИХиммаш; 6. Поселок

Реммаш

В третьей главе рассмотрены также технические характеристики и этапы строительства Загорской ГАЭС. Указано, что Загорская ГАЭС явилась новым средообразующим фактором для бассейна р. Купья. С целью изучения происходящих изменений при непосредственном участии автора были организованы натурные исследования состояния водной среды р. Кунья и бассейнов Загорской ГАЭС в условиях ввода в эксплуатацию гидроагрегатов и постепенного наполнения бассейнов до проектного уровня.

В четвертой главе раскрыты особенности воздействия Загорской ГАЭС на формирование качества воды в бассейнах станции и р. Кунья в нижнем бьефе гидроузла.

Строительство ГАЭС и начало эксплуатации первых гидроагрегатов существенным образом изменили условия формирования качества воды р. Кунья. В первую очередь изменились геоморфологические и гидрологические характеристики данного участка

реки. Проведенные гидрологические исследования показали, что бассейны ГАЭС характеризуются медленным внешним водообменом (годовой коэффициент водообмена -1,21, время пребывания воды в бассейнах 302 сут), и интенсивным внутренним водообменом, связанным с перекачкой воды при работе ГАЭС (годовой коэффициент водообмена 209, суточный - 0,57). Такие особенности гидрологического режима во многом повлияли на изменение гидрохимического режима в бассейнах Загорской ГАЭС.

В первый год заполнения нижнего бассейна ГАЭС вымывание водорастворимых веществ из затопленного ложа обусловило возрастание их концентрации в воде. В период пуска первых агрегатов содержание взвешенных веществ постоянно колебалось (рис. 2 а). Более высокое содержание отмечалось в верхнем бассейне и в средней части нижнего бассейна, где происходят наиболее интенсивные процессы движения воды. Однако, установлен и явный эффект аккумулирования взвесей в бассейнах станции: уровень содержания взвешенных веществ в нижнем бьефе в среднем снижается на 30-50%. Уровень минерализации в начале наполнения бассейнов несколько возрос. В дальнейшем с увеличением объемов наполнения бассейнов процесс вымывания веществ из ложа стабилизировался, стал проявляться разбавляющий эффект: уровень минерализации в водах нижнего бьефа снижается до 30-35 % от начального.

С началом эксплуатации ГАЭС улучшились условия аэрации воды и интенсифицировались процессы окислительной деструкции органических соединений Максимальные значения БПК5 наблюдаются в р. Кунья до зарегулирования. Здем значения показателя превышали принятые нормативы в 2-3 раза. В нижнем бьефе этг значения уже, как правило, не превышают нормативных величин (рис. 2 б).

Наиболее заметно снижается концентрация нитратов и фосфатов (рис. 2 в, г) Недостаточно очищенные сточные воды, сбрасываемые очистными сооружениями пос Богородское, содержат вышеназванные компоненты в большом количестве. В нижнек бассейне ГАЭС содержание нитратов в районе выпуска стоков очистными сооружениям] превышает ПДК в 1,5 - 2 раза, а фосфатов - в 10-15 раз. Однако при прохождении вод! по бассейнам ГАЭС их содержание снижается до значений близких к ПДК по фосфатам 1 ниже ПДК по нитратам. Таким образом, благодаря самоочищающей способносп бассейнов, содержание в воде органических и биогенных веществ снижается на 40-70%.

При проведении гидрохимических съемок в водах р. Кунья были установлен] потоки с повышенным содержанием соединений тяжелых металлов (главным образок марганца, цинка и меди), начинающиеся от Скоропусковского завода, прослеживающиес вниз по течению р. Кунья и оказывающие влияние на бассейны ГАЭС. Свой вклад загрязнение воды дают и сбросы с очистных сооружений пос. Богородское.

а).

Взвешенные вещества, мг/л

Ы1К;, МГ/,1

2 3 4

□ 1992 0 1993 □ 1994 Н 1995 И1999 02000

б).

>у

1 г з

□ 1994 01995 01999 □ 2000

в).

60 50 40 30 20 10 0

.\()Г, мг/л

\ ПДК = 40,0 мг/л -----

—--—зк- -ж

—1—^^^^

Г). 3 2,5 2 1,5 1

0,5

"о

-1992 -

- 1993 ■

-1994 -

-1995 -

-1999-

-2000

-1992 ■

-1993

-1994

1995

1999

-2000

Рис. 2 Среднегодовое изменение содержания взвешенных веществ (а), БПК; (б), нитратов (в) и фосфатов (г) в водах

р. Кунья, бассейнов и нижнего бьефа Загорской ГАЭС

1 - р. Кунья, 2 - нижний бассейн у выхода очистных сооружений, 3 - нижний бассейн, средняя часть, 4 - приплотинная часть,

5 - нижний бьеф ГАЭС

Тем не менее, в бассейнах ГАЭС гидрологический и гидрохимический режимы создают благоприятные условия для седиментации взвешенных форм тяжелых металлов и аккумуляции их донными отложениями. Снижение содержания в водах бассейнов Загорской ГАЭС составляет для разных металлов от 30 до 95%.

Согласно результатам исследований, содержание тяжелых металлов в донных отложениях самих бассейнов ГАЭС не выходит за пределы естественного геохимического фона прилегающего района. Однако при проведении экологической экспертизы проекта ЗГАЭС было высказано опасение, что при взмучивании донных отложений бассейнов ГАЭС в результате работы станции, возможно вторичное загрязнение водной среды соединениями тяжелых металлов.

Для оценки возможности такого процесса было проведено изучение суточной динамики содержания растворенных форм тяжелых металлов в воде нижнего бассейна. Каких-либо значимых изменений концентрации металлов во время отбора проб замечено не было. Для изучения условий, повышающих подвижность тяжелых металлов, был поставлен специальный лабораторный эксперимент, результаты которого показали, что количество тяжелых металлов, переходящих в воду из донных отложений, составляет 0,5 - 2 % от валового содержания, что свидетельствует об их весьма прочном связывании. Был сделан вывод, что возможность вторичного загрязнения водной среды тяжелыми металлами маловероятна даже при высоком уровне содержания в воде минеральных и органических веществ техногенного происхождения и интенсивном взмучивании донных отложений при работе ГАЭС.

Улучшение экологической обстановки в бассейнах ГАЭС повлияло на качество воды в нижнем бьефе гидроузла и р. Дубне, ниже впадения р. Кунья. В 2-3 раза снизилось поступление в р. Дубну с водами р. Куньи взвешенных веществ, нитратов, фосфатов, нефтепродуктов. Улучшение кислородного режима привело к снижению значений БПК5.

Сравнение качества воды бассейнов Загорской ГАЭС и р. Кунья с рядом водоемов Московской области показало, что в целом бассейны станции лучше «справляются» с загрязнением, чем речные участки Куньи (табл. 4). Река Кунья оценивается по классификации Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды как «очень грязная». Прохождение вод по бассейнам Загорской ГАЭС приводит к значительному улучшению их качества. Оно сопоставимо с качеством воды водохранилищ питьевого назначения.

В бассейнах Загорской ГАЭС также проводились наблюдения за изменением гидробиологического режима. Они включали в себя характеристику качественного и количественного состава гидробионтов, определение уровня трофии бассейнов по гидробиологическим показателям, направленности процесса эвтрофирования водной

14

среды и оценку накопительной функции водной биоты по отношению к тяжелым металлам.

Таблица 4

Качество воды бассейнов ЗГАЭС а некоторых водоемов Московской области

№ п/п Река, водохранилище Среднегодовая концентрация, мг/л

БПК5 ЫН/ Си

1. р. Москва, д. Барсуки 2,42 0,8 0,0055

2. Истринское водохранилище 4,19 1,28 0,007

3. Озернинское водохранилище 3,05 1,55 0,007

4. Рузское водохранилище 6,14 0,8 0,005

5. Можайское водохранилище 2,17 0,7 0,004

6. р. Кунья, р-н г. Краснозаводска 4,6 2,1 0,0099

7. Бассейны Загорской ГАЭС 2,8 1,1 0,0077

Результаты исследований показали, что до настоящего времени гидробиологический режим в бассейнах станции полностью не стабилизировался, что выражается в слабом развитии водной растительности и зообентоса. Основная причина такого состояния - гидравлические особенности режима эксплуатации станции. По уровню развития фитопланктона бассейны ГАЭС можно отнести к мезотрофному (среднепродуктивному) типу. Развитие процесса эвтрофирования нижнего бассейна в настоящее время не наблюдается, хотя поступление в него фосфатов с недостаточно очищенными сточными водами и поверхностным стоком играет негативную роль.

Для оценки возможного воздействия тяжелых металлов на состояние водных экосистем ЗГАЭС было изучено накопление тяжелых металлов в рыбе, зообентосе, высшей водной растительности, нитчатках и перифитоне.

Анализ полученных данных показал, что в наибольшей степени накапливают тяжелые металлы перифитон и нитчатки. Концентрация большинства тяжелых металлов в мышцах рыбы находится в пределах установленных нормативов. В печени же исследованных образцов концентрация металлов была заметно выше: так по меди отмечалось превышение ПДК в 1,5 раза, по железу приблизительно в 3 раза.

Ихтиологические исследования в бассейнах Загорской ГАЭС показали, что численность рыбного стада здесь выше, чем в реке. Увеличилось видовое разнообразие ихтиофауны: в р. Кунья до создания Загорской ГАЭС существовало лишь 4 вида рыб, в бассейнах станции - обитает 18 видов. Для рыб, выловленных в бассейнах, характерны большая длина, вес, балл накормленности, степень жирности, что свидетельствует о благоприятных условиях для нагула рыбы. Гибель и травмирование рыб в бассейнах

Загорской ГАЭС не носит массового характера, достигая нескольких экземпляров в месяц. Установлена хорошая адаптация рыб к условиям работы ГАЭС.

Исследования санитарно-гигиенической обстановки показали, что из-за сброса недостаточно очищенных сточных вод в бассейнах станции присутствует патогенная микрофлора. Однако интенсивный водообмен и суточные колебания уровня воды от 9 до 12 м, препятствуют ее размножению, поэтому бассейны не представляют потенциальной опасности с паразитологической точки зрения.

Геоэкологические исследования в районе размещения Загорской ГАЭС позволили систематизировать основные факторы воздействия ГАЭС на водную среду, которыми являются: усиление циркуляции воды, улучшение ее аэрации, интенсификация процессов окисления и деструкции органических и биогенных соединений, седиментация и сорбция ионов тяжелых металлов, некоторых других загрязняющих веществ донными отложениями. Строительство Загорской ГАЭС привело не только к улучшению качества воды в бассейне р. Кунья, но и к общему оздоровлению экологической обстановки в районе ее размещения.

В пятой главе даны рекомендации по составу мероприятий для обеспечения удовлетворительного качества воды в бассейнах Загорской ГАЭС.

На основании результатов многолетних исследований в диссертационной работе представлены выявленные природные и техноприродные процессы, негативно влияющие на состояние водной среды в бассейнах ГАЭС, р. Кунья в нижнем бьефе гидроузла и р Дубне. Основными из них являются: загрязнение различных компонентов водной средь от локальных и рассредоточенных источников и эвтрофирование нижнего бассейш ЗГАЭС. Были рекомендованы водоохранные мероприятия для предотвращение возможного ущерба. Основными направлениями являются:

— обустройство водоохранных зон и полос по берегам р. Куньи и нижнего бассейн

ЗГАЭС;

_ контроль за соблюдением режима водоохранных зон;

— определение состава оптимального водоохранного комплекса;

_ обустройство ливневой канализации в районе нижнего бассейна ЗГАЭС;

_ повышение эффективности работы очистных сооружений.

В дальнейшем контроль за развитием выявленных неблагоприятных процессов был рекомендовано проводить в режиме экологического мониторинга, основны принципиальным отличием которого от обычных режимных наблюдений является е] включение в систему управления взаимодействием объекта с окружающей средой (рис. 3).

По результатам мониторинга составлялось заключение о состоянии участи наблюдений, опасности развития процессов, эффективности принимаемых водоохраннь

16

Рис. 3 Функциональная схема и состав мониторинга

мероприятий, рекомендовались изменения в составе мониторинга, дополнительные мероприятия для предупреждения неблагоприятных процессов.

Для оценки состояния водной среды в районе размещения станции автором была применена методика комплексной рейтинговой оценки состояния водной среды в системе «река - бассейны ГАЭС - нижний бьеф» в зависимости от уровня антропогенного воздействия.

По этой методике, на основе анализа количественных данных многолетних наблюдений за изменением параметров водной среды системы «р. Кунья - бассейны ГАЭС - нижний бьеф», в различные периоды существования бассейнов, составлялся рейтинг того или иного участка по 100-бальной шкале. Величина в 100 баллов характеризовала оптимальное состояние водной среды, более 80 баллов - хорошее, безопасное; 60-80 - удовлетворительно, локально опасное; 35-60 - неудовлетворительное, опасное; менее 35 - кризисное, чрезвычайно опасное (табл. 5).

Согласно установленному рейтингу состояние речного участка верховье р. Кунья до и после создания ГАЭС существенно не изменилось и оценивается как кризисное (1523 баллов). Улучшение современной ситуации на р. Кунья вызвано некоторым снижением уровня антропогенной нагрузки на водосборной территории в последние годы.

На первых этапах наполнения нижнего бассейна состояние водной среды также оценивалось как кризисное (25 баллов) ввиду того, что для этого периода было характерно поступление в воду большого количества взвешенных веществ из-за сокращения транспорта наносов через створ реки, переработки берегов и размывов. Современное состояние водной среды при работе шести гидроагрегатов, проектном наполнении бассейнов, выполнении ряда водоохранных мероприятий согласно экспертным оценкам определяется как удовлетворительное (63 балла).

Таблица 5

Комплексная количественная оценка состояния водной среды системы

«р. Кунья - бассейны ГАЭС - р. Кунья, нижний бьеф ГАЭС» в зависимости от уровня антропогенного воздействия в баллах рейтинга (оптимальное состояние - 100 баллов)

Участок системы Оценка состояния окружающей среды в баллах рейтинга

Качество воды Гидробиологические процессы Ихтиофауна Средневзвешенная оценка Классификационная оценка состояния

Уровень трофии Уровень зарастания

Удельный вес компонентов 4 2 2 3

Период до строительства Загорской ГАЭС

р. Кунья, до создания ГАЭС 40 34 50 45 15 кризисное

Период строительства Загорской ГАЭС

р. Кунья, до зарегулирования 40 34 50 45 15 кризисное

Бассейны ГАЭС 48 60 120 45 25 кризисное

Р. Кунья, нижний бьеф ГАЭС 60 90 120 45 29 кризисное

Современные условия эксплуатации Загорской ГАЭС с учетом выполненных водоохранных мероприятий

р. Кунья, до зарегулирования 100 56 50 45 23 кризисное

Бассейны ГАЭС 240 110 120 225 63 удовлетв.

Р. Кунья, нижний бьеф ГАЭС 320 130 120 180 68 удовлетв.

Прогнозная оценка при условии выполнения всех предложенных водоохранных мероприятий

Бассейны ГАЭС 340 150 150 255 81 хорошее

Р. Кунья, нижний бьеф ГАЭС 380 170 170 225 86 хорошее

Прогнозная комплексная оценка состояния водной среды в бассейнах ГАЭС при дальнейшем выполнении рекомендуемых водоохранных мероприятий выводит состояние водной среды в бассейнах ЗГАЭС на хороший уровень (81 балл).

В нижнем бьефе состояние водной среды оценивалось нами на несколько баллов выше, чем в бассейнах ГАЭС, что обосновывается суммарным положительным воздействием работы станции.

Факторы воздействия ГАЭС на водную среду

Увеличение объема воды при создании бассейнов Замедление скоростей течения воды в нижнем бассейне Интенсивное перемешивание воды на локальных участках бассейнов Значительные колебания уровня воды в бассейнах

Разбавление

Снижение концентрации загрязняющих веществ в воде

Сглаживание амплитуд сезонных колебаний концентраций загрязняющих веществ в воде

Увеличение времени пребывания загрязняющих веществ в бассейнах

Аэрация, насыщение воды кислородом

Сорбция, седиментация взвесей, соединений тяжелых металлов, других веществ. Аккумулирование их в донных отложениях

Окислительная деструкция органических соединений

Образование нерастворимых гидроксидов металлов

"С

Препятствие развитию процессов эвтрофирования, цветения воды

Препятствие развитию высшей водной растительности, патогенной микрофлоры

Улучшение качества воды в бассейнах и нижнем бьефе ГАЭС Снижение уровня трофии бассейнов Улучшение состояния гидробионтов и ихтиофауны Улучшение санитарно-гигиенической обстановки в бассейнах

Последствия воздействия ГАЭС на водную среду

Рис. 4 Факторы и последствия воздействия ГАЭС на водную среду

Факторы и последствия воздействия ГАЭС на водную среду показаны на рис. 4.

В шестой главе приводится обоснование выбора первоочередных площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

Размещать ГАЭС целесообразно в промышленных и урбанизированных районах, в центрах энергопотребления. Московский регион является одним из наиболее энергоемких в России. Поэтому создание дополнительных маневренных источников электроэнергии, позволяющих сглаживать суточные графики распределения нагрузки в энергосистемах, является вопросом весьма актуальным.

В связи с вышесказанным в Московской области были проведены инженерно-изыскательские, гидротехнические и геоэкологические работы по выбору площадок для строительства ГАЭС. Рассмотрено пять потенциально возможных вариантов размещения ГАЭС в Московской области, отвечающих в первую очередь техническим условиям: Богдановские площадки (I, И) на р. Б.Сестра, Бегичевская, Рыжковская и Чичковская - на р. Нара.

Опьгг исследований по оценке воздействия Загорской ГАЭС на окружающую среду был использован нами для экологического обоснования выбора площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

Комплексная оценка площадок составлялась на базе рейтинговых бальных оценок протекания наиболее значимых процессов в водной среде бассейнов ГАЭС и их береговой зоне. Сравнение выбранных площадок осуществлялось по единому комплексному показателю, выражающему в баллах рейтинга степени возможного воздействия строительства и эксплуатации ГАЭС на окружающую природную среду. В результате была выбрана площадка с наименьшим возможным неблагоприятным воздействием на окружающую природную среду - Богдановская I.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ мирового опыта эксплуатации ГАЭС, комплексные геоэкологические исследования в районе размещения Загорской ГАЭС выявили следующие факторы воздействия таких объектов на водную среду: увеличение объемов воды при создании бассейнов, обусловливающее проявление эффекта разбавления; замедление скоростей течения воды, приводящее к увеличению времени пребывания загрязняющих веществ в бассейнах; интенсивное перемешивание воды на локальных участках бассейнов, значительные колебания уровня воды, ведущие к аэрации, насыщению воды растворенным кислородом.

2. Результаты геохимических съемок показали, что обстановка в районе

расположения Загорской ГАЭС определяется загрязнением природной среды такими

21

веществами как: соединения тяжелых металлов, органические и биогенные вещества, нефтепродукты, фенолы и др. Их источниками являются предприятия машиностроительного комплекса и коммунального хозяйства, а также рассредоточенный сток с селитебных и сельскохозяйственных территорий. Экологическая ситуация изучаемого района отражена на специально построенных геохимических картах.

3. Создание бассейнов ГАЭС и начало эксплуатации первых гидроагрегатов существенным образом изменили условия формирования качества воды р. Кунья.

Натурные исследования качества воды р. Кунья и бассейнов ГАЭС показали, что разбавляющий эффект бассейнов ГАЭС проявляется в снижении уровня минерализации в нижнем бьефе на 30-35 %, эффект аккумулирования взвесей - в снижении содержания взвешенных веществ в среднем на 30-50%. С началом эксплуатации ЗГАЭС улучшились условия аэрации воды и интенсифицировались процессы окислительной деструкции органических соединений. Изменение качества воды, выраженного как процент самоочищения, в бассейнах Загорской ГАЭС составляет для органики, биогенов и нефтепродуктов - 40 - 70%.

4. Бассейны ГАЭС характеризуются благоприятными условиями для седиментации взвешенных форм тяжелых металлов и аккумуляции их донными отложениями. Самоочищающая способность бассейнов Загорской ГАЭС для разных тяжелых металлов составляет от 30 до 95%.

Содержание тяжелых металлов в донных отложениях бассейнов ГАЭС не выходит за пределы естественного фона прилегающего района. Возможность вторичного загрязнения водной среды соединениями тяжелых металлов в результате взмучивания донных отложений при работе станции была проверена экспериментальным путем. Результаты эксперимента показали, что количество тяжелых металлов, перешедших в воду из донпых отложений, составляет незначительную часть (0,5 - 2,1%) от их валового содержания. Вымывание тяжелых металлов из донных отложений практически не активизируется, даже в присутствии сильных комплексообразователей в количествах, превышающих содержание металлов на несколько порядков. Это свидетельствует о весьма прочном связывании металлов в донных отложениях.

5. Гидробиологический режим бассейнов Загорской ГАЭС до настоящего времени полностью не стабилизировался. Это выражается в слабом развитии высшей водной растительности и зообентоса. По уровню развития фитопланктона бассейны ЗГАЭС можно отнести к водоемам мезотрофного типа.

6. Улучшение качества воды под влиянием работы Загорской ГАЭС благоприятно сказалось на состоянии ихтиофауны. В бассейнах ГАЭС численность рыбного стада

22

выше, чем в реке, увеличилось его видовое разнообразие. Для рыб, выловленных в бассейнах, характерны большая длина, вес, балл накормленности, степень жирности, что свидетельствует о благоприятных условиях для нагула рыбы. Условия обитания рыб в верхнем бассейне несколько лучше. Установлена хорошая адаптация рыб к условиям работы ГАЭС.

7. Разработана методика комплексной рейтинговой оценки экологического состояния водной среды в зависимости от уровня антропогенного воздействия. Методика применена для оценки последствий воздействия ГАЭС на водную среду в условиях постепенного наполнения бассейнов ГАЭС и выполнения водоохранных мероприятий, а также при выборе площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

8. На основе анализа результатов исследований разработан состав водоохранных мероприятий, в том числе система экологического мониторинга, направленных на стабилизацию экологической обстановки района расположения Загорской ГАЭС.

9. Результаты работы были использованы при экологическом обосновании выбора площадок для строительства ГАЭС в Московской области.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. I. Dmitrieva, Т. Gourievitch, G. Popova. Assessment of Pumped-Storage Plant Impact on Water Ecosystem. Abstracts from III International Conference on Reservoir Limnology and Water Quality. Czech Republic, 1997. p. 131.

2. I. Dmitrieva, T. Gourievitch, O. Rubin, A. Zhircevich. Peculiarities of Zagorsk Pumped-Storage Plant Impact on Water System. Proceedings. International Conference on European River Development. 16-18 April, 1998. Budapest, pp. 353-360.

3. Гурьевич Т.Б. Мониторинг водной среды в бассейне р. Куньи. Тезисы III Международного конгресса «ЭКВАТЕК. Вода: экология и технология». Москва. 1998, с.451.

4. Гурьевич Т.Б. Экологические последствия воздействия гидроаккумулирующих станций на водосборный бассейн. Тезисы Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 2», 14-18 сентября 1998 г., Тольятти, с. 132.

5. Дмитриева И.Л., Лебедева И.П., Гурьевич Т.Б. Современные экологические проблемы водохранилищ (по материалам международных конференций) // Научно-технический и производственный сборник «Безопасность энергетических сооружений», вып. 2-3,1998, с. 246-252.

6. Дмитриева И.Л., Микоц Л.М., Гурьевич Т.Е. Экологический мониторинг верхнего и нижнего бассейнов Загорской ГАЭС на реке Кунья. Тезисы Международного конгресса «Великие реки», 1999 г., Нижний Новгород, с. 271-272.

7. Гурьевич Т.Б. Геоэкологические особенности воздействия гидроаккумулирующих электростанций на водную среду. Строительство -формирование среды жизнедеятельности: Материалы пятой научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (5-6 июня 2002 г.): / М.: МГСУ, 2002. с. 78-80.

8. Гурьевич Т.Б., Мулин И.Б., Дмитриева И.Л., Волшаник В.В. Оценка экологической безопасности сложной техноприродной системы (на примере Загорской гидроаккумулирующей электростанции) // Экология промышленного производства, 2002, №3, с. 40-43.

9. Гурьевич Т.Б. Влияние гидравлических режимов гидроаккумулирующих электростанций на качество воды в их бассейнах. Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Материалы шестой научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (22-23 мая 2003 г.). М.: МГСУ, 2003. с. 110-112.