автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий

Введение.

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ.

1.1. Анализ современных методологических подходов к оценке воздействия техногенных компонентов на окружающую среду. Ю

1.2. Состояние изученности вопроса взаимодействия водохранилищ и окружающей среды.

Выводы.

2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ В ПРЕДЕЛАХ БАССЕЙНОВЫХ ГЕОСИСТЕМ.

2.1. Анализ энергетического функционирования бассейновых геосистем.

2.2. Особенности изучения взаимодействия водохранилищ с окружающей природной средой.

2.2.1. Фоновое состояние бассейновой геосистемы.

2.2.2. Прогнозное состояние природно-технической системы.

2.2.3. Зональные особенности воздействия водохранилища на окружающую природную среду.

Выводы.

3. ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА В ИЗУЧЕНИИ СИСТЕМЫ «ВОДОХРАНИЛИЩЕ - ОКРУЖАЮЩАЯ ПРИРОДНАЯ СРЕДА».

3.1. Функциональная модель системы «Водохранилище - Окружающая природная среда».

3.2. Экспериментальные исследования и расчет составляющих обобщенного коэффициента эффективности системы «Водохранилище - Окружающая природная среда».

3.2.1. Обобщенный коэффициент преобразования потенциальной энергии воды в фильтрационный расход.

3.2.2. Коэффициент потерь мощности от наносов, привлекаемых к створу гидроузла.

3.2.3. Коэффициент потерь преобразования солнечной радиации на водной поверхности.

3.2.4. Коэффициент потерь преобразования потенциальной энергии водохранилища в электрическую энергию.

3.3. Энерго - энтропийный анализ функционирования системы

Водохранилище - Окружающая природная среда».

Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БАССЕЙНОВОЙ ГЕОСИСТЕМЫ РЕКИ БЕЛОЙ.

4.1. Подход к моделированию энергетического взаимодействия компонентов исследуемой системы.

4.2. Формализация энергетических процессов бассейновой геосистемы.

4.2.1. Расчет энергии (мощности) водотока как составляющей свободной энергии системы.

4.2.2. Баланс солнечной энергии в пределах бассейновой геосистемы.

4.3. Имитационное моделирование энергетических процессов в бассейновой геосистеме.

4.3.1. Необходимость имитационной модели и задачи, решаемые с ее помощью.

4.3.2. Алгоритм имитационной модели и особенности ее работы.

4.3.3. Проверка адекватности имитационного моделирования.

Выводы.

5. ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОУЗЛА НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

5.1. Социальные и эколого-экономические факторы создания Юмагузинского водохранилищного гидроузла.

5.2. Энерго-энтропийный подход в эколого-экономическом обосновании строительства гидроузла.

5.3. Расчет энерго-энтропийных показателей эколого-экономического функционирования Юмагузинского гидроузла.

Выводы.

Актуальность проблемы. Устойчивое развитие социально-экономических процессов в стране неотъемлемо взаимосвязано с использованием водных ресурсов в различных отраслях хозяйственной деятельности. Основным источником таких ресурсов в Российской Федерации является речной сток, который формируется в пространственных пределах басо сейновых геосистем и оценивается в 4050 км . Водохранилищные гидроузлы рассматриваются как один из наиболее важных и значимых инструментов управления водными ресурсами. В России в настоящее время эксплуатируется более 2650 водохранилищ, суммарная емкость которых составляет

3 3 порядка 812 км , из которых полезная составляет около 342 км [35, 113]. Наличие водохранилищ в пространственных пределах бассейновых геосистем вносит определенные изменения в естественные процессы взаимодействия природных (биотических и абиотических) компонентов. Характер изменений и их направленность имеют важное значение, для окружающей природной среды и процессов жизнедеятельности населения в зоне действия водохранилищ.

Анализ опыта эксплуатации водохранилищных гидроузлов показывает, что за последний 50 - летний период фрагментация и трансформация рек мира плотинами приводит к повышению концентрации населения (суммарно около 80 млн. людей в различных частях света) в районах образования водохранилищ.

Оценка изменений, происходящих в окружающей природной среде, имеет важное научное и практическое значение. Одним из новых и перспективных подходов в оценке воздействия водохранилищ на окружающую природную среду и жизненно важных интересов человека является принцип анализа обмена энергией, который базируется на законах природы, принципах устойчивого функционирования природпо-технических систем. Такой подход в оценке воздействия водохранилищного гидроузла на окружающую природную среду более обоснованно в количественном и качественном виде отражает происходящие изменения, обуславливает системное понимание процессов функционирования природно-технических систем.

Природно-техническая система «Водохранилище - Окружающая природная среда» рассматривается как целостная, динамичная, открытая, устойчиво-неравновесная система, имеющая как внутренние, так и внешние связи в пространственных пределах бассейновой геосистемы водного объекта - реки.

Функционирование водохранилищ во взаимосвязи с окружающей природной средой обуславливает подчинение законам сохранения тенденции изменения и законам сохранения, которые относятся ко второму закону термодинамики (закон роста энтропии) и законам сохранения энергии и мощности. Следовательно, в процессах взаимодействия природных и техногенных компонентов системы «Водохранилище - Окружающая природная среда» объединяющим началом может рассматриваться закон сохранения мощности, который может быть использован в разработке энергоэнтропийного подхода оценки воздействия водохранилищ на окружающую природную среду. Уровень воздействия водохозяйственного объекта на окружающую природную среду обуславливает собой экологическую безопасность, что и определяет актуальность выполненных исследований.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» (Программа Российской Федерации от 19 февраля 2001 г. № 242-р) и тематического плана ФГОУ ВПО НГМА по выполнению межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2001-2005 гг.

Целыо диссертационной работы является: совершенствование методов оценки влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий на основе разработки элементов системного подхода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методов оценки влияния водохра-нилищных гидроузлов на окружающую природную среду;

- обосновать рассмотрение функционирования бассейновых геосистем как открытых неравновесных систем, изучаемых на основе первого и второго начал термодинамики;

- разработать основы системного энерго-энтропийного подхода оценки влияния строительства водохранилищного гидроузла на прилегающую природную среду;

- разработать технологию имитационного моделирования для оптимизации параметров воздействия водохранилищного гидроузла на природную среду;

- оценить на стадии проектирования эколого-экономические параметры функционирования гидроузла на основе предлагаемого энергоэнтропийного подхода.

Научная новизна результатов проведенных исследований: установлены теоретические основы для возможности изучения влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий на основе первого и второго начал термодинамики;

- разработана методика определения энергетического состояния системы «Водохранилище - Окружающая природная среда», произведен расчет диапазонов изменения основных энергетических характеристик функционирования системы;

- усовершенствовано применение имитационного моделирования в оценке вариантов природопользования с учетом влияния водохранилища, путем применения при вводе данных матрицы исходных параметров;

- на основе энерго-энтропийного подхода проведен анализ эколого-экономического функционирования исследуемой системы на примере Юмагузинского гидроузла на р. Белой.

Достоверность научных результатов, полученных в работе основывается на применении к изучению системы «Водохранилище - Окружающая природная среда» фундаментальных физических законов, описывающих функционирование природных систем. Достоверность используемых разработанных математических моделей основывается на применении адекватной предъявляемым требованиям имитационной модели, и соответствии расчетных параметров реальным условиям исследуемого Юмагузинского гидроузла.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ее рамках получены результаты исследований, направленные на рассмотрение системы «Водохранилище - Окружающая природная среда» с изучением ее энергетического баланса для возможности оценки прогнозного состояния системы, что позволило усовершенствовать существующие методы оценки влияния водохранилищ на прилегающие территории.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на региональных конференциях и научных семинарах Новочеркасской государственной мелиоративной академии (г. Новочеркасск, 2000-2005 гг.); Международной научно-практической конференции «Белые ночи» Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Санкт-Петербург, 2004г.); 2-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» Всероссийского научно исследовательского института систем орошения и сельхозводоснабжения «Радуга» (г. Коломна 2005).

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в проектную практику при разработке проектных решений и техникоэкономического обоснования строительства Юмагузинского гидроузла на р. Белой в республике Башкортостан (ООО ПКФ ПРОМИВХ г. Ростов-на-Дону). На основе энерго-энтропийного подхода автором рассчитан эколого-экономический эффект от строительства Юмагузинского гидроузла, по которому в течении 4-5 лет после окончания строительства будет получен экономический эффект выраженный 13 млрд. МВт.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей, из ! них 1 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка использованной литературы. Общий объем диссертационной работы 199 страниц машинописного текста, в том числе 32 рисунка, 17 таблиц и 4 приложения. Библиографический список использованной литературы включает 174 наименования, в том числе 24 работы зарубежных авторов.

Выводы

1. Установлено, что в плане защиты от наводнений в среднем течении р. Белой проект Юмагузинского гидроузла рассмотренный в работе является наиболее эффективным среди альтернативных вариантов, экономические затраты на его возведение также ниже альтернативных.

2. В соответствие с фундаментальным энерго-энтропийпым подходом описано эволюционно-экономическое функционирование системы от критической экономической ситуации первого рода до функционирования, характеризуемого как устойчивое наравновесное экономическое развитие.

3. Рассчитанные в единицах мощности эколого-экоггомические парамет-)ы Юмагузинского гидроузла показали рассогласованность роста мощности ютерь и полезной мощности в пользу последней. По истечению времени г = 4,25г после преодоления системой точки неустойчивого функционального колого-экономического равновесия будет наблюдаться рост возможности поучения совокупного эколого-экономического эффекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ научно-технической литературы, посвященной решаемой проблеме показал, что деятельность, направленная на оценку воздействия на окружающую природную среду является как в России, так и за рубежом одним из основных элементов эколого-экономического обоснования проекта. При разработке, создании и реконструкции гидротехнических систем, включающих водохранилище, внимание главным образом уделяется анализу воздействия будущего или существующего водохранилища на окру' жающую среду. Для решения этого вопроса в нашей стране было создано несколько сильных научных школ, результаты работы которых получили широкое применение в практике гидротехнического строительства.

Автором установлено, что создание водохранилищ порождает различное отношение к ним со стороны специалистов, даже один отрицательный фактор природопользования способен повлиять на негативную оценку влияния водохранилища, в равной степени и наоборот. В соответствии с этим в работе принято, что совершенствованию методов оценки влияния водохранилищ па окружающую среду будет способствовать разработка системного подхода, направленного на учет значительного количества факторов в едином критерии оценки.

2. В исследованиях, выполненных в рамках диссертации, изучение системы «Водохранилище - Окружающая природная среда» ведется в пространственных пределах бассейновой геосистемы зарегулированного водного объекта. Поэтому был проведен анализ энергетического функционирования бассейновых геосистем, установивший обоснованность изучения рассматриваемых процессов природопользования на основе первого и второго начал термодинамики. Применение такого подхода позволило автору вести оценку влияния водохранилища на окружающую среду с изучением состояния всей системы «Водохранилище - Окружающая природная среда», определяемого формированием энергетического баланса.

В результате предложена методика оценки состояния исследуемой системы «Водохранилище - Окружающая природная среда», заключающаяся в изучении процессов формирования энергетического баланса системы с определением количественных характеристик энтропии.

3. Для использования предложенных критериев оценки автором применен к модели системы «Водохранилище - Окружающая природная среда» закон сохранения мощности, что позволило уточнить области функционирования системы, позволяющие с помощью расчета коэффициента полезного действия ?/0 как характеристики использования системой полной мощности и коэффициента £, выражающего способность системы к функционированию и развитию отслеживать на графике возникновение тенденции развития либо деградации. Автором, на примере Юмагузинского гидроузла установлен диапазон возможных изменений характеристики использования системой полной мощности 0,852 <//0 <1, и коэффициента способности системы к функционированию и развитию 1,17><f>l. Возможность получения указанных количественных значений обусловлена, проведенными в рамках настоящей диссертации, экспериментальными и теоретическими исследованиями процессов фильтрации, накопления наносов, испарения с водной поверхности, усвоения солнечной радиации и так далее.

4. В рамках работы, с целью усовершенствования процесса оценки влияния водохранилищ на прилегающие территории, предложена реализация аналитической модели энергетического взаимодействия компонентов системы с помощью разработанной автором имитационной модели. В целях обеспечения возможности корректного ввода данных, и их возможной вариации, разработана матрица исходных параметров, заполнение которой предшествует проведению вычислительных операций.

5. На заключительном этапе выполнения работы автор применил энерго-энтропийный подход в эколого-экономическом обосновании строительства Юмагузинского гидроузла. В соответствии с чем, по результатам расчета значений ординат в единицах мощности, на одной координатной оси были построены кривые эволюционного функционирования системы, характеризующие мощность потерь и эколого-экономическую эффективность - полезную мощность. Указанный этап исследований дал возможность положительного прогноза эколого-экономического развития системы «Водохранилище - Окружающая природная среда», что на графике характеризуется рассогласованностью темпов роста мощностей потерь и эффективности в пользу последней.

1. Авакян, А.Б. О воде с тревогой и надеждой Текст. Екатеринбург, 1999.-173 с.

2. Авакян, А.Б. Проблемы комплексного использования водных ресурсов бассейна Волги Текст. / А.Б. Авакян, Г.П. Калинин, В.А. Шарапов // Водные ресурсы. 1975. -№ 4. - 120с.

3. Авакян, А.Б. Водохранилища Текст. / А.Б. Авакян, В.П. Салаткин, В.А. Шарапов. М.: Мысль, 1987. - 240с.

4. Авакян, А.Б. Задачи исследований по прогнозированию влияния территориального пеорераспределения стока на природные условия Текст. / А.Б. Авакян, Л.С. Вендров, Б.А. Корнилов // Водные ресурсы. 1978. -№2.-С. 123-135.

5. Авакян, А.Б. Повышение эффективности использования водохранилищ путем их районирования, планировки и обустройства Текст. / А.Б. Авакян, В.П. Салаткин // Водные ресурсы. 1979. - № 5. - С. 45-56.

6. Авакян, А.Б. Некоторые вопросы проектирования водохранилищ Текст. / А.Б. Авакян, Л.Н. Шапиро, В.А. Шарапов // Гидротехн. стр-во. 1968.-№4.-С. 45-47.

7. Авакян, А.Б. Водохранилища: Факты, проблемы, решения Текст. // Мелиорация и водное хоз-во. 1998. -№ 3. - С. 12-14.

8. Анахаев, К.Н. Совершенствование конструкций, методов расчетного обоснования и проектирования противофильтрационных устройств грунтовых плотин Текст.: автореф. дис. на соискание учен, степени д-ра техн. наук. М., 1997. - 53с.

9. Асарин, Е.Е. О современных правилах использования водных ресурсов водохранилища Волжско- Камского каскада гидроузлов Текст. / Е.Е. Асарин, К.Н. Бестужева, А.А. Москалев // Водные ресурсы. 1975. - № 4.-С. 54-63.

10. Бабкан, В.И. Современная водообеспеченность СССР Текст. /В.И. Ба-бакан, А.Г. Колоколов, Л.И. Полад-Заде и др. // Труды ГГИ. 1991. -Вып. 352.-С. 3-21.

11. Бабук, И. М. Инвестиции: финансирование и оценка экономической эффективности Текст. Мн.: ВУЗ- ЮНИТИ, 1996. - 50с.

12. Бабурин, В.Н. Гидроэлектрика и комплексное использование водных ресурсов Текст. М: Наука, 1986. - 60с.

13. Безопасность энергетических сооружений: Науч.-техн. и произвол, сборник Текст. М.: АО «НИИЭС», 1998. Вып. 2-3 - С. 45-67.

14. Белов, П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере Текст.: учеб. пособие ВУЗов. М.: Изд. центр «Академия», 2003.-512с.

15. Бери, Б.Л. Вариации глобальных геоэкологических процессов Текст. // Тез. докл./ Всес. конф. «Геолого-геофизические исследования при решении экологических задач».-М., 1991.-С. 14-16.

16. Богомолов, Гидравлика Текст.: учебник для гидротехн. спец. ВУЗов. -М.: Стройиздат, 1972. 648с.

17. Бондаренко, B.JI. К вопросу о безопасности работы недостроенного гидроузла при пропуске строительных расходов через тело грунтовой плотины Текст. / B.JI. Бондаренко, Е.Н. Белоконев // Водное хозяйство России. -2001.-Т.3,№ 2.-с. 163-170. ^ 7

18. Бондаренко, B.JI. Основы методологии по оценке технической безопасности водохранилищного гидроузла на стадии проектирования Текст. / B.JI. Бондаренко, В.А. Волосухин, М.А. Морозов // Водное хозяйство России.-2001.-Т. 1, № 1.-С. 380-384.

19. Будыко, М.И. Глобальная экология Текст. /М.И. Будыко, А.Б. Авакян, В.Л. Широков. М.: Мысль, 1977. - С 56-70.

20. Будыко, М.И. О влагообороте на ограниченной территории суши Текст. / М.И. Будыко, О.А. Дроздов // Вопросы гидрометеорологической эффективности полезащитного лесоразведения.-JI.: Гидрометеоиз-дат, 1950.-248 с.

21. Василевский, А.Г. Нормативно-методическое обеспечение федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений Текст. // Из24