автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Водохозяйственный комплекс бассейна реки Иртыш в условиях перераспределения речного стока выше трансграничных створов

На правах рукописи

005060785

РОМАНОВА ЮЛИЯ АНАТОЛЬЕВНА

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС БАССЕЙНА РЕКИ ИРТЫШ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЧНОГО СТОКА ВЫШЕ ТРАНСГРАНИЧНЫХ СТВОРОВ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАП 2013

МОСКВА 2013

005060785

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) на кафедре «Комплексное использование водных ресурсов»

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Раткович Лев Данилович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

Исмайылов Габил Худуш Оглы

доктор географических наук, доцент Фролова Наталья Леонидовна

Ведущая организация ОАО «Проектно-изыскательский и

научно-исследовательский институт «Гидропроект» имени С.Я. Жука»

Защита диссертации состоится 17 июня 2013г. в 12 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201.

Тел./факс 8(499)976-10-46; E-mail: mailbox@msuee.ru, msuee@list.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО МГУП.

Автореферат разослан 13 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение задач в области использования и охраны водных объектов, совершенствования и развития водохозяйственного комплекса Российской Федерации связано с оценкой водохозяйственной ситуации, разработкой и принятием мер по рациональному использованию и сохранению водно-ресурсного потенциала. Несоответствие распределения водных ресурсов с размещением населения и развитием экономики весьма актуально для нашей страны.

Водохозяйственная напряженность усиливается на трансграничных водных объектах. Протяженность границ по водным объектам составляет более 7 тыс. км. Приток из сопредельных стран оценивается в 227 км3 при транзитном стоке в другие страны примерно 15 км3 в год.

Современные исследования водных ресурсов, особенно в части прогнозирования- водообеспеченности на перспективу, связаны с проблемами постоянно увеличивающегося влияния хозяйственной деятельности на речной сток. При неуклонном росте водопотребления отмечается существенное ухудшение качества воды и экологического состояния водных объектов. Обе тенденции становятся сдерживающим фактором для экономического роста развивающихся стран. Проблема трансграничных водных объектов усугубляется еще и тем, что потребление воды в одном месте ограничивает доступ к ней в другом.

Существуют и другие вопросы, связанные уже с пограничными створами. Многогранность ситуации требует аналитического обобщения с последующей выработкой рекомендаций и документов для объективного решения проблем вододе-ления и совместного управления водными ресурсами.

Наиболее значимыми для России «партнерами» по совместному использованию вод являются КНР и Республика Казахстан.

Международные водные бассейны с их водосборами и водоразделами, включая озера и грунтовые воды, используемые более чем одной страной, покрывают более половины суши на Земле. Использование речного стока выше по течению определяет то, каким образом река может быть использована ниже, что само по себе может стать поводом и для спора, и для сотрудничества. Подобная ситуация сложилась на территории бассейна реки Иртыш. Верхняя часть бассейна р. Иртыш расположена в Китайской Народной Республике, средняя часть находится на территории Республики Казахстан и нижняя часть бассейна располагается на территории Российской Федерации.

Для Китая водные ресурсы Иртыша - основа развития и заселения территории Сянь-Чжань Уйгурского автономного района республики. В ближайшие годы при росте экономического потенциала страны, вызванного освоением новых территорий СУ АР, топливно-энергетических и земельных ресурсов, возникнет серьезная проблема с водообеспечением стран, расположенных ниже по течению.

На основании проведенных исследований ведущих российских ученых: С.Н.Крицкого, М.Ф.Менкеля, А.Д. Саваренского, их учеников и последователей, внесших огромный вклад в развитие стохастической и инженерной гидрологии, водного хозяйства и гидроэнергетики: А.Е. Асарина, КН. Бестужевой, Е.Г. Блохи-нова, АЛ. Великанова, Я.Д. Гильденблатга, Г.Х. Исмайьшова, Н.А. Картвелишвили,

И.В. Гуглия, Д.В. Коренистова, Я.Ф. Плешкова, Д.Я. Ратковича, А.Ш. Резниковско-го, Г.Г. Сванидзе и других специалистов, а также многочисленных публикаций по теме исследований можно утверждать, что в ближайшей перспективе водные ресурсы станут максимально приоритетными природными ресурсами, способными провоцировать внешнеполитические конфликты. Необходима надежная и корректная технология совместного водопользования и управления водными ресурсами трансграничных бассейнов. В договорных соглашениях следует регламентировать не только общие моменты, но и детализировать механизм распределения имеющихся водных ресурсов между объектами и субъектами во до деления.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационных исследований заключается в проведении комплексной оценки влияния прогнозируемого использования вод в китайской части бассейна Иртыша на водообеспеченность Республики Казахстан и РФ на участке реки между двумя государственными границами. Водопользование в КНР рассматривается с учетом планируемых ее правительством мероприятий по регулированию и территориальному перераспределению стока. Предполагается, что результаты настоящих исследований заложат основу рекомендаций технического и правового характера для совместного использования водных ресурсов Иртыша тремя заинтересованными сторонами.

Соответственно были сформулированы задачи диссертации:

- провести комплексный анализ объема и режима водопотребления на территории КНР в пределах иртышского бассейна и построить схему водохозяйственного районирования бассейна р. Черный Иртыш;

- разработать компьютерную версию имитационной водохозяйственной модели для территории Китая и путем постворного водохозяйственного баланса рассчитать многолетний приток к трансграничному створу в месячных интервалах времени применительно к разным сценариям реализации проектов территориального перераспределения стока в КНР;

- оценить однородность и репрезентативность гидрологического ряда в граничном створе (с. Буран) и выполнить переход к створу Бухтарминской гидроэлектростанции;

- используя материалы открытых публикаций, СКИОВР Оби и Иртыша и других проектных разработок прошлых лет, определить режим использования водных ресурсов Иртыша выше границы России с Казахстаном в обозримой перспективе;

- разработать укрупненную компьютерную версию имитационной водохозяйственной модели каскада Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ, провести вариантные расчеты для оценки изменения гарантированной водоотдачи под влиянием проектов КНР и прогнозируемого развития водопотребления в РК;

- для обоснования режима регулирования стока каскадом названных водохранилищ в будущем разработать алгоритм оптимизационной водохозяйственной модели;

- сформулировать рекомендации для совершенствования процесса совместного управления водными ресурсами бассейна р. Иртыш.

Предмет и объект исследования. Предмет исследований - водохозяйственная обстановка в бассейне р. Иртыш, которая является важнейшим социально-

экономическим показателем, отражающим с одной стороны состояние сложного и разветвленного водохозяйственного комплекса, а с другой стороны способность сопредельных стран, в данном случае Китая, Казахстана и России, к конструктивному сотрудничеству в области водно-экономических отношений. Объект исследований - водохозяйственный комплекс реки Иртыш. Водные пути почти на всём протяжении Иртыша имеют исключительное значение для экономики.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведены конструктивные исследования объема и режима водопользования на территории КНР в пределах иртышского бассейна; построена схема водохозяйственного районирования в бассейне Черного Иртыша; на основе разработанной имитационной воднобалансовой модели рассчитана антропогенная поправка к многолетним гидрологическим рядам стока на границе с Казахстаном и в створе Бухтарминской ГЭС, позволяющая получить многолетние последовательности притока Иртыша к границе с Казахстаном для диапазона изменения объемов водопо-требления и режимов изъятия воды выше трансграничного створа КНР-РК.

2. Разработана имитационная модель для оценки регулирующей способности каскада Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ в условиях перераспределения речного стока выше створа БГЭС.

3. Для обоснования режима регулирования каскада в конкретной ситуации разработана постановочная версия оптимизационной модели.

4. Впервые выполнена вариантная оценка состояния водохозяйственного комплекса Иртыша на участке реки от створа БГЭС до границы Республики Казахстан с Российской Федерацией, в зависимости от прогнозируемых изменений водного режима реки вследствие реализации проектов территориального перераспределения в КИР и роста водопотребления в РК.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по всем позициям диссертационных исследований обеспечена использованием утвержденных методов гидрологических и водохозяйственных расчетов и сопоставлением результатов исследований с реальной обстановкой в бассейне Иртыша. Прогноз снижения стока р. Черный Иртыш в ближайшей перспективе согласуется с материалами СКИОВО Иртыша (Казахстан 2005 г.) и более ранними результатами проектных и научно-исследовательских разработок, выполненных ЗАО ИКК «СОВИНТЕРВОД».

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы обусловлена высокой актуальностью рассматриваемых проблем и конкретными результатами для оценки водохозяйственной ситуации в трансграничном бассейне.

Водохозяйственная обстановка в китайской части бассейна в значительной степени влияет на ситуацию в створе Бухтарминской гидроэлектростанции, расположенной в Казахстане. Бухтарминское водохранилище на протяжении десятилетий было гарантом водообеспечения огромного водохозяйственного комплекса на участке от БГЭС до г. Омска: водный транспорт и энергетика, промышленное и коммунально-бытовое водоснабжение (в том числе водозаборные сооружения г.Омска), орошение, водоподача в засушливые области Казахстана по каналу Иртыш-Караганда, обводнение плодородной Павлодарско-Омской поймы. Последствия

прогнозируемого сокращения стока без адекватных компенсационных мер могут вызвать падение уровня озера Зайсан, разделение Бухтарминского водохранилища и озера Зайсан со снижением регулирующей емкости, прекращение судоходства, необратимое ухудшение экологических условий на всем протяжении Иртыша до г. Омска. Таким образом, режим использования водных ресурсов в бассейне Иртыша, не может быть прерогативой вышележащей державы, а должен устанавливаться тремя странами в ходе постоянного переговорного процесса посредством обоснованных совместных решений. Приведенные соображения определили выбор водохозяйственного комплекса Иртыша в качестве объекта исследований.

Методы исследований. Теоретический анализ, имитационное и оптимизационное моделирование, анализ и обобщение результатов модельных экспериментов, сопоставление экспериментальных и натурных данных.

На защиту выносится методология анализа водохозяйственной обстановки в бассейне р. Иртыш с учетом реализованных и прогнозируемых проектных решений в КНР и республике Казахстан.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации неоднократно докладывались на научно-практических и научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природо-обустройства» и ОАО «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева». Диссертация обсуждалась на совместных заседаниях кафедры «Комплексного использования водных ресурсов» и кафедры «Гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока» МГУП, докладывалась в ОАО «Институт Гидропроект», изложена в ряде статей и в одной из глав монографии, по вопросам проектного обоснования водохозяйственных систем.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Содержит 52 таблицы, 63 рисунка. Список литературы включает в себя 117 наименований, в том числе 16 иностранных изданий.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.т.н, проф. Л.Д. Ратковичу и консультанту д.т.н. А.Е. Асарину за ценные советы и поддержку при проведении диссертационных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассматриваются современные проблемы трансграничных бассейнов и методология их решения в Российской Федерации и за рубежом. Как показывает мировая практика совместного использования водных ресурсов разработка эффективной водной политики, и активное международное сотрудничество

являются определяющим фактором рационального водопользования. Примером действенного международного сотрудничества является Конвенция по охране и использованию трансграничных водотоков и международных озер, разработанная под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН в г. Хельсинки в 1992 г., вступившая в силу в 1996 г. Конвенция ратифицирована и подписана 34 странами. Конвенция определяет общие принципы и факторы справедливого и разумного распределения трансграничных водных ресурсов, обязательства и процедуры взаимодействия по использованию, восстановлению и охране трансграничных водотоков. В то же время Конвенция носит в основном декларативный характер, больше способствуя добрым намерениям, нежели конкретным действиям.

Рассмотрено несколько примеров совместного управления водными ресурсами в трансграничных водных бассейнах различных регионов мира. Критической проблемой водохозяйственного взаимодействия является отсутствие гибкости в процессе урегулирования конфликтов и споров, которые возникают при вододелении ресурсов трансграничных бассейнов, а отсутствие всеобщей стратегии создает благоприятную почву для развития односторонних подходов к ее решению.

В главе также рассмотрены трансграничные водные объекты, затрагивающие Российскую Федерацию - р. Урал (южная граница), р. Западная Двина (западная граница), бассейн оз. Байкал (северо-восточная граница) и р. Дон (северо-южная 1раница). Выполнен обзор методик и водохозяйственных мероприятий, связанных с решением вопроса об управлении водными ресурсами вышеперечисленных рек. Интенсивное развитие водохозяйственного комплекса приводит к изменениям гидрологического цикла, нарушению естественного режима поверхностных и подземных вод и ухудшению их качества. Обозначена роль водохозяйственных и водоохранных мероприятий, а также научного прогноза природных процессов и функционирования природно-техногенных систем, повышающих надежность решений в области водных, в частности трансграничных проблем.

Во второй главе дается характеристика условий формирования стока бассейна р. Иртыш, проведена оценка однородности и репрезентативности гидрологического ряда в граничном створе (с. Буран). На основе данных открытых публикаций, СКИ-ОВР р. Обь и р. Иртыш и других проектных разработок прошлых лет, а также данных аэрокосмических наблюдений, был определен режим использования стока Иртыша выше границы КНР с Республикой Казахстан на современном этапе развития. Выполнен анализ действующих соглашений о международном сотрудничестве трех стан (Китая, Казахстана и России) в сфере совместного использования водных ресурсов р. Иртыш.

Река Иртыш является основным притоком реки Обь. По длине Иртыш считается второй на планете рекой-притоком после Миссури. Суммарная площадь бассейна Иртыша 1643 тыс. км2. Исток расположен на границе Китая и Монголии, на юго-западном склоне Южного Алтая. Общая длина составляет 4248 км: 610 км реки расположены на территории Китая, 1558 км принадлежат Казахстану, а России около 2080 км. Обзорная карта бассейна р. Иртыш представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Обзорная карта бассейна р. Иртыш

Черный Иртыш - водохозяйственный комплекс на территории Китайской

Народной Республики.

Иртыш берет начало на юго-западных склонах Южного Алтая на территории КНР, протекает он сначала к югу, затем резко поворачивает к западу и, удерживая западное направление, впадает в озеро Зайсан. Река Иртыш на территории Китая носит название Черный Иртыш. Длина реки до границы с Казахстаном - 610 км, площадь бассейна - 55210 км2. Наиболее многоводными являются правые притоки: р. Караирты, р. Курты, р. Голубой Иртыш, р. Кран, р. Бурчун, р. Каба и другие.

Питание Черного Иртыша смешанное: снеговое, ледниковое, грунтовое и меньше дождевое. Весенне-летнее половодье формируется за счет таяния снега и ледников в горах. Гидрологическая характеристика речного стока составлена по данным многолетних наблюдений на гидрометрической станции у с. Буран (Г=55900 км2), расположенной на территории Республики Казахстан в 23 км ниже границы с КНР. Было принято решение за условный естественный сток принять сток за период с 1928 по 1986 гг.. Продолжительность ряда 59 лет. Для проведения дальнейших гидрологических и водохозяйственных расчетов рассматриваемый ряд был проверен на однородность и репрезентативность (рис. 2), соответствие данным условиям было подтверждено расчетами, которые проводились с помощью статистических методов оценки рядов наблюдений.

Рис. 2. Сокращенная разностная интегральная кривая ряда с 1928 по 1986 гг.

После проверки ряда на однородность и репрезентативность для более точного определения параметров аналитической кривой обеспеченности и расчетных характеристик стока нами было принято решение создать модель условно-восстановленного ряда наблюдений. Это связано с тем, что данные, полученные с гидрологического поста с. Буран, несут информацию о притоке водных ресурсов с вышележащих участков бассейна р. Иртыш и не включают в себя существовавшее в то время водопотребление этих территориях.

При водохозяйственном районировании территории было выделено 9 водохозяйственных участков (9 расчетных створов), в бассейне р. Черный Иртыш (рис. 3). Расчетные гидрологические характеристики стока реки Черный Иртыш по водохозяйственным участкам, представленные в таблице 1, использованы для постворного многолетнего ВХБ. Таким образом, были получены многолетние ряды месячного притока к створу Буран вблизи границы Казахстана применительно к разным вариантам развития проектной деятельности в КНР.

Таблица 1.

Расчетные гидрологические характеристики реки Черного Иртыша по ВХУ I

№, створа Р, км2 Ь, км I, 7 'оо Параметры годового стока

§ ,км3 Су Га <5,л/счслГ

1-1 5948 136 14,3 1,09 0,30 0 5,8

2-2 7351 151 2,7 1,34 0,30 0 5,8

3-3 15989 242 1,9 2,92 0,28 0 5,8

4-4 40352 477 0,5 7,38 0,25 0 5,8

5-5 55210 610 0,5 10,09 0,25 0 5,8

*** Р - площадь водосбора; Ь - длина реки от истока до расчетного створа; I - уклон реки; - среднемноголетний сток; Су - коэффициент вариации; га - коэффициент автокорреляции; q - модуль стока.

ВХУ V р. Черный Иргыт I вХУ

Черный Иртыш

Условные обозначения;

• реки

• озера

- реки ■■■■■■ - граница между Китаем и

Казахстаном

- водохранилища

- плотина ' «О

0.. 5 км - объем водохранилищ

- расчетные створы

Ц - орошаемые земли

0.01 км "' - объем воды, забираемый на орошение

—каналы О - крупные города

р.Черный Иртыш - название рек. озер

- строящиеся гидроузлы., каналы

:р\мчн

О

Рис. 3. Схема водохозяйственного районирования бассейна р. Черный Иртыш

Кривые обеспеченности годового стока в расчетных створах характеризуют изменение водности реки в многолетнем разрезе (рис. 4).

16000

0 40 60 80 100 Обеспеченность Р, %

-♦-створ 1-1 -■"створ 2-2 створ 3-3 —створ 4-4 -i-створ 5-5

14000

«5

12000

¿

i 10000 Л

oí 8000

g 6000 о

г 4000 а.

К 2000

I

0 I

о

Рис. 4. Кривые обеспеченности годового стока в расчетных створах р. Черный Иртыш

Модель внутригодового распределения стока в трансграничном створе описывается однопиковым гидрографом с выраженным половодьем и продолжительной летне-осенней и зимней меженью.

Далее был сделан анализ потребности в воде каждого участника ВХК бассейна р. Иртыш по пяти выделенным ВХУ. К настоящему времени на территории бассейна реки Черный Иртыш сложился развитый индустриально-аграрный комплекс, основными участниками которого являются: 1) население, для обеспечения условий жизни которого, требуется определенный объем воды (коммунально-бытовое хозяйство);

2) промышленность; 3) животноводство; 4) сельское хозяйство (орошение земель); 5) гидроэнергетика; 6) канал «Черный Иртыш - Карамай - Урумчи»; 7) рекреация.

На современном уровне развития водохозяйственного комплекса (2012 год) суммарный забор воды в бассейне р. Черный Иртыш оценивается в 4,2 км3.

Объем и режим водопотребления рассчитаны на основании сведений, которые имеются в Схеме комплексного использования и охраны водных ресурсов (далее СКИОВР) Иртыша (2005 год), данных космической съемки и общих представлений об удельных нормах водопотребления. Переход к наиболее важному для нас створу Бухтарминской ГЭС выполнен путем введения антропогенной поправки на располагаемый ряд в створе Бурана.

Водохозяйственный комплекс Иртыша на территории Республики Казахстан.

Общая площадь бассейна р. Иртыш на территории Республики Казахстан составляет - 578 тыс.км2, длина реки от истока - 2168 км. Длительность половодья составляет в среднем около 4-х месяцев (апрель-июль).

Расчетные гидрологические характеристики естественного стока Иртыша на территории РК в разрезе водохозяйственных участков, любезно предоставленные ОАО «Институт Гидропроект» и имеющие ключевое значение в исследованиях, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Расчетные гидрологические характеристики стока р. Иртыш на территории РК

№, створа и, тыс. км2 Ь, км I 7 1, 'оо Параметры годового стока

, км3 Су га q, л/скм2

6-6 142 1055 0,2 18,77 0,24 0 5,8

7-7 254 1289 0,5 29,07 0,24 0 5,8

8-8 578 2168 0,14 27,90 0,23 0 5,8

За последние 20 лет в Казахстане сформировался крупный водохозяйственный комплекс, включающий промышленность, коммунально-бытовое хозяйство, тепло и гидроэнергетику, орошение, обводнение пастбищ, водный транспорт и рыбное хозяйство. Кроме того, в качестве самостоятельного потребителя выступает канал им. К. Сатпаева (Иртыш-Караганда), подпитывающий безводные области Казахстана в бассейне р. Ишим. Суммарное водопотребление водохозяйственного комплекса на современном этапе с учетом возвратных вод составило более 3,42 км3.

Водохозяйственное районирование бассейна р. Иртыш в пределах Казахстана представлено на рисунке 5.

Река Иртыш ниже государственной границы с Российской Федерацией

(створ г. Омск).

Низовье реки Иртыш и притоки расположены преимущественно на одной из обширнейших равнин мира — Западно-Сибирской низменности, которая представляет собой сильно заболоченную местность. В северной части бассейна р. Иртыш речная сеть достаточно густая, в южной - она практически отсутствует. Наиболее крупным притоком Иртыша в пределах рассматриваемого водохозяйственного участка (ВХУIX) является р. Омь.

В качестве исходных данных для определения гидрологических характеристик был использован ряд многолетних наблюдений за изменением естественного стока реки Иртыш в створе г. Омск. Схема ВХК российской части бассейна р. Иртыш показана на рисунке 6. В таблице 3 приведены параметры естественного стока в створе Омска и расчетные гидрологические характеристики стока р. Иртыш по ВХУ IX.

Таблица 3.

Параметры и расчетные гидрологические характеристики стока р. Иртыш по ВХУ IX

створа Р, тыс. км2 Ь, км I, о/оо Параметры годового стока

5, км3 Су Га q, л/скм2

9-9 769 2380 0,06 28,30 0,19 0 5,8

Бассейн р. Иртыш на территории Российской Федерации включает в себя Омскую и Тюменскую области. К настоящему времени на территории бассейна р. Иртыш в пределах рассматриваемого водохозяйственного участка сформировался

оз.Маркаколь

Условные обозначения

- - реки н ■наш - грашща между

- озера государствами

▲ - водохранилища | - расчетные створы

0,25 км3 - объем водохранилищ

3 - орошаемые земли О - крупные города

0,01 км" - объем воды, забираемый на орошение

л -каналы р.Нртыш - название рек. озер

Рис. 5. Схема водохозяйственного районирования бассейна р. Иртыш на территории РК

развитый индустриальный водохозяйственный комплекс, основными участниками которого, стали коммунально-бытовое хозяйство; промышленность; животноводство; сельское хозяйство; гидроэнергетика и рекреация, в основном на территории Омской области. Суммарное водопотребление с учетом возвратных вод оценивается здесь в 1,2 км3.

¡2

Условные обозначения:

- реки ■ ■МВВ - граница между

Щ - орошаемые земли государствами

0.01 кмл - объем воды. | - расчетные створы

забираемый на орошение 1Г.

^ - каналы переброски О - крупные города

р. Иртыш - название рек. озер

Рис. 6. Схема ВХК российской части бассейна р.Иртыш.

Действующие соглашения о международном сотрудничестве трех стран: Китая, Казахстана и России.

Анализ действующих соглашений о международном сотрудничестве трех стан (Китая, Казахстана и России) в сфере совместного использования водных ресурсов реки Иртыш с точки зрения занимаемой позиции каждой страны показал, что урегулирование спорных процессов в плане принятия решений происходит только путем двухсторонних переговоров. Вопрос трехстороннего сотрудничества в области рационального и использования и управления водными ресурсами р. Иртыш остается открытым.

В третьей главе описывается водохозяйственная модель реки Иртыш в пределах Китайской Народной Республики, рассмотрены проекты территориального перераспределения стока в вариантном выражении, приведены результаты исследований по созданию имитационной модели для оценки притока р. Иртыш к трансграничному створу, а также сделана оценка репрезентативности и однородности многолетнего стокового ряда в створе Бухтарминской ГЭС.

Обращаясь к главе 2 пункту 2.1. настоящей работы следует отметить, что водохозяйственный комплекс бассейна р. Черный Иртыш является характерным примером интенсивного развития водопотребления лишь на современном этапе. По предварительной оценке перспективного варианта развития ВХК объем водопотребления может вырасти до 4,5 км3. Говоря о территориальном перераспределении стока, проектный вариант КНР (канал «Черный Иртыш - Карамай - Урумчи») ориентирован на пропускную способность 213 м3/с, который теоретически позволит забрать

4.24 км3. Более детальный водохозяйственный баланс показал, что с этой пропускной способностью и с учетом растущего водопотребления, реальный водозабор составит не более 2,24 км3, Параллельно была сделана оценка пропускной способности тракта для обеспечения максимально возможного отбора воды. Оказалось, что при расходе канала 380 м3/с среднемноголетний отбор воды увеличивается всего на 100 млн.м3.

Оценка притока к границе КНР с использованием разработанной балансовой модели выполнялась для трех вариантов роста водопотребления из Иртыша:

1) Вариант, описанный в СКИОВР р. Иртыш территории Республики Казахстан (уровень развития 2005 г.) - вариант «минимум».

2) Вариант развития событий на современном уровне (уровень развития 2012 г.) -вариант «условно современный уровень».

3) Вариант развития событий на отдаленную перспективу (уровень развития 2030 г.) - вариант «максимум».

При проведении вариантной оценки притока р. Иртыш к трансграничному створу были проведены водобалансовые расчеты по ВХУ КНР, результаты которых иллюстрируются совмещенными кривыми обеспеченности при различных вариантах водопотребления и перебросок в КНР (рис. 7).

16000

14000

й'12000 ш

-10000

8000

V <¡000

—вариант минимум —вариант "современный \ - вариант" максиму м"

ровень

4000

40.00

60.00

80.00

Р.% 100.00

Рис. 7. Совмещенные кривые обеспеченности проектного притока р.Иртыш к трансграничному створу (створ 5-5) по вариантам

Как следует из рисунка вариант, рассмотренный в СКИОВР Иртыша, существенно «отстает» от реального современного варианта, причем разница составляет от 2 до 4 км3 в год в зависимости от значений обеспеченности.

Многолетний естественный ряд месячных объемов стока на границе КНР с Казахстаном и в створе БГЭС продолжительностью 59 лет, полученный в Схеме комплексного использования водных ресурсов Оби и Иртыша, любезно предоставлен ОАО «Институт Гидропроект». Репрезентативность ряда обеспечивается длиной ряда при установленных значениях коэффициента вариации (С.=0,24), близкими к естественным выборочным оценкам многолетних параметров годового и сезонного стока, а также подтверждается примерно одинаковым количеством маловодных и многоводных циклов. Оценка однородности ряда проведена с помощью статистических методов на основе проверок гипотез об однородности дисперсий и при условии равенства среднеквадратических отклонений генеральных совокупностей рассматриваемых рядов наблюдения (статистики критерия Фишера и критерия Стьюдента).

В четвертой главе рассматривается имитационная воднобалансовая модель реки Иртыш на территории Республики Казахстан. Проведен анализ водохозяйственного комплекса (объем и режим водопользования) от трансграничного створа с КНР до створа г. Омска. Построена имитационная модель для расчета регулирования стока Иртыша каскадом водохранилищ Бухтарминской и Шульбинской ГЭС.

Объем и режим водопользования от створа Бухтарминской ГЭС до

створа г. Омск.

На данном участке реки сосредоточен масштабный водохозяйственный комплекс (см. рисунок 5). Основу комплекса составляют водный транспорт и энергетика. Суммарные требования формируются из транспортно-энергетических попусков, отраслевого водопотребления и расходов для обводнения поймы. Комплексные попуски в соответствии с правилами управления водными ресурсами в Бухтарминском и Шульбинском водохранилищах должны гарантировать транзитное судоходство через границу Казахстана до створа г. Омска с мая по октябрь, в режиме многолетнего регулирования стока. Зимние энергетические попуски осуществляются в период с ноября по март. Минимальный расход каскада (320 м3/с) необходим для поддержания нормальной работы водозаборных сооружений г. Омска. В действительности эти расходы сейчас могут и не выдерживаться, что является одной из причин планируемого строительства гидроузлов на р. Омь. Наличие каскада водохранилищ позволит решить проблемы с водообеспеченностью в г. Омск и районов области.

Современный режим работы Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ существенно нарушен по сравнению с Правилами использования водных ресурсов Верхне-Иртышского каскада водохранилищ, утвержденными Комитетом по водным ресурсам РК в 2002 году. Современные условия требуют существенной переработки этого документа, тем не менее, серьезный анализ обстановки и выработка конструктивных рекомендаций невозможны без принятия конкретной модели функционирования каскада.

Поскольку, боковая приточность на участке реки от границы РФ и Республики Казахстан до г. Омска невелика - 1,27км3, совокупный объем требований, предъявляемых к водным ресурсам в трансграничном створе, можно отнести к створу Омска: попуск для затопления поймы - 3400 м3/с за три декады (апрель-май) объемом

4,5 км3; гидроэнергетика - 450 м3/с - 7,04 км3; транспортные попуски - 650 м3/с -10,34 км3; промышленно-коммунальное водоснабжение вместе с Каналом Иртыш-Караганда (2,5-3,2) км3.

Значительный объем затрат стока приходится на потери, складывающиеся из дополнительного испарения, льдообразования и фильтрации. Детальная оценка потерь в контексте исследуемой проблемы не выполнялась. Слой потерь на дополнительное испарение определен нами по разнице испарения с водной поверхности и суши и скорректирован на более высокие цифры, использованные в свое время в схеме СКИОВР Оби и Иртыша.

Имитационная модель для расчета регулирования стока р. Иртыш каскадом водохранилищ Бухтарминской и Шульбинской ГЭС.

Бухтарминское водохранилище с 1960 года осуществляет многолетнее компенсированное регулирование стока Иртыша по отношению к створу г. Омска. Расчетная схема регулирования стока р. Иртыш приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Расчетная схема регулирования стока р. Иртыш

Принимая во внимание параметры объекта, можно утверждать, что емкости Бухтарминского водохранилища достаточно для осуществления практически предельной зарегулированности в створе БГЭС всего объема стока (5<,с,„,~19 км3, £»=31/19=1,63).

Основная сложность режима заключается в том, что неконтролируемая при-точность реки до контрольного граничного створа, оцениваемая примерно в 10 км3/год, составляет треть стока в контрольном створе. В частности один из основных водопользователей - обводнительный попуск на пойму не осуществлялся в оптимальном режиме вследствие неудовлетворительного наложения половодных расходов рек Убы и Ульбы на попуски БГЭС. Кроме того нарушение режима регулирования в 70-80 годы было связано с принудительными (вопреки диспетчерскому графику), превышающими проектные значения, энергетическими попусками. С целью повышения эффективности регулирования стока р. Иртыш в 1987 году была построена I очередь Шульбинской ГЭС с главной функцией оптимизации попусков на пойму как Павлодарскую, так и Омскую. Дело в том, что режимы достижения необходимой площади затопления и продолжительности стояния не совпадают на названных участках поймы Иртыша. Вторая очередь ШГЭС в проектном варианте ориентирована на увеличение гарантированной мощности и выработки электроэнер-

Для анализа водохозяйственного баланса на рассматриваемом участке реки была разработана имитационная модель, реализующая алгоритм многолетнего компенсированного регулирования каскадом двух водохранилищ. В качестве гидрологической информации используется многолетний расчетный гидрологический ряд, который определяется обстановкой в верхнем бассейне. В расчетах использован многолетний естественный ряд месячных объемов стока на границе КНР с Казахстаном и в створе БГЭС продолжительностью 59 лет.

В нижнем бьефе БГЭС предъявляется набор требований непосредственно к Бухтарминскому водохранилищу, а на участке БГЭС-ШГЭС аналогичный режим запроса, но с учетом обводнительного попуска. Попуск изначально в створе БГЭС не запрашивается, но затем, часть требований, не покрытых нижней ступенью каскада, возвращаются как дополнительный запрос снизу. Расчеты выполняются в итерационном режиме до совпадения объемов текущего наполнения на конец расчетного интервала (месяц) времени. В основе алгоритма следующие балансовые уравнения и ограничения:

ВХБа ±АУБ-ФБ -АРГш-£б ВХБшб = ^ ± АУШ - Ьш

^Б=У,.ие±АУБ :0<УБ <УБК, ;

(1)

V = У + ЛУ (XV <У

' !,ш * 1-1,ш - ' " — у1,ш у ШУЛ '

К ш = К, ш 'Уо б ~ ^п б ~ условие замыкания ряда где , 8ш - объемы стока за расчетный интервал в створах 6-6 и 7-7, соответственно;

± АУ - сработка, наполнение водохранилища в расчетном интервале; IVБ , IVш - водопотребление, отнесенное к расчетным створам;

Б - текущее наполнение полезного объема Бухтарминского водохранилища на конец расчетного интервала времени;

У1 ш - текущее наполнение полезного объема Шульбинскош водохранилища на конец расчетного интервала времени;

А 1¥ш - дополнительный запрос к Бухтарминскому водохранилищу снизу ЬБ ,ЬШ - потери из водохранилищ;

У бух-Ушул ' полезный объем Бухтарминского и Шульбинского водохранилища.

Для расчетов с использованием модели следовало установить сценарии вариантов развития ситуации, прежде всего в КНР, а затем в Казахстане. Далее необходимо было с помощью модели для каждого сценария оценить максимальную гарантированную отдачу каскада.

Схема имитационной воднобалансовой модели регулирования стока р. Иртыш представлена на рисунке 9.

Имитационная тмшштт модель

Главный расчетный модуль

Обработка результатов н формирование выдачи

Формирование расчетных требований к стоку

Выбор режима регулирования

Водохозяйственный баланс интервальный н многолетний

^ -Т--1 независимо 1 /

1 Бцепистворов

тошйзшда^дайгш

ВХБ в створе БГЭС

отработка гарантированной отдачи

ВХБ в сгвсрг ШГЭС

Блок исходной информации

Батиграфическне з ависимости в створах БГЭС н ШГЭС

Промышлеико-коммуналыше | Отраслевые н пойменный водопотребленне и орошение ; попуски

Рис. 9. Схема имитационной воднобалансовой модели регулирования стока р. Иртыш

В пятой главе проведено исследование регулирующей способности каскада Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ.

Варианты сценариев функционирования водохозяйственной системы р. Иртыш

в целом по бассейну.

Исходной позицией для анализа водохозяйственной обстановки ВХС р. Иртыш является положение с реализацией проектов в КНР. Полагая в качестве исходного современное водопотребленне (4,18 км3), намечаем мягкий вариант развития (1,58 км3) и более жесткий вариант максимум (4,5 км3) (см. рис. 10).

Развитие водопотребления в Республике Казахстане связано, главным образом, с темпами освоения ирригационного фонда республики и увеличением объемов отраслевого водопотребления вследствие роста численности населения (см. табл. 4). Все это очевидно связано с вводом II очереди ШГЭС.

Рис. 10. Блок-схема вариантов сценариев функционирования ВХС р. Иртыш

Таблица 4.

Объемы суммарного водопотребления и попусков в КНР и РК при различных вариантах развития событий, млн.м3

Территория Вариант СКИОВР минимум Современное состояние (условно современный) Вариант максимум

кбх+ пром-ть ороше-ше-ние всего кбх+ пром- Tb+Vneo-ю орошение всего кбх+ пром- Tb+Vjjeo.Kj орошение всего

КНР 675 900 1575 3092 1093 4185 3411 1093 4504

РК 2549 367 2916 2162 1253 3415 3332 1253 4585

Оптимизационная модель для оценки гарантированной отдачи Иртышского

каскада водохранилищ.

Для выбора наиболее рационального режима каскада была разработана оптимизационная модель, базирующаяся на процедуре поиска решения в среде Excel. Алгоритм оптимизации указанной процедуры - «Нелинейного метода обобщенного понижающего градиента (ОПТ)» компаний Frontline Systems, Inc и Optimal Methods, Inc. - соответствует версии Microsoft Excel 2010.

Ниже приведена формальная постановка задачи оптимизации (2): ВХБбх =Sb± ЛГ£ -IVE- tsWUI - 1Б ВХБШ = Бш ±АУШ-Wm -Бш -Ьш

= г-± ; 0 < < уШЯ7 ;

= \V0.s —условие замыкания ряда,

i - номер расчетного временного интервала (1, 2) Если ВХБцх или ВХБШ <0 => D^j = -BXE^j ;

Djukí — — ВХБгиг, . ^

тах(£>^) < ; maxOD^,) < ; AVSI, —варьируемые переменные ;

г

Dj s — ^ , — годовые дефициты ;

fei

,ш — ^ _ годовые дефициты ; i-i

Р > Р f*Y Р = п~т

чбя ~~ * гххч \ * S&1 .

71+1

п

где W™a, - в качестве нижней границы требований принят объем требова-

ний, обеспечивающий минимальные расходы в Омске (320 м3/с); Рчбл - обеспеченность по числу бесперебойных лет, определяемая известной формулой, где m - число перебойных лет в многолетнем ряду.

Построение модели выполнено для набора ограничений, включая балансовые уравнения и неравенства (2), с целью, реализации минимума функции суммы дефицитов за многолетний период. Учитывая ограниченные возможности «поиска решения» по размерности задач, а также, принимая во внимание фактор падения «значимости результата» с ростом количества переменных, расчетный ряд сформирован из двух фаз лет («весна», «зима»). Мотивы такого решения связаны с практически од-нотактной работой водохранилищ, свойственной форме гидрографа с выраженным половодьем и продолжительной летне-осенней и зимней меженью. Из имеющегося гидрологического ряда сделана выборка названной длины, оценки параметров которой хорошо соответствуют многолетним значениям статистических параметров всего ряда. В алгоритм введена расчетная обеспеченность, обычно не вводимая в процесс оптимизации из-за нарушения линейности ограничений.

В данной постановке модель использована только для подтверждения результатов, полученных с помощью имитационной модели. Более широкое использование оптимизационной модели пока нецелесообразно в силу недостаточно устойчивых результатов алгоритма «поиск решений».

Обобщение и анализ результатов исследований.

Определяющим показателем состояния водохозяйственного комплекса на территории Казахстана в данном случае являются транспортно-энергетические и комплексный попуски, точнее уровень их поддержания в каждом из вариантов. Другие отраслевые требования в силу их значительно меньших объемов и более высокой приоритетности выдерживаются бесперебойно. Суммарная гарантированная отдача каскада при этом определяется регулирующей способностью водохранилищ и объемом притока из КНР.

В таблице 5 приведены гидрографы попусков, которые реально гарантируются при объемах водопотребления, указанных в таблице 4, Варианты просчитывались на модели при условии обязательного обеспечения обводнительного попуска на пойму реки Иртыш в объеме 2,94 км3 в год, который осуществляется расходом 3400 м3/с в течение 10 суток. К сожалению, сохранение проектного (имеется виду СКИОВР Оби и Иртыша 1981 года) объема попуска 4,5 км3, производимого за период 15 суток практически невозможно вследствие сложившихся реалий.

Сохранение проектного режима пойменных попусков даже при вводе Шуль-бинской ГЭС П-ой очереди (табл. 5) сопряжено с существенным сокращением энерготранспортных попусков при объеме Шульбинского водохранилища более 13 км3. Значения транспортно-энергетических попусков подобраны исходя из следующих критериев удовлетворения водопотребления.

Обеспеченность обводнительного пойменного попуска - (75-80) % по числу бесперебойных лет, энерготранспортных - 80-90 %, минимальных попусков (320 м3/с) для нормальной работы водозаборов Омска - 95 %.

Таблица 5.

Сводка обеспечиваемых комплексных попусков по вариантам развития водохозяйственной обстановки, м3/с, км3 в год

КАЛЕНДАРНЫЕ МЕСЯЦЫ IV V ад«) V 01 ЛИС) V (Шдяг) VI VII VIII IX X XI XII I II III ГОД

ВАРИАНТ БУХТАРМИНСКАЯ ГЭС

МИНИМУМ 350 Режим компенсации к створу шгэс 550 550 550 550 550 550 550 320 320 320 320 320 км*

УСЛОВНО-СОВРЕМЕН. 320 500 500 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320

МАКСИМУМ 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320

ПРОЕКТНЫЙ 400 550 550 550 550 550 550 550 320 320 320 320 320

БГЭС-ШУЛЬБИН СКАЛ ГЭС - 1-ой ОЧЕРЕДИ

МИНИМУМ 350 3400 650 650 600 600 350 350 350 350 350 350 350 350 15,60

УСЛОВНО-СОВРЕМЕН 320 3400 650 650 400 320 320 320 320 320 320 320 320 320 14,36

МАКСИМУМ 320 3400 550 500 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 13Д0

ПРОЕКТНЫЙ 750 3400 3400 650 650 650 650 650 650 450 450 450 450 450 23,04

БГЭС+ШУЛЬНШСКАЯ ГЭС - П-о« ОЧЕРЕДИ

УСЛОВНО-СОВРЕМЕН. 450 3400 3400 650 650 450 450 450 450 430 400 320 320 320 18,94

МАКСИМУМ 320 3400 3400 520 520 520 520 450 450 320 320 320 320 320 18.03

Для характеристики обстановки ниже границы РФ с РК в диссертации приведены совмещенные кривые обеспеченности проектного и естественного стока в трансграничном створе. Проектный сток определен многолетним водохозяйственным балансом, выполненным с помощью имитационной модели.

Все варианты таблицы 4 также просчитаны на имитационной модели (глава 4). Многолетние последовательности водохозяйственных балансов и обобщенные результаты водохозяйственных расчетов даны в приложении к диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационных исследований разработана методология анализа водохозяйственной обстановки в бассейне р. Иртыш с учетом реализованных и прогнозируемых проектных решений в КНР и Республике Казахстан. В частности, достигнуты следующие результаты:

- впервые построена схема водохозяйственного районирования бассейна Черного Иртыша;

- разработаны рабочие версии имитационных водохозяйственных моделей для анализа водообеспеченности бассейна р. Иртыш от истока до трансграничного створа «РК - РФ». Расчеты, предпринятые с помощью имитационного моделирования, дали конкретные параметры водообеспеченности и позволили определить снижение гарантированной водоотдачи Бухтарминско-Шульбинского каскада водохранилищ при разных сценариях развития ситуации в бассейне;

- полученные результаты могут быть эффективно использованы для оценки антропогенного изменения стока верхнего и среднего Иртыша, а также для генерации многолетних рядов естественного стока на всем протяжении реки, включая два трансграничных створа;

- разработанную в диссертации версию оптимизационной водохозяйственной модели целесообразно использовать для обоснования режима регулирования стока каскадом водохранилищ в сезонном распределении водных ресурсов между участниками водохозяйственного комплекса при любых сценариях взаимодействия сопредельных стран.

В процессе диссертационных исследований получены результаты, имеющие достаточно высокую социально-экономическую значимость:

- реализация проектов территориального перераспределения стока в КНР сопровождается уменьшением притока в Казахстан на 1,58 - 4,5 км3 в год. Для наиболее актуального из рассмотренных вариантов «условно-современного» поддержание проектных навигационных расходов (650 м3/с) возможно только в течение одного месяца при минимально урезанном режиме пойменного попуска. Что касается энергетических попусков, то они всю зиму не выдерживаются;

- для сохранения минимального транспортно-энергетического значения каскада БГЭС и ШГЭС неизбежен отказ от пойменного попуска, который важен не только как обеспечивающий обводнение пастбищ Павлодарской и Омской области, но и как носитель санитарно-экологической функции половодья;

- режим регулирования стока Иртыша каскадом Бухтарминского и Шульбин-ского гидроузлов в условиях измененного притока нуждается в существенной корректировке. Величины полезной гарантированной водоотдачи (табл.6) свидетельствует об уровне происходящих изменений. После уточнения и согласования режима регулирования стока в регионе необходимо разработать надежные правила управления водными ресурсами Иртыша от створа БГЭС до Омска;

Таблица 6.

Величины полезной гарантированной водоотдачи, км3

Варианты Полезная отдача каскада

попуски PK Всего

Условно современный 14,36 3,42 17,78

Максимум 13,20 4,58 17,78

Проект 23,04 2,92 25,96

Строит ШГЭС-П 18,03 4,58 22,61

- водообеспеченность потребителей ниже границы с Казахстаном связана со строительством гидроузлов на р. Омь и ряда других обстоятельств, требующих отдельного рассмотрения;

- водохозяйственная обстановка в бассейне р. Иртыш в значительной степени определяется водной политикой трех стран: РФ, Казахстана и КНР. Для сохранения структуры и значения уникального водохозяйственного и природного комплекса необходимы более активные действия со стороны России, стимулирующие взаимодействие сторон в совместном управлении водными ресурсами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Романова Ю.А. Влияние переброски стока в Китайской Народной Республике на состояние водохозяйственного комплекса реки Иртыш [Текст] /Л.Д. Раткович, Ю.А. Романова // Природообустройство. - Москва, 2011. - № 5.- С. 71-75.

2. Романова Ю.А. Схема водохозяйственного анализа верхнего и среднего Иртыша [Текст] /Л.Д. Раткович, Ю.А. Романова // Природообустройство. — Москва, 2012.-№4.- С. 57-61.

3. Романова Ю.А. Орошение в Китае в условиях дефищгга водных ресурсов (на примере территории бассейна р.Иртыш) [Текст] /Ю.А. Романова // Мелиорация и водное хозяйство. - Москва, 2013. - №2. - С. 23-25

В других изданиях:

4. Романова Ю.А. Предварительная оценка влияния проекта переброски стока в Китайской Народной Республике на изменение режима работы каскада водохранилищ бассейна реки Иртыш [Текст] /Ю.А. Романова // Вопросы мелиорации. -Москва, 2012. - № 1-2. - С. 68-75

5. Романова Ю.А. Водохозяйственный анализ бассейна реки Иртыш на территории Китайской Народной Республики [Текст] /Ю.А. Романова // Материалы международной научно-практической конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК». Часть V. «Мониторинг водных объектов». -Москва, 2012. С. 112-118

6. Романова Ю.А. Возможности рационального использования водных ресурсов р. Иртыш в условиях территориального перераспределения стока в Китайской Народной Республике Иртыша [Текст] /Л.Д. Раткович, Ю.А. Романова // Материалы международного научного форума «Наука, инновации и международное сотрудничество молодых ученых аграриев». — Москва, 2012. С. 266-275

Московский государственный университет природообустройства (МГУП)

Зак. № Л ¿0 Тираж 100

Федерального государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

04201358002

Романова Юлия Анатольевна

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС БАССЕЙНА РЕКИ ИРТЫШ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЧНОГО СТОКА ВЫШЕ ТРАНСГРАНИЧНЫХ СТВОРОВ

Специальность 05.23 Л6 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Л.Д. Раткович

Москва 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................4

Глава 1. Современные проблемы трансграничных бассейнов и методология их решения в Российской Федерации и за рубежом...........................................9

1.1. Мировая практика в урегулировании отношений в сфере совместного использования трансграничных водных объектов....................................10

1.2. Изучение трансграничных водных объектов, затрагивающих интересы Российской Федерации, анализ материалов и обзор методик.....................23

Глава 2. Река Иртыш как водный объект трехсторонних интересов..................35

2.1. Черный Иртыш - водохозяйственный комплекс на территории Китайской Народной Республики......................................................................36

2.2. Водохозяйственный комплекс р.Иртыш на территории Республики Казахстан......................................................................................63

2.3. Река Иртыш ниже государственной границы с Российской Федерацией (створ г. Омск)...............................................................................77

2.4. Действующие соглашения о международном сотрудничестве трех стран: Китая, Казахстана и России................................................................84

Глава 3. Водохозяйственная модель бассейна р. Иртыш в пределах КНР..........95

3.1. Структура водохозяйственного комплекса и режим водопользования.....95

3.2. Проекты территориального перераспределения стока.........................97

3.3. Имитационная модель для оценки притока р. Иртыш к трансграничному створу.........................................................................................101

3.4. Оценка репрезентативности и однородности многолетнего стокового ряда в створе Бухтарминской гидроэлектростанции......................................104

Глава 4. Имитационная водохозяйственная модель бассейна р. Иртыш

территории Республики Казахстан........................................................

4.1. Режим водопользования от створа Бухтарминской ГЭС до Омска......

для 108 110

4.2. Имитационная модель для расчета регулирования стока р.Иртыш каскадом водохранилищ Бухтарминской и Шульбинской гидроэлектростанций.....................................................................114

Глава 5. Исследование регулирующей способности каскада водохранилищ

Бухтарминской и Шульбинской гидроэлектростанций.................................122

5.1. Варианты сценариев функционирования водохозяйственной системы р.Иртыш в целом по бассейну...........................................................122

5.2. Оптимизационная модель для оценки гарантированной отдачи Иртышского каскада водохранилищ...................................................123

5.3. Обобщение и анализ результатов исследований...............................126

Заключение......................................................................................130

Список литературы Приложение.........

134 147

Введение

Актуальность темы. Решение задач в области использования и охраны водных объектов, совершенствования и развития водохозяйственного комплекса Российской Федерации связано с оценкой водохозяйственной ситуации, разработкой и принятием мер по рациональному использованию и сохранению водно-ресурсного потенциала. Несоответствие распределения водных ресурсов с размещением населения и развитием экономики весьма актуально для нашей страны.

Водохозяйственная напряженность усиливается на трансграничных водных объектах. Протяженность границ по водным объектам составляет более 7 тыс. км. Приток из сопредельных стран оценивается в 227 км3 при транзитном стоке в другие страны примерно 15 км3 в год.

Современные исследования водных ресурсов, особенно в части прогнозирования водообеспеченности на перспективу, связаны с проблемами постоянно увеличивающегося влияния хозяйственной деятельности на речной сток. При неуклонном росте водопотребления отмечается существенное ухудшение качества воды и экологического состояния водных объектов. Обе тенденции становятся сдерживающим фактором для экономического роста развивающихся стран. Проблема трансграничных водных объектов усугубляется еще и тем, что потребление воды в одном месте ограничивает доступ к ней в другом. Существуют и другие вопросы, связанные уже с пограничными створами. Многогранность ситуации требует аналитического обобщения с последующей выработкой рекомендаций и документов для объективного решения проблем вододеления и совместного управления водными ресурсами.

Наиболее значимыми для России «партнерами» по совместному использованию вод являются КНР и Республика Казахстан.

Международные водные бассейны с их водосборами и водоразделами, включая озера и грунтовые воды, используемые более чем одной страной, покрывают более половины суши на Земле. Использование речного стока выше по течению определяет то, каким образом река может быть использована ниже, что само по себе может стать поводом и для спора, и для сотрудничества. Подобная ситуация сложилась на территории бассейна реки Иртыш. Верхняя часть бассейна р. Иртыш расположена в Китайской Народной Республике,

средняя часть находится на территории Республики Казахстан и нижняя часть бассейна располагается на территории Российской Федерации. [8, 26, 102]

Для Китая водные ресурсы Иртыша - основа развития и заселения территории Сянь-Чжань Уйгурского автономного района республики. В ближайшие годы при росте экономического потенциала страны, вызванного освоением новых территорий СУАР, топливно-энергетических и земельных ресурсов, возникнет серьезная проблема с водообеспечением стран, расположенных ниже по течению.

На основании проведенных исследований ведущих российских ученых: С.Н.Крицкого, М.Ф.Менкеля, А.Д. Саваренского, их учеников и последователей, внесших огромный вклад в развитие стохастической и инженерной гидрологии, водного хозяйства и гидроэнергетики: А.Е. Асарина, К.Н. Бестужевой, Е.Г. Блохинова, A.JI. Великанова, Я.Д. Гильденблатта, Г.Х. Исмайылова, H.A. Картвелишвили, И.В. Гуглия, Д.В. Коренистова, Я.Ф. Плешкова, Д.Я. Ратковича, А.Ш. Резниковского, Г.Г. Сванидзе и других специалистов, а также многочисленных публикаций по теме исследований можно утверждать, что в ближайшей перспективе водные ресурсы станут максимально приоритетными природными ресурсами, способными провоцировать внешнеполитические конфликты. Необходима надежная и корректная технология совместного водопользования и управления водными ресурсами трансграничных бассейнов. В договорных соглашениях следует регламентировать не только общие моменты, но и детализировать механизм распределения имеющихся водных ресурсов между объектами и субъектами вододеления.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационных исследований заключается в проведении комплексной оценки влияния прогнозируемого использования вод в китайской части бассейна Иртыша на водообеспеченность Республики Казахстан и РФ на участке реки между двумя государственными границами. Водопользование в КНР рассматривается с учетом планируемых ее правительством мероприятий по регулированию и территориальному перераспределению стока. Предполагается, что результаты настоящих исследований заложат основу рекомендаций технического и правового характера для совместного использования водных ресурсов Иртыша тремя заинтересованными сторонами.

Соответственно были сформулированы задачи диссертации:

- провести комплексный анализ объема и режима водопотребления на территории КНР в пределах иртышского бассейна и построить схему водохозяйственного районирования бассейна р. Черный Иртыш;

- разработать компьютерную версию имитационной водохозяйственной модели для территории Китая и путем постворного водохозяйственного баланса рассчитать многолетний приток к трансграничному створу в месячных интервалах времени применительно к разным сценариям реализации проектов территориального перераспределения стока в КНР;

- оценить однородность и репрезентативность гидрологического ряда в граничном створе (с. Буран) и выполнить переход к створу Бухтарминской гидроэлектростанции;

- используя материалы открытых публикаций, СКИОВР Оби и Иртыша и других проектных разработок прошлых лет, определить режим использования водных ресурсов Иртыша выше границы России с Казахстаном в обозримой перспективе;

разработать укрупненную компьютерную версию имитационной водохозяйственной модели каскада Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ, провести вариантные расчеты для оценки изменения гарантированной водоотдачи под влиянием проектов КНР и прогнозируемого развития водопотребления в РК;

- для обоснования режима регулирования стока каскадом названных водохранилищ в будущем разработать алгоритм оптимизационной водохозяйственной модели;

сформулировать рекомендации для совершенствования процесса совместного управления водными ресурсами бассейна р. Иртыш.

Предмет и объект исследования. Предмет исследований -водохозяйственная обстановка в бассейне р. Иртыш, которая является важнейшим социально-экономическим показателем, отражающим с одной стороны состояние сложного и разветвленного водохозяйственного комплекса, а с другой стороны способность сопредельных стран, в данном случае Китая, Казахстана и России, к конструктивному сотрудничеству в области водно-экономических отношений. Объект исследований - водохозяйственный комплекс реки Иртыш. Водные пути почти на всём протяжении Иртыша имеют исключительное значение для экономики.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведены конструктивные исследования объема и режима водопользования на территории КНР в пределах иртышского бассейна; построена схема водохозяйственного районирования в бассейне Черного Иртыша; на основе разработанной имитационной воднобалансовой модели рассчитана антропогенная

поправка к многолетним гидрологическим рядам стока на границе с Казахстаном и в створе Бухтарминской ГЭС, позволяющая получить многолетние последовательности притока Иртыша к границе с Казахстаном для диапазона изменения объемов водопотребления и режимов изъятия воды выше трансграничного створа КНР-РК.

2. Разработана имитационная модель для оценки регулирующей способности каскада Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ в условиях перераспределения речного стока выше створа БГЭС.

3. Для обоснования режима регулирования каскада в конкретной ситуации разработана постановочная версия оптимизационной модели.

4. Впервые выполнена вариантная оценка состояния водохозяйственного комплекса Иртыша на участке реки от створа БГЭС до границы Республики Казахстан с Российской Федерацией, в зависимости от прогнозируемых изменений водного режима реки вследствие реализации проектов территориального перераспределения в КНР и роста водопотребления в РК.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по всем позициям диссертационных исследований обеспечена использованием утвержденных методов гидрологических и водохозяйственных расчетов и сопоставлением результатов исследований с реальной обстановкой в бассейне Иртыша. Прогноз снижения стока р. Черный Иртыш в ближайшей перспективе согласуется с материалами СКИОВО Иртыша (Казахстан 2005 г.) и более ранними результатами проектных и научно-исследовательских разработок, выполненных ЗАО ИКК «СОВИНТЕРВОД».

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы обусловлена высокой актуальностью рассматриваемых проблем и конкретными результатами для оценки водохозяйственной ситуации в трансграничном бассейне. Водохозяйственная обстановка в китайской части бассейна в значительной степени влияет на ситуацию в створе Бухтарминской гидроэлектростанции, расположенной в Казахстане. Бухтарминское водохранилище на протяжении десятилетий было гарантом водообеспечения огромного водохозяйственного комплекса на участке от БГЭС до г. Омска: водный транспорт и энергетика, промышленное и коммунально-бытовое водоснабжение (в том числе водозаборные сооружения г.Омска), орошение, водоподача в засушливые области Казахстана по каналу Иртыш-Караганда, обводнение плодородной Павлодарско-Омской поймы. Последствия прогнозируемого сокращения стока без адекватных компенсационных мер могут

вызвать падение уровня озера Зайсан, разделение Бухтарминского водохранилища и озера Зайсан со снижением регулирующей емкости, прекращение судоходства, необратимое ухудшение экологических условий на всем протяжении Иртыша до г. Омска. Таким образом, режим использования водных ресурсов в бассейне Иртыша, не может быть прерогативой вышележащей державы, а должен устанавливаться тремя странами в ходе постоянного переговорного процесса посредством обоснованных совместных решений. Приведенные соображения определили выбор водохозяйственного комплекса Иртыша в качестве объекта исследований.

Методы исследований. Теоретический анализ, имитационное и оптимизационное моделирование, анализ и обобщение результатов модельных экспериментов, сопоставление экспериментальных и натурных данных.

На защиту выносится методология анализа водохозяйственной обстановки в бассейне р. Иртыш с учетом реализованных и прогнозируемых проектных решений в КНР и республике Казахстан.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации неоднократно докладывались на научно-практических и научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» и ОАО «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева». Диссертация обсуждалась на совместных заседаниях кафедры «Комплексного использования водных ресурсов» и кафедры «Гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока» МГУП, докладывалась в ОАО «Институт Гидропроект», изложена в ряде статей и в одной из глав монографии «Вопросы рационального использования водных ресурсов и проектного обоснования водохозяйственных систем».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Содержит 52 таблицы, 63 рисунка. Список литературы включает в себя 117 наименований, в том числе 16 иностранных изданий.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.т.н, проф. Л.Д. Ратковичу и консультанту д.т.н., проф. А.Е. Асарину за ценные советы и поддержку при проведении диссертационных исследований.

Глава Современные проблемы трансграничных бассейнов и методология их решения в Российской Федерации и за рубежом

Проблема водообеспечения и совместного использования водных ресурсов трансграничных рек сегодня по-прежнему остается особо острой. Рост мирового потребления воды, увеличивающийся уровень ее загрязнения, климатические изменения, в особенности засухи и наводнения, приводит к росту числа стран, в которых снижается доступность водных ресурсов, а также порождает новые конфликты вокруг воды как внутренние, так и международные. Использование трансграничных водных ресурсов в результате односторонних действий стран, расположенных в верхнем течении, в современных условиях могут еще более усилить экологические кризисы. Таким образом, одним из главных приоритетов мирового сообщества на современном этапе является разработка эффективной политики в области управления водными ресурсами и водоснабжения.

Возникновение конфликтов из-за трансграничных вод - это проблема, которой серьезно озабочены многие государства, поэтому в последние годы был проведен целый ряд переговоров с целью создания организационных структур и механизмов для совместного управления этими водами. Это и двусторонние соглашения, распространяющиеся лишь на часть речного бассейна или многосторонние соглашения, распространяющиеся на весь бассейн или регион. Такие инициативы там, где они осуществлялись успешно, стали катализатором укрепления доверия, роль которого далеко превосходит значение конкретных проблем речного бассейна.

Ярким примером действенного международного соглашения является «Конвенция по охране и использованию трансграничных водотоков и международных озер», выпущенная под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН в г. Хельсинки в 1992 г. Конвенция вступила в силу в 1996 г. В настоящее время Конвенцию ратифицировали и подписали 34 государс