Выявленные изменения режима рек на территории вечной мерзлоты требуют учета и прогнозирования влияния антропогенных и естественных факторов на фоновые показатбъекты экосистемы в региональном масштабе.
Цель работы – на примере р. Вилюй выявить характерные особенности изменения гидрологического режима северных рек после регулирования стока, а также возможное изменение химического состава поверхностных вод в узлах их слияния.
Материалы и методы исследования
В работе были использованы фондовые материалы, литературные источники и данные, полученные институтом физико-технических проблем СО РАН в составе первой комплексной Вилюйской экспедиции в 1989 г. Малочисленность опорных гидрометеорологических пунктов, а также их неравномерное распределение на данной территории исключают возможность длительного накопления данных наблюдений для оценки пространственного распределения речного стока. В связи с этим был применен метод географо-гидрологического районирования. Подготовительный этап выполнялся на основе картографических и фондовых материалов. В полевой сезон были проведены полевые гидрометрические и гидрографические исследования. За показатель однородности географо-гидрологических районов были приняты общность гидрологических явлений (водный и ледовый режимы, элементы водного баланса) с обусловливающими их основными природными факторами.
Результаты исследования и их обсуждение
Вилюйская ГЭС на р. Вилюй – первая крупная гидроэлектростанция в зоне сплошного развития многолетнемерзлых пород (рис. 1).
В связи с обширностью территории водосбора Вилюя и большим разнообразием ее природных условий наблюдаются существенные различия в водном режиме рек как по территории, так и во времени. Обилие водных объектов и малочисленность опорных гидрометеорологических пунктов на данной территории исключают возможность длительного накопления данных наблюдений. В этих условиях наиболее приемлемым методом изучения режима рек является метод географо-гидрологического районирования [1] и, в частности, закон зональности водного режима рек в целом. На рис. 2 на основе генетического подхода к рассмотрению основных фаз водного режима на территории бассейна р. Вилюй было выделено три района: Мархинский, Чонский и Нижневилюйский [2].
К Мархинскому району относятся: верхняя северная часть бассейна Вилюя, верхняя и средняя часть бассейна Мархи, Тюнга, бассейны Далдына, Моркоки и других рек. На севере и западе граница района проходит по водоразделу с Оленьком и Нижней Тунгуской, на юге – по линии Амбардаах-Олгуйдаах, Улахан-Дьюктели, затем пересекает Чилии, Тююкэн и идет вдоль Тюнга.
К Чонскому району относятся средняя и южная часть бассейна Вилюя, включающая водосборы р. Чоны, Улахан-Ботуобуйи, Оччугуй-Ботуобуйи, Вилюйчана и других. Западная и южная граница района проходит по водоразделу с бассейнами Нижней Тунгуски и Лены, восточная граница проходит по Сунтарской излучине.
К Нижневилюйскому району относится нижняя часть бассейна Вилюя, охватывающая низовье Тюнга, Чилии, Тююкэна, водосборы Тангнары, Унга-Харыйалаах и других.
Рис. 1. Схема расположения Вилюйских ГЭС на территории РС Якутия
Рис. 2. Географо-гидрологическое районирование бассейна р. Вилюй [2]
После строительства Вилюйской ГЭС в выделенных географо-гидрологических районах, Вилюй может быть разделен на три участка. От истока до створа ГЭС – верхний участок, от створа ГЭС до устья Мархи средний участок и от впадения Мархи до устья – нижний участок [3].
Водосборная площадь Вилюя в створе ГЭС охватывает два географо-гидрологических района – Мархинский и Чонский. Объем стока боковой приточности составляет 24–34 %, т.е. в 2–3 раза меньше, чем сток с верховьев Вилюя. Сток с водосбора Чоны (гм/с Усть-Марха) не превышает и 10 % общего объема стока у пос. Чернышевский.
Основная доля весеннего стока (70–80 %) формируется в Мархинском районе. Паводковые воды (60–70 %) образуются в северной, наиболее возвышенной, части бассейна Вилюя. В средний по водности год объем паводков составляет 5,45 км3. Зимний сток в зависимости от водности года составляет 5–10 %. Режим стока имеет характер постепенного уменьшения от начала к концу зимы, и наименьший зимний расход, понижающийся до 0,3 м3/с, наблюдается в конце апреля.
На среднем участке Вилюя, протяженностью 797 км, летне-осенняя межень, как правило, прерывается летними паводками. Объем стока за летне-осенний сезон составляет 22–43 % годового, или 4,5–9,9 км3. На зимний период (ноябрь – апрель) приходится всего 1–2 % годового объема стока. Расход воды в этот период имеет тенденцию постепенного плавного понижения, в апреле, по данным наблюдений у с. Сунтар, расход воды в Вилюе может уменьшиться до 0,5 м3/с.
На нижнем участке Вилюя объем летне-осеннего стока составляет 14 и 31 %. Здесь в этот сезон, так же как и на предыдущем участке, наблюдаются дождевые паводки. Зимний период – самый маловодный. В течение этого периода (ноябрь – апрель) объем стока составляет всего 0,6–2,8 км2 (2–35).
Объем стока воды за май – июнь в створе Вилюйской ГЭС уменьшился в средний по водности год в 6 раз, а в период наполнения водоема (1969–1971 гг.) при работе всех четырех агрегатов I очереди ГЭС – в 5–8 раз.
В режиме реки отмечаются никогда ранее не наблюдавшиеся резкие колебания расходов воды, связанные с суточным и недельным регулированием мощности ГЭС. Разница между крайними значениями расходов воды при суточном регулировании за 1967–1971 гг. в период весеннего половодья достигла 40–50 м3/с.
Расход воды в декабре в естественных и зарегулированных условиях
|
Сток |
Год |
Средний расход в декабре, м2/с |
||
|
Пос. Чернышевский |
Пос. Сунтар |
Пос. Хатырык-Хомо |
||
|
Естественный |
1963 |
24 |
27 |
111 |
|
Зарегулированный |
1968 |
138 |
108 |
78 |
|
2019 |
671 |
820 |
||
В результате благоприятных топографических условий русла реки и наличия в 8 км от ГЭС порога «Улахан-Хаан», имеющего на протяжении 3,0 км падение почти 8 м, колебания расходов воды затухают уже на 66 км от створа ГЭС. У с. Сунтар половодье вновь формируется, но уже не достигает той величины, которая была до регулирования стока. Гидрограф половодья характеризуется стройной одновершинной формой, аналогичной ходу расходов воды рек Чонского географо-гидрологического района.
Поскольку половодье на среднем участке Вилюя в результате зарегулирования стока формируется в основном талыми водами, поступающими с Чонского географо-гидрологического района, то и продолжительность его и сроки прохождения максимального расхода стали совпадать с этими же показателями на Чоне, Улахан-Ботуобуйе, Оччугуй-Ботуобуйе и других реках района. Более повышенная величина модуля стока на Вилюе объясняется дополнительными базовыми расходами воды через турбины ГЭС для выработки электроэнергии. На среднем участке Вилюя в зависимости от водности года максимальные весенние расходы снизились на 2000–8500 м3/с. Сократилась и продолжительность весеннего половодья: в среднем она стала короче на 10–15 дней.
В результате регулирования стока на нижнем участке уменьшение объема весеннего половодья произошло в меньшей степени, чем на участке Вилюя выше устья Мархи, это объясняется влиянием сравнительно многоводных весенних вод рек Мархинского района. Весенний сток Вилюя у пос. Хатырык-Хомо составляет 43 % вместо 62 % в естественных условиях. В связи с тем, что на Вилюйском водохранилище происходит задержание весенних вод Чонского географо-гидрологического района, на участке Вилюя ниже устья Мархи произошло перераспределение стока внутри самого весеннего половодья. За июнь стало проходить 36 % весеннего стока вместо 75 % в прежних естественных условиях.
Летний сток на всем протяжении Вилюя от створа ГЭС до устья уменьшился, но не в такой значительной степени, как весенний. На среднем участке Вилюя у с. Сунтар объем стока за июль – август уменьшился на 42 %, на нижнем участке у пос. Хатырык-Хомо – на 10 %. Колебания расходов воды в этот период на среднем участке существенно отличаются от естественных. Здесь в результате зарегулирования стока летние паводки формируются только на основе осадков, выпадающих на территории водосбора боковой приточности. Продолжительность и объем их значительно сократились.
В осенний период величина стока Вилюя существенно не изменилась. Однако амплитуда колебания расходов воды за этот период значительно снизилась. В естественных условиях расход воды изменялся в среднем от 40 до 650 м3/с.
В зимний период сток Вилюя резко увеличился. Согласно графику электропотребления наибольшая выработка электроэнергии предусматривается зимой. Характер уменьшения расхода воды Вилюя в декабре в естественных и зарегулированных условиях показан в таблице.
После строительства ГЭС в холодный период на р. Вилюй наблюдается значительное повышение объема льда и возникновение наледей, которых раньше на Вилюе не наблюдалось. Толщина льда в нижнем бьефе по сравнению с бытовыми условиями намного увеличилась. Зимой 1968–1969 гг. в условиях работы четырех агрегатов ГЭС величина сбросных расходов в среднем равнялась 140 м3/с. В бытовых условиях расходы в створе ГЭС в зимний период колебались от 48 м3/с в ноябре до 4,5 м3/с в апреле. Повышенные сбросные расходы зимой способствуют росту толщины ледяного покрова путем образования наледей. Толщина льда увеличилась в 1,5–2 раза. Увеличение ее по длине нижнего бьефа неравномерно и зависит не только от величины сбросных расходов воды, но и от местных особенностей русла реки. По сравнению с максимальной толщиной льда в средний по метеоусловиям год толщина льда зимой 1968–1969 гг. увеличилась в с. Сюльдакаре на 30, в с. Велючане – на 103, в с. Крестяхе – на 55, с. Сунтаре – на 50, г. Нюрбе – на 72, с. Верхневилюйске – на 98, и в г.Вилюйске – на 49 см. Наибольшая толщина льда зимой 1968–1969 гг. была установлена у с. Вилючан (223 см). Рост толщины льда в течение зимы происходит скачкообразно.
Также в зимний период регулирование стока на р. Вилюй вследствие работы Вилюйской ГЭС вызвало колебание водности на р. Лена до гидропоста Кюсюр. До работы ГЭС величина стока р. Вилюй на сток р. Лены составляла 3,6 %, после зарегулирования Вилюя расход воды в месте впадения составляет уже от 45 % до 57,5 % величины расхода р. Лены. При прохождении зимнего паводка до регулирования стока приращение его от предпаводочного расхода 2440 до пика 2940 м3/с составляло в среднем 500 м3/с. После регулирования эта же величина достигла 840 м3/с (2790–3630 м3/с) [4].
Исследования физико-химического режима вод Вилюйского водохранилища начаты в 1969 г. До этого сведения о химическом составе воды р. Вилюй (до его зарегулирования) были представлены лишь незначительными данными гидрохимической лаборатории при Якутском управлении гидрометеослужбы, относящимися к району п. Сунтар (600 км ниже существующей сейчас плотины). Систематических наблюдений над становлением химического состава воды и гидрохимического режима Вилюйского водохранилища ранее не проводилось.
Основными питающими реками водохранилища являются Вилюй и Чона. Под их воздействием и проходит формирование химического состава вод. Реки Вилюй, Чона и Вилюйское водохранилище по гидрохимическому составу воды относятся к гидрокарбонатному классу, группе кальция, второго типа (CcaII).
В первые годы формирования водохранилища (1969–1972 гг.) за счет более активного выщелачивания затопленной территории и некоторой маловодности, когда поверхностный приток составлял лишь 73–87 % от нормы, наблюдалась относительно повышенная минерализация.
В начальный период заполнения ложа водохранилища наблюдалась существенная неоднородность в распределении солевого состава, что, по-видимому, обусловливалось столь же значительной неоднородностью подтопляемых почвогрунтов.
В многоводные годы, 1973–1976, поверхностный приток в водохранилище составил 116–144 % от нормы, что, по-видимому, и вызвало понижение минерализации. Показатели минерализации воды по акватории водохранилища в эти годы не отличались большим разбросом, и некоторое их повышение фиксировалось лишь в подпорных участках р. Чоны. В частности, приток р. Чоны – р. Ичода имеет минерализацию от 81 до 150 мг/л; р. Бэс-Юрях – 129 мг/л; р. Марха – 140 мг/л. Все эти притоки формируют свои воды среди осадочных пород кембрийского и пермского возрастов. Они характеризуются ограниченным водным расходом и не могут оказать существенного влияния на минерализацию воды Вилюйского водохранилища в целом. Влияние прослеживается на протяжении 1–2 км от устьев рек, после чего речные воды разбавлялись маломинерализованными водами водохранилища. Минерализация вод Чонского разлива все же оказалась несколько большей (64–73 мг/л), чем в остальных участках водоема (38–63 мг/л). Показатели минерализации подвержены сезонным изменениям, которые определяются в основном весенним паводком и летне-зимней меженью рек Вилюя и Чоны. Максимальные показатели минерализации приходятся на зиму и осень, минимальные – на лето. С ростом минерализации воды возрастает содержание гидрокарбонатных ионов (коэффициент корреляции 0,88–0,98) и ионов кальция (коэффициент корреляции – 0,68–0,86).
Распределение гидрокарбонатов по акватории водохранилища аналогично минерализации воды. Более высокие показатели свойственны Чонскому переменному подпору (39–71 мг/л) и Чонскому разливу (30–50 мг/л), наиболее низкие – Дьелкюконскому разливу (15–30 мг/л) [4].
Плотина, образующая водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды, изменяет естественное состояние речного стока и является ключевым фактором, определяющим его негативное воздействие на нижележащие экосистемы [5]. Так, сброс больших объёмов высокоминерализованных вод из карьеров привел к резкому ухудшению качества воды на всем протяжении р. Вилюй. По данным ФГБУ «Якутское УГМС» в 2020 г. качественный состав воды р. Вилюй и его притоков оценивался как «очень загрязненные» (3-й класс, разряд «б»). По данным ГБУ РС (Я) «РИАЦЭМ» в 2020 г. качество воды р. Вилюй в пределах Сунтарского улуса оценивалось 3 кл. разряда «б», «очень загрязненная», значение УКИЗВ 3,22. В начале февраля в воде реки нормативы превышены по содержанию железа в 3,2 раза, меди в 2,6 раза, цинка в 4,3 раза. Хозяйственно-питьевой норматив не соответствует по показателю ХПК в 2,6 раза [6].
Заключение
Вследствие работы Вилюйской ГЭС величина и режим стока Вилюя испытывают значительные изменения. Произошло уменьшение стока весеннего половодья и частично летне-осенних паводков, существенно увеличился сток воды зимней межени (основная выработка электроэнергии предусматривается в зимний период). С увеличением сброса воды в зимний период нарушаются естественные условия зимней межени, на реке наблюдается значительное повышение объема льда и наледей, а также рост минерализации воды р. Лены в месте впадения р. Вилюй (расход воды Вилюя в узле слияния с Леной увеличился от 3,6 % до 57,5 %). Современные гидрохимические изменения в определенной мере нивелируют биологический режим сопредельных водотоков, влияя на качество воды.
Выявленные изменения режима рек и его влияние на формирование гидрохимического состава воды, как результат взаимодействия воды с другими фазами (воздушной средой, физических процессов – на ледообразование и т.д.) на территории вечной мерзлоты недостаточно учитываются при комплексном использовании водных ресурсов. Такое положение вызывает настоятельную необходимость расширить исследования в этой области. Объектом изучения, как аналог, может служить р. Вилюй.