Введение
Вилюйская ГЭС – первая гидроэлектростанция в зоне многолетней мерзлоты. Водохранилище полностью расположено в пределах Республики Саха (Якутия). Несмотря на низкий уровень освоенности гидроресурсов на Дальнем Востоке, перспективы строительства традиционных ГЭС сохраняются.
Строительство и эксплуатация ГЭС на реках приводят к коренным изменениям природных условий реки. Результаты исследования показывают, что регулирование стока крупными водохранилищами является основным фактором антропогенных нарушений в объеме стока и водном режиме арктических рек. На сегодняшний день многообразные последствия изменения режима рек после строительства ГЭС на территории многолетней мерзлоты ни в проектных, ни в перспективных плановых разработках полностью не учитываются. О важности учета и изучения последствий регулирования стока можно судить по сложным хозяйственным проблемам, которые возникли после сооружения гидроузлов в европейской части России. В связи с этим всестороннее изучение изменения природных условий на территории распространения многолетнемерзлых пород после зарегулирования стока рек крупными водохранилищами представляется одной из важнейших задач.
Цель исследования – сравнение колебания уровня воды на предмет синхронности и синфазности после введения в эксплуатацию Вилюйской ГЭС.
Материалы и методы исследования
В качестве исходной информации использованы многолетние данные Росгидромета о среднемесячных расходах и уровнях воды, расположенных в бассейне р. Вилюй, а также данные Якутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Основные методы исследования – свод правил СП 33-101-2003 [1].
Результаты исследования и их обсуждение
Вилюйская ГЭС – первая гидроэлектростанция в зоне многолетней мерзлоты. Создание крупных ГЭС на северных реках приводит к коренным изменениям природных условий реки [2]. Результаты исследования показывают, что регулирование стока крупными водохранилищами является основным фактором антропогенных нарушений в объеме стока и гидрологическом режиме.
Каскад гидроэлектростанций на р. Вилюй представлен двумя гидроузлами: Вилюйскими ГЭС-I-II и Вилюйской (Светлинской) ГЭС-III (рис. 1).
Определяющую роль в изменении стока реки играют многолетние колебания осадков и испарения, а также типы циркуляции воздушных масс. В течение длительного периода времени происходит изменение среднегодовых значений расходов воды в виде отклонений от нормы стока. Данные отклонения выражены в виде чередования многоводных и маловодных ритмов, которые отличаются по продолжительности и отклонением от нормы стока за данный период.
Рис. 1. Расположение гидроэлектростанций и действующих гидрологических постов на р. Вилюй
Рис. 2. Разностные интегральные кривые среднегодовых расходов воды в бассейне реки Лены
Для анализа водности реки Вилюй во времени построены разностные интегральные кривые (рис. 2). Эти кривые представляют собой отклонения модульных коэффициентов от среднего значения. По оси ординат показаны ∑(Кi – 1), а по оси абсцисс – Т (годы). Кривые интегральных разностей показывают изменения суммы отклонений от среднего многолетнего значения. Участки положительных значений соответствуют многоводной фазе, а участки отрицательных значений – маловодной фазе [3].
На совмещенном графике разностных интегральных кривых в период 1935–2020 годов видно, что период наблюдений в бассейне реки Лены включает полный цикл колебаний водности.
Сравнение разностных интегральных кривых позволило проанализировать исследуемые участки на предмет синхронности и синфазности изменения водности годового стока на реке Лене и двух основных притоках: правом – Алдан и левом – Вилюй. В результате установлено, что на реке Вилюй изменение периода водности отличается от Алдана и самой Лены. На графике отчетливо видно, что период заполнения водохранилища приходится на конец 1960-х – начало 1970-х годов и начиная с 1990-х годов река Вилюй синхронизируется с нижним течением Лены. В то же время после ввода в работу гидроэлектростанции на реке произошло внутригодовое перераспределение стока. Основными факторами, определяющими перераспределение стока в течение года на реках со снеговым питанием, являются повышение температуры воздуха и зарегулирование рек [4].
Цикличность многолетних колебаний речного стока является важным индикатором изменчивости климата. Как видно из таблицы 1, за последние 20 лет температура воздуха на территории бассейна реки Вилюй повысилась на 1–1,50С.
Расчет внутригодового распределения стока в данной работе выполнен методом «реального года» с выделением основных сезонов, лимитирующих периодов и лимитирующих сезонов [1]. В качестве исходных данных для расчетов используются среднемесячные расходы воды в створе с. Хатырык-Хомо, как для естественного и зарегулированного режимов [5]. Расчеты выполнены для гидрологических лет, начиная с сезона половодья. Даты сезонов назначались едиными для всех лет наблюдений и округлялись до целого месяца, результаты расчетов представлены на рисунке 3.
В средний по водности год до заполнения Вилюйского водохранилища (1950–1965 гг.) на замыкающем створе р. Вилюй на гидростворе Хатырык-Хомо распределение стока выглядело следующим образом: на долю весеннего стока приходилось 60%, летне-осеннего – 38% и зимнего – 2%. В условиях зарегулированного стока сезонное распределение (1980–2020 годы) составило 47, 28 и 25% соответственно. Наибольшие изменения произошли в период зимней межени. Величина стока в зимний период в условиях полного развития гидростанции увеличилась в 13 раз в средний по водности год (Р=50%) [1].
Таблица 1
Средние месячные и годовые температуры воздуха в п. Чернышевский (2000–2022 гг.)
|
Год |
Янв. |
Фев. |
Март |
Апр. |
Май |
Июнь |
Июль |
Авг. |
Сен. |
Окт. |
Ноя. |
Дек. |
За год |
|
2000 |
–30,6 |
–25,2 |
–16,7 |
–5,2 |
4,2 |
15,4 |
16,1 |
13,3 |
3,4 |
–10,2 |
–24,7 |
–38,7 |
–8,2 |
|
2001 |
–33,1 |
–32,6 |
–18,7 |
–9,6 |
4,4 |
16,3 |
20,4 |
13,8 |
3,6 |
–7,1 |
–15,3 |
–29,1 |
–7,3 |
|
2002 |
–28,8 |
–23,8 |
–11,3 |
–5,2 |
6,0 |
14,4 |
18,8 |
14,4 |
3,4 |
–7,3 |
–20,4 |
–33,6 |
–6,1 |
|
2003 |
–29,0 |
–23,6 |
–12,1 |
–4,9 |
2,1 |
13,6 |
18,5 |
12,7 |
6,3 |
–7,2 |
–21,7 |
–21,6 |
–5,6 |
|
2004 |
–29,9 |
–29,4 |
–18,6 |
–5,9 |
2,3 |
12,1 |
14,4 |
11,9 |
5,0 |
–8,2 |
–16,0 |
–33,8 |
–8,0 |
|
2005 |
–27,9 |
–27,5 |
–14,8 |
–3,9 |
7,6 |
14,2 |
17,3 |
11,9 |
7,6 |
–6,5 |
–20,5 |
–27,0 |
–5,8 |
|
2006 |
–35,2 |
–26,5 |
–17,2 |
–8,2 |
4,6 |
14,0 |
17,9 |
12,8 |
6,2 |
–10,1 |
–24,3 |
–23,6 |
–7,5 |
|
2007 |
–21,1 |
–30,6 |
–16,1 |
–0,6 |
4,3 |
14,2 |
15,4 |
13,6 |
5,7 |
–5,7 |
–18,6 |
–26,0 |
–5,5 |
|
2008 |
–30,6 |
–20,8 |
–10,5 |
–8,3 |
4,6 |
15,6 |
14,9 |
12,4 |
4,1 |
–3,5 |
–23,7 |
–32,7 |
–6,5 |
|
2009 |
–26,5 |
–33,8 |
–20,5 |
–1,7 |
2,8 |
15,3 |
16,1 |
14,2 |
6,4 |
–4,9 |
–25,4 |
–34,8 |
–7,7 |
|
2010 |
–30,6 |
–28,5 |
–16,5 |
–6,1 |
6,4 |
13,4 |
17,4 |
12,8 |
2,3 |
–7,8 |
–17,2 |
–35,7 |
–7,5 |
|
2011 |
–28,4 |
–27,7 |
–11,8 |
–1,5 |
7,8 |
14,7 |
18,0 |
15,0 |
4,2 |
–4,1 |
–20,8 |
–26,2 |
–5,1 |
|
2012 |
–29,8 |
–24,2 |
–18,8 |
–6,0 |
6,1 |
14,5 |
19,8 |
12,5 |
7,1 |
–9,4 |
–23,8 |
–31,2 |
–6,9 |
|
2013 |
–32,2 |
–28,3 |
–19,4 |
–3,7 |
9,0 |
16,4 |
16,5 |
14,2 |
4,2 |
–5,6 |
–17,4 |
–23,2 |
–5,8 |
|
2014 |
–38,4 |
–33,3 |
–11,9 |
–0,4 |
6,0 |
14,2 |
20,3 |
13,7 |
3,3 |
–6,7 |
–22,1 |
–27,9 |
–6,9 |
|
2015 |
–28,5 |
–21,8 |
–13,4 |
–5,4 |
4,5 |
14,7 |
18,3 |
14,3 |
5,0 |
–6,1 |
–19,8 |
–24,5 |
–5,2 |
|
2016 |
–24,1 |
–23,7 |
–12,1 |
–2,2 |
1,5 |
15,6 |
17,3 |
12,5 |
8,1 |
–8,8 |
–23,3 |
–29,2 |
–5,7 |
|
2017 |
–26,6 |
–21,3 |
–8,9 |
–3,7 |
1,8 |
17,3 |
15,8 |
15,7 |
3,5 |
–6,1 |
–23,0 |
–30,8 |
–5,5 |
|
2018 |
–28,3 |
–27,5 |
–15,6 |
–3,7 |
4,4 |
18,9 |
15,6 |
14,4 |
6,6 |
–0,2 |
–21,6 |
–29,3 |
–5,5 |
|
2019 |
–26,8 |
–20,5 |
–10,6 |
–3,4 |
4,5 |
18,5 |
18,9 |
15,5 |
5,8 |
–4,5 |
–23,2 |
–30,2 |
–4,7 |
|
2020 |
–21,0 |
–19,2 |
–13,0 |
0,1 |
7,0 |
16,9 |
16,6 |
15,9 |
8,6 |
–5,0 |
–14,9 |
–27,9 |
–3,0 |
|
2021 |
–36,6 |
–31,2 |
–15,5 |
–6,6 |
6,9 |
17,5 |
20,2 |
15,4 |
7,0 |
–2,5 |
–18,2 |
–31,0 |
–6,2 |
|
2022 |
–28,5 |
–24,4 |
–13,7 |
–3,5 |
7,5 |
17,1 |
19,4 |
11,0 |
2,8 |
–2,3 |
–21,1 |
–28,0 |
–5,3 |
Рис. 3. Распределение стока по сезонам для среднего по водности года (а – 1950–1965 гг., б – 1980–2020 гг.)
При зарегулировании стока происходят изменения морфологии реки, увеличение глубин, появление протяженных полыней ниже ГЭС, уменьшение толщины ледяного покрова. Все эти условия ведут к уменьшению коэффициента льдистости при зарегулировании стока, а также способствуют увеличению зимнего стока [2].
На зарегулированных участках реки скорость руслового добегания очень велика, особенно это заметно в зимний период, когда из-за метеорологических факторов увеличиваются потребление энергии, сброс воды, а длина полыньи соответственно растягивается. В естественных условиях, когда река полностью покрыта ледяным покровом, синхронность колебания уровня воды прослеживается до самого устья. Время добегания определялось по методу, предложенному Г.П. Калининым [6]. Для этого был построен график соответственных уровней воды. Гидроствор Сюльдюкар на реке Вилюй является верхней точкой, соответственно г/с Хатырык-Хомо – нижней. Расстояние между рассматриваемыми створами по реке составляет 1020 км. Выбранный участок реки является почти бесприточным в зимнее время, поскольку притоки в это время года имеют минимальный сток или вовсе перемерзают.
Скорости добегания рассчитываются по формуле:
V = L / t,
где L – расстояние между станциями, км. L = 1142 – 122=1020 км.
Расчеты представлены в табличной форме (табл. 2).
В зимний период при верхнем уровне 75 см (г/с Сюльдюкар) и при нижнем уровне 116 см (г/с Хатырык-Хомо) максимальная скорость добегания в естественных условиях равнялась 1,31 м/с, а минимальная скорость добегания составляла 0,33 м/с при верхнем уровне 76 см и при нижнем уровне 105 см. В зимний сезон максимальные скорости добегания наблюдаются в ноябре месяце (рис. 4).
После зарегулирования реки на рассматриваемом участке в этот период времени в верхней и нижней точках отсутствует связь, это связано с тем, что в верхнем створе происходят постоянные колебания уровня воды, вызванные водохранилищем (рис. 4).
На рисунке 5 показаны изменения скорости и времени руслового добегания в период весеннего половодья, когда наблюдаются ярко выраженные подъемы уровня воды и максимальные скорости в нижних бьефах водохранилищ.
На графике показано изменение уровня воды в период высоких вод, включающий три створа (Сюльдюкар, Крестях, Сунтар) ниже Светлинской ГЭС. По результатам расчета на рассматриваемом отрезке максимальная скорость достигает 3 м/с, а минимальная – в пределах 1 м/с (табл. 3).
Расстояние на данном отрезке реки от рассматриваемого первого створа до с. Сунтар составляет 402 км по реке, а уклон реки – 36,5 м. Недельное регулирование уровня воды на р. Вилюй, связанное с работой гидроэлектростанций, наблюдается на расстоянии 700–850 км от плотины Светлинской ГЭС, а суточное колебание – на расстоянии 300–400 км ниже плотины [7].
Таблица 2
Расчет скорости руслового добегания (г/п Сюльдюкар, г/п Хатырык-Хомо)
|
№ точек |
1/1 |
2/2 |
3/3 |
4/4 |
5/5 |
6/6 |
|
г/п Сюльдюкар |
75 |
69 |
76 |
80 |
79 |
81 |
|
г/п Хатырык-Хомо |
116 |
99 |
105 |
111 |
111 |
115 |
|
t, сут. |
9 |
23 |
36 |
24 |
11 |
11 |
|
t, час |
216 |
552 |
864 |
576 |
264 |
264 |
|
V, м/с |
1,31 |
0,51 |
0,33 |
0,49 |
1,07 |
1,07 |
Рис. 4. Совмещенный график колебаний уровня воды р. Вилюй в зимний период у с. Сюльдюкар и у с. Хатырык-Хомо до и после зарегулирования (а – 1960–1961 гг., б – 2020–2021 гг.)
Рис. 5. График колебаний уровня воды р. Вилюй у населенных пунктов Сюльдюкар (а), Крестях (б) и Сунтар (в) (после введения в эксплуатацию Вилюйской ГЭС)
Таблица 3
Расчет скорости руслового добегания
|
№ точек |
1/1 |
2/2 |
3/3 |
4/4 |
5/5 |
6/6 |
7/7 |
8/8 |
9/9 |
|
г/п Сюльдюкар |
6,78 |
5,50 |
5,65 |
4,97 |
4,98 |
3,09 |
6,71 |
2,69 |
2,99 |
|
г/п Крестях |
6,58 |
5,29 |
6,60 |
4,60 |
4,64 |
3,15 |
5,77 |
2,90 |
2,98 |
|
г/п Сунтар |
7,27 |
5,75 |
6,82 |
4,71 |
4,38 |
2,70 |
5,83 |
2,53 |
2,54 |
|
Скорость и время добегания (г/п Сюльдюкар – г/п Крестях) |
|||||||||
|
t, сут. |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
2 |
1 |
3 |
3 |
|
t, час |
24 |
48 |
48 |
24 |
24 |
48 |
24 |
72 |
72 |
|
V, м/с |
3,0 |
1,5 |
1,5 |
3,0 |
3,0 |
1,5 |
3,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Скорость и время добегания (г/п Крестях – г/п Сунтар) |
|||||||||
|
t, сут. |
3 |
1 |
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
|
t, час |
72 |
24 |
24 |
48 |
24 |
24 |
24 |
48 |
48 |
|
V, м/с |
1,0 |
3,0 |
3,0 |
1,5 |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
1,5 |
1,5 |
Заключение
Сравнение колебания уровня воды позволило проанализировать исследуемые участки на предмет синхронности и синфазности изменения после введения в эксплуатацию Вилюйской ГЭС. В результате установлено, что на реке Вилюй изменение периода колебания разделено на 2 участка. Первый участок начинается от Светлинской ГЭС до с. Сунтар, а второй – ниже с. Сунтар до впадения в Лену. На первом участке отчетливо прослеживается влияние водохранилищ в период весеннего половодья. На втором участке влияние оказывают такие крупные притоки, как Ыгыатта, Марха, Тюкян и Тюнг, которые расположены ниже с. Сунтар.
На рассматриваемом участке в зимний период времени в верхней и нижней точках отсутствует связь, это связано с тем, что в верхнем створе происходят постоянные колебания уровня воды, вызванные водохранилищем.