Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Тімченко Олег Володимирович

УДК [556.531.5:627.8] (282.247)

Гідрологічні чинники формування

кисневого режиму Канівського водосховища

11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідробіології Національної Академії наук України

Науковий керівник: |

доктор хімічних наук, професор

Линник Петро Микитович

Інституті гідробіології Національної Академії наук України, завідувач відділу гідрохімії

Офіційні опоненти: | доктор географічних наук, професор

Самойленко Віктор Миколайович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізичної географії та геоекології

кандидат географічних наук,

Набиванець Юрій Богданович

Науково-дослідний гідрометеорологічний інститут НАН України і Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, заступник директора з наукової роботи.

Провідна установа: | Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 12 квітня 2007 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: Київ, МCП 680, Проспект Глушкова, 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка

за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64

Автореферат розісланий 12 березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22

кандидат географічних наук |

В.В. Гребінь

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивне та недостатньо контрольоване використання водних ресурсів у світі, у тому числі в Україні, загрожує у майбутньому значною деградацією водних екосистем і, як наслідок цього, поглибленням негативного впливу на здоров’я та життєздатність людини. Останнім часом людство все частіше шукає можливі шляхи для збереження природного стану водних об’єктів та покращення якості води. Особливо це стосується водосховищ, оскільки вони створюються для накопичення запасів води і комплексного господарського використання.

Значна увага до Канівського водосховища приділяється як до характерного водного об’єкту, який з одного боку, є важливою водною складовою навколишнього середовища для населення міст і сіл, а з іншого – зазнає значного антропогенного навантаження.

Одним з інтегральних показників стану екосистеми Канівського водосховища є концентрація розчиненого у воді кисню, оскільки саме вона визначає інтенсивність хімічних і біохімічних процесів, відповідальних за формування самоочисного потенціалу водойми та умов функціонування її екосистеми.

Аналіз опублікованих даних та матеріалів наших досліджень показує, що Канівське водосховище завдяки характерній для нього активній проточності, має дещо кращі показники кисневого режиму, ніж інші водосховища дніпровського каскаду. Але за даними, наведеними в літературі, відомо, що протягом року у його кисневому режимі виникають критичні періоди, коли концентрація кисню у воді знижується до 2–3мг/дм3, а подекуди може бути навіть меншою за 0,5 мг/дм3.

В основу пошуку шляхів поліпшення якості води у водосховищі покладено те безперечне положення, що практично всі процеси, які формують режим розчиненого у воді кисню, залежать тією чи іншою мірою від гідрологічного (частіше від водного) режиму, який визначається режимом попусків ГЕС.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася в рамках реалізації державних науково-дослідних робіт та госпдоговірних тем Інституту гідробіології НАН України, з яких найважливішими є:

„Оцінка екологічної ситуації на Київській ділянці Канівського водосховища в критичні періоди та розробка заходів по поліпшенню якості води в районах питних водозаборів” (госпдоговір з Мінекоресурси України – 2000 р.);

„Опрацювання гідроекологічних основ управління станом екосистем та якістю води великих річок України на ділянках впливу гідротехнічних об’єктів” (№ держреєстрації 0198U003583 – 2001 р.);

„Розробка технології поліпшення кисневого режиму водосховищ дніпровського каскаду в зимовий період з метою запобігання заморних явищ” (госпдоговір з Укргідроенерго – 2001р.);

„Прогноз впливу Канівської ГАЕС на водні екосистеми Канівського водосховища” (госпдоговір з ВАТ Гідроенергопроект – 2005 р.);

„Визначення механізмів впливу гідрологічних процесів на функціонування екосистем дніпровських водосховищ з метою управління їх станом та якістю води” (№ держреєстрації 0101U004986 – 2006 р.).

Мета і задачі роботи. Метою роботи було встановлення закономірностей впливу гідрологічних процесів на формування кисневого режиму Канівського водосховища та розробка засобів його поліпшення в критичні періоди.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

дослідити особливості кисневого режиму Канівського водосховища та визначити вплив гідрологічних процесів на його формування;

оцінити складові кисневого балансу водосховища і їх роль у формуванні показників вмісту та динаміки розчиненого у воді кисню в різні періоди року;

визначити основні гідрологічні чинники, що зумовлюють виникнення низького вмісту кисню у воді річкової та озерної ділянок водосховища в критичні літні та зимові періоди;

розробити науково обґрунтовані заходи щодо поліпшення кисневого режиму річкової та озерної ділянок водосховища в критичні періоди літньо-осінньої межені шляхом регулювання попусків Київської та Канівської ГЕС;

розробити теоретичні передумови та методичні засади регулювання кисневого режиму річкової та озерної ділянок водосховища в зимовий період.

Об’єктом досліджень є наймолодше в дніпровському каскаді Канівське водосховище.

Предметом досліджень є теоретичні розробки та конкретні засоби поліпшення кисневого режиму каскадного водосховища в критичні періоди, коли низька концентрація кисню у воді зумовлює виникнення негативних екологічних наслідків для водойми та навколишнього середовища.

Методи досліджень ґрунтуються на принципах класичної гідрології, гідрохімії та сучасної гідроекології. Для визначення швидкостей течії у водосховищі застосовувалися поплавковий та пневматичний методи. Концентрацію кисню в польових умовах визначали методом Вінклера. Для опрацювання матеріалів застосовувались статистичні, графічні, графоаналітичні та балансові методи. Моделювання циркуляцій водних мас здійснювали за допомогою математичної моделі Фельзенбаума, яку автор та науковці Інституту гідробіології неодноразово використовували на водоймах України. В роботі широко застосовувались різноманітні комп’ютерні програми, які значно прискорювали обробку інформації та розрахунки.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що гідрологічні процеси, притаманні каскадним водосховищам, вперше розглядаються і оцінюються як абіотичні чинники формування кисневого режиму. До елементів новизни відносяться наступні положення і розробки дисертації:

визначення та оцінка гідрологічних процесів, що впливають на кисневий режим Канівського водосховища;

методичні засади розрахунку складових кисневого балансу проточного каскадного водосховища;

адаптація та застосування сучасної методичної бази математичного моделювання внутрішньоводоймної динаміки вод з метою оцінки показників кисневого режиму водосховища за різних гідрометеорологічних та експлуатаційних умов;

удосконалення методики розрахунку трансформації хвиль попусків ГЕС, які визначають водообмін в елементах водної мережі річкової ділянки водосховища (заплавні озера, протоки, затоки тощо);

методика поліпшення кисневого режиму річкової та озерної ділянок водосховища в критичних ситуаціях літнього періоду, що базується на регулюванні попусків вищерозташованої ГЕС;

визначення і кількісна оцінка потенційних можливостей збільшення вмісту у воді озерної частини водосховища розчиненого кисню за літніх та зимових кризових ситуацій шляхом активізації водообміну в мілководдях і посилення динаміки вод попусками ГЕС;

методика поліпшення кисневого режиму в застійних зонах та місцях зимівлі риб в кризових ситуаціях;

оцінка потенційного впливу гідроакумулятивної електростанції на кисневий режим водосховища.

Обґрунтованість результатів досліджень визначається використанням значної кількості матеріалів дослідження водного та кисневого режимів Дніпра і його водосховищ Державною гідрометслужбою, Інститутом гідробіології Національної Академії наук, Дніпровським басейновим управлінням водних ресурсів Держводгоспу та іншими організаціями і підприємствами України, а також сучасними методами їх обробки та аналізу.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі отриманих результатів запропоновано технології поліпшення кисневого режиму Канівського водосховища шляхом штучної зміни його гідрологічних умов. Ці технології можуть враховуватись Правилами експлуатації водосховищ для запобігання негативних екологічних наслідків у випадку формування низької концентрації кисню у воді. Адаптована автором методика математичного моделювання течій і рекомендації щодо розрахунку коефіцієнта атмосферної аерації можуть використовуватися для оцінки і прогнозу зміни концентрації кисню у воді інших водосховищ Дніпра. Результати дослідження потенційного впливу Канівської ГАЕС на кисневий режим озерної ділянки Канівського водосховища враховано в проектній документації будівництва цього гідротехнічного об’єкту.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у натурних дослідженнях гідрологічних умов формування кисневого режиму Канівського водосховища та узагальнив результати цих досліджень. Проаналізував різні аспекти впливу попусків Київської ГЕС на вміст кисню у воді Канівського водосховища. Удосконалив методику розрахунку трансформації попускових хвиль на річковій ділянці, яка може застосовуватися для інших водосховищ каскаду. Більшість засобів поліпшення кисневого режиму Канівського водосховища, наведених в дисертації, розроблено і удосконалено особисто автором.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: 5-й та 6-й Всеросійських конференціях „Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей” (Москва, 1999; Москва, 2004); Міжнародному семінарі “Ecohydrology as a tool for restoration of physically degraded fish habitats” (Варшава, 2001); 5-му та 6-му з’їздах Гідроекологічного товариства України (Тернопіль, 2001; Карадаг, 2005); 2-й та 3-й Всеукраїнських наукових конференціях „Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія” (Київ, 2003; Київ, 2006); Міжнародній науковій конференції „Современные проблемы гидробиологии. Перспективы, пути и методы исследований” (Херсон, 2006); Міжнародній науковій конференції „Гідроекологія річкових русел” (Київ, 2006); наукових семінарах відділів гідрохімії та гідрології і управління водними екосистемами Інституту гідробіології НАН України.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 17 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових виданнях, а також тези доповідей на наукових конференціях.

Структурно дисертація складається із вступу, шести розділів і висновків. Повний обсяг роботи складає 5,8 авторських аркушів, або 130 сторінок, включаючи 11 таблиць та 23 рисунки. Список використаних літературних джерел налічує 132 найменування.

Основний зміст роботи

У першому розділі „Особливості гідрологічного та гідрохімічного режимів Канівського водосховища” розглядаються екологічно значущі елементи гідрологічного режиму та загальні відомості про гідрохімічний стан Канівського водосховища.

Вплив гідрологічних процесів на формування стану екосистем та якість води різних типів водойм досить різноманітний. Досвід вивчення багатьох аспектів цього впливу дозволив визначити, що всі екологічно значущі гідрологічні чинники об’єднуються в три блоки: зовнішній водообмін, внутрішню динаміку вод та гідрофізичні характеристики водних мас і донних ґрунтів. Якраз такий екосистемний підхід покладено в основу оцінки впливу гідрологічних процесів на формування кисневого режиму Канівського водосховища.

За гідроморфологічними показниками акваторію Канівського водосховища можна умовно поділити на дві ділянки: верхню (річкову) – довжиною приблизно 53 км, та нижню (озерну).

На річковій ділянці відсутня затоплена заплава, різко коливаються рівні води та змінюється швидкість течії. Основним чинником динаміки вод є стокові течії; вітрово-хвильові процеси обмежені. В зимовий період нижче Київської ГЕС формується ополонка. Характерною особливістю річкової ділянки Канівського водосховища є досить інтенсивне антропогенне її забруднення. Водний режим тут дуже динамічний, оскільки регулюється попусками Київської ГЕС. Тепловий режим формується головним чином під впливом водних мас Дніпра та Десни, а також завдяки теплообміну з навколишнім середовищем. У зв’язку з особливостями морфометрії, ступенем проточності, наявності притоків, промислових та побутових скидів, окремі частини ділянки мають відмінні риси термічного режиму. Зазначені особливості значною мірою впливають на формування загального стану екосистеми та якість води.

В озерній ділянці Канівського водосховища зосереджено близько 90% води, що знаходиться у водосховищі. Довжина її становить близько 70 км. Ділянка промивається транзитним стоком приблизно за 10–15 діб. Внутрішньоводоймну гідродинаміку в безльодоставний період формують стокові та вітрові течії, а також коливання рівня води, хвильові процеси і в деякій мірі згінно-нагінні та сейшеві явища. Двічі на добу вздовж водосховища проходять хвилі попуску. Також двічі стік різко зменшується і за наявності вітру (вірогідність більше 90 %) структура транзитного потоку руйнується. Під час льодоставу структура течій водосховища значно спрощується. Рівневий режим Канівського водосховища цілком залежить від режиму роботи Київської і Канівської ГЕС. Оскільки останні здійснюють лише добове і частково тижневе регулювання стоку, протягом року в озерній частині водосховища підтримується рівень, наближений до НПР.

Температурний режим значною мірою відповідає типовим показникам проточної водойми. Первинні форми льодоутворення з’являються спочатку в мілководних затоках та гирлах річок, що впадають у водосховище. Найбільшої товщини (до 50–65 см) льодовий покрив водосховища досягає, зазвичай, наприкінці лютого та на початку березня. За рік на 1 м2 водної поверхні водосховища надходить від 3 до 4,5 млн. кДж сонячного тепла. Прозорість води змінюється в межах 1,2–1,6 м.

Гідрохімічний режим Канівського водосховища, як і гідрологічний, значною мірою визначається притоком дніпровських та деснянських вод. Залежить він також від режиму роботи гідровузлів. Помітний вплив на нього проявляють притоки (Либідь, Красна, Стугна, Трубіж) та надходження значної кількості недостатньо очищених промислових і комунально-побутових стічних вод.

У другому розділі „роль кисню в поверхневих водах. Особливості кисневого режиму Канівського водосховища” розглянуто значення розчиненого у воді кисню для функціонування водних екосистем та звернуто увагу на особливості формування кисневого режиму досліджуваного водосховища.

Відомо, що розчинений у воді кисень відіграє виключно важливу роль у житті природних водойм. Він значною мірою визначає інтенсивність перебігу процесів в гідробіохімічних системах. Кисень використовується при розкладанні розчинених органічних речовин, відмерлих рослин і тварин. Від його вмісту у воді залежить ступінь окиснення важкодоступних органічних речовин (наприклад, водного гумусу), а також відновлених форм деяких важких металів, насамперед Мангану і Феруму. Стан кисневий режиму – це чутливий показник рівня забруднення вод. Цей факт став основою для кількісного опису процесів самоочищення природних водних об’єктів за допомогою математичних моделей. Незалежно від складності моделей в них завжди враховуються гідрологічні чинники. В зарубіжній літературі розробці та практичному застосуванню кисневих моделей водних об’єктів приділяється багато уваги. Це відображено в чисельних публікаціях. У вітчизняній літературі таких праць порівняно мало і в багатьох випадках вони обмежуються загальним математичним формулюванням моделі без застосування до конкретного об’єкту.

Кругообіг кисню в Канівському водосховищі формується, взагалі, за участю декількох пов’язаних між собою процесів. Так, прибуткову частину балансу кисню забезпечують: надходження його з водою ззовні (річковий стік, обмін з іншими водними об’єктами тощо), з атмосферними опадами і з підземними водами. Вирішальне значення для прибуткової частини балансу має інвазія кисню з атмосферного повітря і утворення його в процесі фотосинтезу водоростей та вищих водяних рослин. Витратна частина балансу включає: використання кисню гідробіонтами в процесі дихання, витрати на мінералізацію органічних і неорганічних сполук, хімічне окиснення, евазію та виніс із водним стоком. Кількісна оцінка складових балансу безпосередньо для Канівського водосховища здійснюється сучасними методами розрахунку з використанням кліматичних даних, морфометричних та технічних характеристик водосховища.

Взимку дефіцит кисню в Канівському водосховищі найчастіше зумовлюється надходженням збідненої киснем води з Київського водосховища та Десни. Найгостріший дефіцит кисню виникає в період льодоставу, коли біохімічне та хімічне споживання є досить істотним, фотосинтетична аерація низька або зовсім відсутня, а атмосферна аерація припинена завдяки льодовому покриву. В цей час вміст кисню у воді знижується до 3–4 (інколи до 0,5) мг/дм3, що становить 12–30 % насичення.

Влітку у водосховищі, особливо в його річковій ділянці, також постійно відмічається напружений кисневий режим. Він проявляється більш або менш тривалим зниженням концентрації розчиненого у воді кисню до 5–6, а іноді до 3–4 мг О2/дм3 (35–50% насичення). Це негативно позначається на інтенсивності процесів самоочищення і “нейтралізації” забруднень, вміст яких особливо зростає внаслідок посиленого антропогенного навантаження на річкову ділянку водосховища.

У третьому розділі „Регулювання кисневого режиму річкової ділянки Канівського водосховища в літній період” наведено розроблені і рекомендовані заходи щодо поліпшення кисневого режиму в літній період для річкової ділянки водосховища шляхом збільшення стоку води (об’ємів попусків) через греблю Київської ГЕС та активізації неусталеного режиму стоку на ділянці.

Збільшення стоку води через греблю Київської ГЕС має три аспекти впливу на кисневий режим річкової ділянки Канівського водосховища.

Перший полягає в тому, що збільшення притоку через греблю ГЕС приводить до підвищення частки дніпровської води на ділянці. Розрахунки, що ґрунтуються на кисневому балансі ділянки, свідчать про незначний ефект збільшення у ній концентрації кисню. Так, наприклад, за середньодобових витрат води в нижньому б’єфі Київської ГЕС 2500 м3/с зміна концентрації кисню за період переміщення води уздовж річкової ділянки досягає всього 5 % від вихідного їх значення. Але в умовах значної різниці вихідних величин концентрації кисню у воді Київського та річкової ділянки Канівського водосховищ поліпшення кисневого режиму видається цілком реальним. Розрахункове рівняння для оцінки першого аспекту впливу, котрий можна назвати ефектом „корекції балансу”, має вигляд:

(1)

де: ?Сн – зміна концентрація кисню за період переміщення води уздовж річкової ділянки; Сн, Скв – концентрація кисню у воді (мг/дм3) відповідно нижньої межі ділянки та нижнього б’єфу Київської ГЕС; Qн, Qкв – витрати води на ділянці в тих же створах; ?Свн – зміна концентрації кисню у воді за період її переміщення вздовж ділянки внаслідок внутрішньоводоймних біологічних, фізико-хімічних та інших процесів; індексами i та i-1 позначено, що відповідні характеристики відносяться до кінця і початку розрахункового періоду.

Другим аспектом впливу збільшення об’ємів попусків ГЕС можна вважати ефект „втягування” в агрегати станції води з поверхневих шарів Київського водосховища. Мова йде про такі ситуації, коли має місце значна вертикальна стратифікація кисню в пригреблевій частині цього водосховища. Результати натурних досліджень виявили тенденцію деякого збільшення вмісту кисню у воді нижнього б’єфу Київської ГЕС за умови збільшення об’ємів попусків. Така залежність, вірогідно, ґрунтується на тому, що під час значних витрат до агрегатів ГЕС надходить вода не лише з придонних, але й з більш збагачених киснем верхніх шарів. Визначено, що підвищення концентрації кисню у воді нижнього б’єфу Київської ГЕС має прямо пропорційний характер до витрат приблизно 1250 м3/с. Далі, при збільшенні попуску ГЕС пряма залежність поступово переходить в криволінійну і за межами витрат 1500–2000 м3/с виходить на асимптоту з постійним значенням концентрації приблизно 7–8 мг О2/дм3. Такий максимальний ефект можна досягти лише за умов, коли вміст кисню у поверхневому шарі пригреблевої ділянки Київського водосховища перевищує 11–13 мг/дм3, а в придонних шарах складає 4–5 мг О2/дм3. Подібні ситуації спостерігаються досить рідко, тому ефект “втягування” навряд чи можна вважати дієвим.

Третій аспект впливу об’ємів попусків Київської ГЕС на кисневий режим річкової ділянки Канівського водосховища пов’язаний з тим, що, завдяки збільшенню швидкості течії, в русловій мережі активізується процес атмосферної аерації води. Коли витрати води на ділянці мінімально можливі (за відсутності попусків ГЕС) і на ділянку надходить лише стік Десни, коефіцієнт атмосферної аерації складає всього 0,048 доба-1. За таких умов процес атмосферної аерації зумовлюється в основному через дію вітру. Коли ж скид води через агрегати ГЕС значний (умовно прийнято, що в такій ситуації величина витрати на ділянці складає близько 3000 м3/с), коефіцієнт атмосферної аерації в основному руслі збільшується майже вдвічі.

Водночас, збільшення попусків Київської ГЕС призводить до зменшення тривалості перебування води на ділянці. За витрат 3000 м3/с цей термін складає 0,86 доби, що майже в 25 разів менше, ніж в умовах мінімальних витрат. Отже, збільшення об’ємів попусків Київської ГЕС, хоч і активізує процес атмосферної аерації, має зворотній вплив на динаміку вмісту розчиненого у воді кисню в межах річкової ділянки Канівського водосховища. Приріст концентрації кисню в кінці ділянки за збільшення попусків ГЕС від 0 до 3000 м3/с зменшується в 5,7 рази. В роботі наведено номограму (рис. 1), яка враховує вплив атмосферної аерації на динаміку вмісту кисню у воді річкової ділянки Канівського водосховища за різних попусків ГЕС і дозволяє суттєво полегшити розрахунки.

Завдяки коливанням рівня води у водній системі ділянки, зумовленим нерівномірними попусками Київської ГЕС, відбувається досить активний водообмін між основною русловою та придатковою мережами. Кількісну оцінку збагачення киснем води основного русла за рахунок надходження його з придаткової мережі можна здійснити на основі використання рівняння:

, 2)

де: Cпр і Cр – концентрація розчиненого кисню відповідно в придатковій мережі і основному руслі, мг О2/дм3; Wпр і Wi – водообмін з придатковою мережею і транзитний стік в русловій системі за розрахунковий проміжок часу. В наведеному рівнянні аргументи Wi, Cпр і Cр повинні бути задані. Водообмін з придатковою мережею (Wпр) залежить від діапазону коливань рівня води на річковій ділянці. Відповідно до розрахунків, у випадку надходження із Київського водосховища води з низьким вмістом кисню (3,8 мг/дм3) за середньодобових витрат води в створі Київської ГЕС, наприклад, 250 м3/с, приріст концентрації розчиненого кисню в основному руслі досліджуваної ділянки за рахунок придаткової мережі навіть за незначних коливань рівня води досить суттєвий – 0,92 мг/дм3. За максимально можливої амплітуди коливань рівня приріст досягає 2,98 мг О2/дм3. За підвищених витрат (більше 700–800 м3/с) коливання рівня з амплітудою до 0,25–0,50 м виявляються недостатніми для значного впливу придаткової мережі на кисневий режим основного русла (рис. 2).

Внутрішньодобові коливання рівня води на річковій ділянці Канівського водосховища, що генеруються нерівномірними попусками Київської ГЕС, мають велике значення не лише для основного русла, але і для екосистеми водних об’єктів придаткової мережі. Збільшення амплітуди коливання рівня води і оптимальний режим цих коливань сприяють посиленню зовнішнього водообміну придаткової мережі з основним руслом та інтенсифікують внутрішньоводоймну динаміку водних мас. Такий гідрологічний режим призводить до покращення стану екосистем водних об’єктів придаткової мережі, істотно підвищує їх естетичну та рекреаційну цінність. Рівняння для визначення зміни за одиницю часу (доба) концентрації кисню у водоймі придаткової мережі за рахунок водообміну з основним руслом можна подати у вигляді:

, (3)

де: Wпр – величина притоку-відтоку води, м3/доба; V – об’єм води у водоймі, м3; Cр, Cпр – концентрація кисню у воді відповідно русла і водойми протягом попередньої доби, мг/дм3.

Потенційні можливості регулювання кисневого режиму придаткової мережі розглянуто на прикладі рукава Десенки. Для зручності оперативної оцінки та регулювання кисневого режиму Десенки, відповідно до рівняння (3) побудовано номограму (рис. 3). Контрольні розрахунки дозволяють констатувати, що водообмін з основним руслом, генерований попусковими коливаннями рівня води, справляє відчутний вплив на кисневий режим цієї водойми. Безумовно, таке положення відноситься і до інших водойм придаткової мережі річкової ділянки Канівського водосховища.

У четвертому розділі „Поліпшення кисневого режиму озерної ділянки водосховища в літній період” розглянуто потенційні можливості збільшення вмісту у воді розчиненого кисню шляхом активізації водообміну в мілководдях та покращення показників кисневого режиму шляхом посилення динаміки вод.

В основу однієї із реальних можливостей покращення кисневого режиму озерної ділянки Канівського водосховища покладено той беззаперечний факт, що зайняті вищою водяною рослинністю мілководдя беруть активну участь у формуванні балансу кисню у водоймі. Реалізація спроможностей мілководь, зайнятих водяною рослинністю, щодо поліпшення кисневого режиму безпосередньо в самих мілководдях і на решті акваторії водойми значною мірою залежить від водообміну у зонах заростей. Від того, як активно надходять водні маси з акваторії водосховища до мілководних масивів і як інтенсивно вони перемішуються у цих масивах, залежить продукційна можливість рослин і інтенсивність виділення ними у воду кисню.

Сучасний режим експлуатації Канівського водосховища, звичайно, не передбачає різких короткочасних коливань рівня води в озерній його частині, тому водообмін між основною акваторією водойми та мілководдями генерується в основному за рахунок вітрових течій і хвилювання – чинників, які штучно не регулюються. Але в окремих випадках, при виникненні особливо низьких показників вмісту кисню у воді основної акваторії, можливе здійснення короткочасних підйомів рівня води в озерній частині водосховища за рахунок несинхронної роботи Київської та Канівської ГЕС. Ефект від таких підйомів можна оцінити кількісно за рівнянням:

, (4)

де: Са,к – кінцеве значення вмісту розчиненого кисню у воді основної акваторії водосховища (мг О2/дм3); См,0 і Са,0 – початковий вміст кисню у воді мілководь і основної акваторії водосховища (мг О2/дм3); ?H – величина підйому рівня води (м). На рис. 4 наведено номограму, в основі якої лежить рівняння (4). Вона дає можливість оперативно визначати приріст вмісту кисню в озерній частині Канівського водосховища за рахунок активізації внутрішнього водообміну штучним підйомом рівня води. Як видно (див. рис. 4), такий приріст може сягати 0,1 – 0,4 мг О2/дм3 за один цикл підйому рівня води.

Реальним важелем штучного поліпшення показників кисневого режиму озерної частини Канівського водосховища може бути збільшення об’ємів попусків ГЕС. При цьому, за рахунок посилення стокових течій активізується атмосферна аерація води. В таблиці наведено результати розрахунків коефіцієнта атмосферної (ka) аерації за різних, реально можливих транзитних витрат та різних вітрових умов в озерній ділянці Канівського водосховища. Дані осереднені для всієї озерної ділянки водосховища. В штильову погоду збільшення транзитних витрат, наприклад, від 300 до 3000 м3/с зумовлює збільшення kа в 3 рази. За значної швидкості вітру таке збільшення стоку на активність атмосферної аерації впливає мало. Звідси і деяка обмеженість застосування засобу покращення кисневого режиму озерної частини Канівського водосховища шляхом збільшення попусків Київської та Канівської ГЕС. Ефективним він може бути лише за безвітряної погоди.

Таблиця

Коефіцієнт атмосферної аерації (kа, доба-1) озерної частини

Канівського водосховища в літній період (температура води 20 0С)

Введення в дію Канівської ГАЕС, що проектується, значною мірою активізуватиме динаміку вод в озерній частині водосховища та поліпшить абіотичні умови функціонування його екосистеми та якості води. Особливо позитивним буде вплив посиленої динаміки вод на кисневий режим. Він поліпшиться, що відбуватиметься за рахунок декількох чинників. По-перше, підсилиться водообмін та перемішування глибинних шарів води з поверхневими. По-друге, щоденні підйоми рівня води у водосховищі, хоча і не перевищуватимуть 5 см, все ж суттєво інтенсифікуватимуть внутрішній водообмін на мілководних ділянках, у тому числі зарослих вищою водяною рослинністю. І по-третє, збільшення швидкості течії уздовж всієї акваторії і особливо в районі безпосереднього впливу ГАЕС призведе до посилення атмосферної аерації. В озерній частині водосховища швидкості течій в періоди роботи ГАЕС як в турбінному, так і в насосному режимах будуть більшими в 1,2–1,3 рази, що призведе до збільшення коефіцієнта атмосферної аерації на 30–40 %.

У п’ятому розділі „регулювання кисневого режиму на річковій ділянці Канівського водосховища в зимовий період” доведено, що єдиним і досить ефективним способом поліпшення показників кисневого режиму на цій ділянці за виникнення кризових ситуацій взимку є штучне збільшення розмірів пригреблевої ополонки, що формується в нижньому б’єфі ГЕС. На підставі відомих теоретичних досягнень, що ураховують тепловий баланс водотоків нижніх б’єфів за подібних умов, розроблено конкретну методику розрахунку довжини пригреблевої ополонки в нижньому б’єфі Київської ГЕС. Позитивні результати співставлення розрахункових параметрів ополонки із спостережуваними дали можливість використати методику для врахування провідних чинників формування розмірів вільної від льодового покриву водної поверхні. Встановлено, що такими є водність та температура повітря. Для січня, наприклад, співвідношення має вигляд:

, (5)

де : lст, с – стала довжина ополонки, км; Q – середня на ділянці витрата води, м3/с; ? – середня добова температура повітря, град. У лютому це співвідношення дещо змінюється:

, (6)

Відмінність констант, наведених у рівняннях (5) і (6), зумовлена розбіжністю у зазначені місяці кліматичних характеристик: інтенсивності сонячної радіації, вологості повітря, хмарності і вітрових умов.

Отримані залежності можуть використовуватися для регулювання довжини пригреблевої ополонки річкової ділянки Канівського водосховища. Основним важелем регулювання виступає водність (інтенсивність попусків Київської ГЕС)

Залежність загальної кількості кисню, що надходить у воду через поверхню ополонки за рахунок атмосферної аерації (І, т/доба) у січні описується емпіричним рівнянням:

, (7)

в лютому:

. (8)

Таким чином, величини попусків ГЕС (Q, м3/с), які необхідно витримати, щоб із атмосфери у воду в межах пригреблевої ополонки надійшла задана кількість кисню складають:

у січні:

(9)

у лютому:

(10)

У шостому розділі „поліпшення кисневого режиму озерної ділянки водосховища в зимовий період” розглянуто теоретичні передумови і методичні засади поліпшення кисневого режиму озерної ділянки Канівського водосховища під час виникнення кризових ситуацій взимку.

Одним із засобів такого поліпшення можуть бути короткочасні коливання рівня води, генеровані асинхронною роботою ГЕС. Підйом та спад рівня води, навіть на незначну величину, призводить до посилення внутрішньоводоймних динамічних процесів на значних ділянках водосховища, де за льодового покриву вони різко послаблені. Динаміка вод значною мірою впливає на інтенсивність хімічних, біологічних та фізичних процесів, що визначають кисневий режим, а також зумовлює перемішування шарів води з різним вмістом кисню.

Відповідно до діючих Правил експлуатації дніпровських водосховищ, в озерній частині Канівського водосховища допустимі коливання рівня води до 50 см. Створення таких коливань водно-балансовими умовами не обмежується.

При визначенні зміни концентрації кисню за рахунок коливань рівня, прийнято до уваги існування помітних градієнтів гідрофізичних та гідрохімічних характеристик води уздовж водосховища. Тому озерну частину Канівського водосховища умовно поділено на ділянки з більш-менш однорідними умовами формування кисневого режиму. Кожна ділянка містить активну зону – з помітною швидкістю течії та значними глибинами і застійну зону – з малою течією, мілководдями та зимувальними ямами.

Якщо виходити з балансу розчиненого у воді кисню у застійній зоні та брати до уваги досить короткостроковий підйом рівня води, то зміну на і-й ділянці концентрації кисню за цикл підйому рівня води можна визначити рівнянням:

, (11)

де: Сзт,і та Сact,і – концентрація розчиненого кисню у воді, що знаходилася напередодні підйому на і-й ділянці водосховища в застійній та активній зонах (мг О2/дм3); ?Ні – підйом рівня води на і-й ділянці, м; hзт,і – середня глибина затишної зони і-ї ділянки, м.

Для будь-якої застійної зони зміну концентрації розчиненого у воді кисню, в принципі, можна розрахувати, використовуючи систему рівнянь, що описують конвективну дифузію речовини. Реально ж рішення загальної системи цих рівнянь, як правило, пов’язане із значними труднощами, зумовленими необхідністю одержання широкої інформації про гідродинамічні та термодинамічні характеристики водного об’єкту, яка, як правило, відсутня.

Для оцінки зміни концентрації розчиненого у воді кисню в конкретній зимувальній ямі за одноразового штучного підйому рівня води (Сзя, мг О2/дм3) побудовано розрахункове рівняння:

, (12)

в якому: Н – підйом рівня води, м; Сзя,0 – вихідна концентрація кисню в зимувальній ямі, мг О2/дм3; Сакт – теж саме в активній зоні водосховища, мг О2/дм3. Константи N i M виконують роль "паспортних даних" конкретних зимувальних ям, характеризуючи їхні морфометричні параметри та розташування в акваторії водосховища.

В цілому, як показують контрольні розрахунки, зимові екологічні попуски (короткочасні підйоми рівня води) – досить перспективний засіб для поліпшення кисневого режиму в зимувальних ямах, і, взагалі, в застійних зонах водосховищ. Конкретні критерії цих попусків (величини підйомів, терміни підйомів і спадів, кількість підйомів тощо) ще слід визначити. Для цього необхідне подальше опрацювання проблеми з урахуванням результатів теоретичних, модельних, і саме головне, натурних досліджень.

Висновки

На підставі узагальнення матеріалів багаторічних спостережень і результатів досліджень автора встановлено, що кисневий режим Канівського водосховища як водойми з активною проточністю характеризується дещо кращими показниками, ніж інші водосховища дніпровського каскаду. Водночас, в літній та зимовий періоди ці показники можуть сягати інколи екстремально низьких значень.

З метою поліпшення кисневого режиму як верхньої (річкової) так і нижньої (озерної) ділянок Канівського водосховища в зазначені критичні періоди рекомендовано методологію, яка базується на регулюванні об’ємів та режиму попусків ГЕС. Відмінність гідрологічних і пов’язаних з ними гідрохімічних та біологічних умов формування кисневого режиму цих ділянок зумовила дещо різний методичний підхід до розробки конкретних важелів штучного покращення в них показників розчиненого у воді кисню.

Влітку підвищення концентрації кисню у воді річкової ділянки водосховища можна здійснювати шляхом збільшення об’ємів та нерівномірності попусків Київської ГЕС. Несталий режим стоку і коливання рівня води зумовлюють посилення водообміну між основним руслом та придатковою мережею. Оскільки в літній період в придатковій водній мережі за рахунок процесів фотосинтезу водяної рослинності вміст кисню у воді, як правило, більший, то зазначений водообмін сприяє поліпшенню кисневого режиму в основній русловій мережі (до 1,5 – 2 мг О2/дм3 за термін перебування води на ділянці).

За умови особливо низьких показників вмісту кисню у воді озерної ділянки водосховища влітку покращення кисневого режиму досягається:

а) несинхронною роботою Київської та Канівської ГЕС, що призводить до підйому рівня води і посилення водообміну між збагаченими на кисень мілководдями і основною акваторією (вміст кисню у воді основної акваторії збільшується на 0,1–0,2 мг/дм3 за один цикл підйому рівня);

б) збільшенням об’ємів попусків обох ГЕС (зростання транзитних витрат від 300 до 3000 м3/с зумовлює збільшення коефіцієнта атмосферної аерації до 3 разів);

в) експлуатацією агрегатів Канівської гідроакумулятивної електростанції, що проектується, яка активізуватиме динаміку вод та зумовить підвищення коефіцієнта атмосферної аерації на 30 – 40 %.

Єдиним засобом поліпшення кисневого режиму річкової ділянки водосховища в зимовий період може бути збільшення ополонки у нижньому б’єфі Київської ГЕС. Розроблено технологію регулювання довжини ополонки, яка базується на урахуванні основних складових теплового балансу. Визначено величини приросту вмісту кисню за рахунок атмосферної аерації в межах ополонки та необхідні об’єми і витрати попусків ГЕС. Запропоновано відповідні формули і номограми.

Збільшення концентрації кисню у воді озерної ділянки водосховища взимку можна досягнути короткочасними коливаннями рівня води, генерованими асинхронною роботою Київської та Канівської ГЕС. За реально можливого найвищого підйому рівня (до 50 см) в так званих застійних зонах, у тому числі в місцях зимівлі риб, вміст кисню можна збільшити на 0,6–0,7 мг/дм3.

Методичні розробки заходів поліпшення показників розчиненого у воді кисню в Канівському водосховищі відкривають шлях до системного вирішення проблеми управління кисневим режимом каскадних водосховищ, де існують можливості штучного регулювання водного режиму попусками ГЕС.

Публікації за темою дисертації

Тимченко В.М., Петренко Л.В., Тимченко О.В. Методика расчета и прогноза размеров полыней в нижних бьефах Киевской и Каневской ГЭС // Наук. праці УкрНДГМІ. – Вип. 247. – К.: Ніка-Центр, 1999. – С. 150–158 (Здобувачем проведено розрахунок терміну стабілізації ополонки, побудова емпіричних залежностей для розрахунку довжини ополонки).

Оксиюк О.П., Тимченко В.М., Якушин В.М., Линник П.М., Меленчук Г.В., Петренко Л.В., Тимченко О.В. Прогнозирование и пути улучшения кислородного режима Киевского водохранилища в зимний период. –Киев: Ин-т. гидробиологии НАНУ, 2000. – 44 с. (Здобувачем проведено оцінку гідрологічних умов і гідрофізичних процесів формування кисневого режиму).

Timchenko V.M., Timchenko O.V. Technology of struggle with fish suffocation in winter period for the Dnieper reservoirs // Ecohydrology and Hydrobiology. – 2001. – Vol. 1, № 3. – P. 373–375. (Побудова залежностей приросту кисню в озерній ділянці водосховища від короткочасних попусків ГЕС).

Пелешенко В.І., Тімченко О.В. Оцінка процесу формування кисневого режиму заток Дніпра в районі Києва // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. – Київ: Ніка-центр, 2001. – Том. 2, – С. 488-492. (Розробка балансової моделі формування кисневого режиму заток Дніпра, контрольні розрахунки).

Тимченко В.М., Петренко Л.В., Тимченко О.В. Регулирование содержания кислорода в воде Каневского водохранилища в зимний период // Гидробиол. журн., 2001. – Т. 37, № 6. – С. 89–94. (Розрахунки терміну стабілізації параметрів ополонки, уточнення методу розрахунку коефіцієнта атмосферної аерації, побудова розрахункових номограм, написання статті).

Плазий Е. П., Тимченко О. В. Трансформация попусковых волн ГЭС как фактор функционирования экосистем речных участков Днепровских водохранилищ // Наук. записки Тернопільського педуніверситету. Серія: Біологія. Спец. випуск “гідро екологія”. – 2001. – №4 (15). – С. 214–215. (Натурні дослідження та побудова залежностей амплітуди коливання рівня води від морфометричних характеристик річкової ділянки каскадного водосховища).

Оксиюк О. П., Тимченко В. М., Давыдов О. А., Дьяченко Т.Н., Якушин В.М., Зеленчук Г.В., Тимченко О.В. Экологические попуски Киевской ГЭС. – Киев: ЛОГОС, 2003. – 72 с. (Загальна характеристика та оцінка особливостей водного режиму річкової ділянки Канівського водосховища).

Тимченко В.М., Оксиюк О.П., Тимченко О.В. Возможность регулирования кислородного режима днепровских водохранилищ в зимний период попусками ГЭС // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. – Київ: Ніка-центр, 2003. – Том 5. – С. 195–205 (Оцінка впливу водного режиму на вміст кисню у воді річкових і озерних ділянок дніпровських водосховищ, експедиційні дослідження, збір та обробка матеріалів, аналіз результатів розрахунків).

Тімченко О.В. Вплив зимових екологічних підйомів рівня води на кисневий режим "затишних зон" Кременчуцького водосховища // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. – Київ: Ніка-центр, 2003. – Том 5. – С. 303–307.

Линник П.М., Тімченко О.В. Кисневий режим Канівського водосховища і