анализ и оценка продуктивности экосистемы

УДК556.18:681.5
АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПРОДУКТИВНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА (ВХК) КОВДИНСКОГО КАСКАДА
ВОДОХРАНИЛИЩ ГЭС
А.В. Мурашов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Общая постановка задачи. Отличительная черта современного подхода к решению
задачи рационального использования водных ресурсов водохранилища - необходимость
учета, с одной стороны, влияния природной среды на характер и масштабы
использования водных ресурсов, а с другой - требования ограничения возрастающего
воздействия антропогенных факторов на экологическую среду.
Многие процессы функционирования водохранилищ, особенно экологические, мало
изучены. Далеки от полноты и знания о таких процессах, как распространение и
трансформация загрязняющих веществ в водном пространстве, динамика продуктивности
водоемов от их определяющих природно-хозяйственных факторов, и наконец влияние
всего комплекса факторов, включая режимные параметры, на динамику экосистемы
водохранилищ.
Управление функционированием системы каскада водохранилищ - одна из самых
сложных задач. Особенность управления заключается в необходимости учета
многообразных социальных, экологических и экономических эффектов от использования,
охраны и воспроизводства водных ресурсов системы водохранилищ.
Таким образом, является своевременным усовершенствование методики создания
оптимальных режимов работы каскада водохранилищ, учитывающих интересы не только
экономики и населения, но в равной степени интересы природных комплексов,
расположенных в верхних и нижних бьефах водохранилищ, и, прежде всего, водных
экосистем, и повышение их продуктивности.
Система ВХК включает в себя три подсистемы: экологическую, техническую и
социально-экономическую. Каждая из них наряду со своими отличительными
особенностями имеет и общие черты, которые необходимо учитывать при формализации
рассмат-риваемой задачи, а именно [2]:
каждая подсистема представляет собой структурно-организационную целостную
совокупность более простых частей;
в рамках системы «водосбор – река – замыкающий водоем» все подсистемы
взаимосвязаны и организуют иерархичность. Следовательно, каждая подсистема может
быть представлена в виде совокупности более простых взаимосвязанных компонентов. В
свою очередь, каждая подсистема входит в другую, более крупную систему старшего
ранга;
все подсистемы являются динамическими и развивающимися, так как процессы их
функционирования протекают во времени;
возмущения в подсистемах не известны. Может быть известен лишь диапазон их
изменения или в лучшем случае на основе наблюдений могут быть установлены
вероятностные закономерности, которым они подчиняются;
для каждой подсистемы и системы в целом управляющие воздействия могут
выбираться из некоторого множества допустимых вариантов. При этом основной задачей
считается указание способа выбора управлений, обеспечивающих выполнение заранее
заданного критерия или системы критериев;
каждая подсистема может быть формализована с заданием взаимосвязи между
внешними воздействиями, именуемыми «входами», и характеристиками внутреннего
состояния подсистемы - «выходами».
Соответственно, ВХК водохранилища при моделировании процесса его
функционирования рассматривается как гидролого-водохозяйственная, так и экологоэкономическая система. Для решения задач функционирования наиболее подходящим
математическим аппаратом является имитационное моделирование.
Математическая постановка задачи. Оптимальное функционирование ВХК
водохранилищ с учетом динамики их экосистем является довольно сложной задачей,
трудно решаемой в рамках одной модели. Декомпозиция задачи позволяет выделить
наиболее существенные процессы и наиболее важные связи между ними в зависимости от
характерных особенностей рассматриваемой области пространства и времени, а также
значительно уменьшить трудности решения и реализации на ПЭВМ задачи управления.
Эту задачу можно разбить на два этапа. На первом этапе определяются в основном
стратегические параметры – параметры экономических, водохозяйственных и
водоохранных мероприятий. На втором этапе исследуются режимы функционирования
каскада водохранилищ с ГЭС, включая режимы работы водоохранных комплексов с
учетом требований основных участников ВХК и природной среды.
Ввиду многокомпонентности задачи функционирования ВХК водохранилищ, для
изучения данной системы наиболее подходит
метод машинной имитации с
использованием блочной структуры. Имитационную модель функционирования ВХК
водохранилища можно представить в виде блочно-структурной схемы (см. рисунок).
Как видно из схемы, система состоит из четерых взаимосвязанных блоков, каждый
из которых описывает либо конкретные процессы или явления, происходящие в водоеме
(блоки гидродинамики и биологической продуктивности), либо процессы планирования,
управления и принятия решений (блоки водоохранных мероприятий и управления).
В противоположность реке в водохранилище наблюдается неоднородность в
содержании всех ингредиентов по продольной оси водоема, акватории и глубине.
Существуют отличия в гидрохимическом режиме в разные по водности годы,
разнообразны и природно-хозяйственные условия в пределах территории ВХК. Поэтому
для описания динамики системы рассматриваемый объект разделяется на отдельные,
относительно обособленные участки (сегменты, или камеры) [2], однородные по
гидродинамическим и морфологическим свойствам, а также по природно-хозяйственным
условиям. Учитывая относительную однородность каждого из выделенных сегментов,
для них можно использовать точечные модели. При этом предполагается, что каждый
сегмент имеет формализованную схему.
Оптимизация
водоохранных
мероприятий
Блок гидродинамики
Блок управления
Водный
баланс
Перенос
вещества
Блок биологической
продуктивности водохранилища
зоопланкт
он
зообентос
рыба
Схема имитационной модели
В качестве средства управления водными ресурсами водохранилища используются
режимы работы непосредственно водохранилища; водоохранные комплексы,
включающие в себя накопители, очистные сооружения, опреснители и др.; различные
восстановительные мероприятия, применяемые в пределах водохранилища с целью
улучшения показателей качества воды и сохранения экологического равновесия в нем.
Методика анализа и оценки продуктивности Ковдинского каскада ГЭС. Был
проведен анализ уровней, сработок и наполнений водохранилищ каскада Ковдинских
ГЭС за период с 1979 по 2003 гг. с учетом внутригодового распределения. В ходе
определения режима работы выполнялся расчет осушенных площадей на основе кривых
зависимостей площадей зеркала водохранилищ от горизонтов воды, приведенных в
«Основных положениях правил…» [3].
Годовая сработка уровня водохранилища принималась как разница между
максимальным уровнем прошлого года и минимальным уровнем текущего
водохозяйственного года. Величина сработки уровня воды в период инкубации икры
сиговых (осенненерестующий вид) принималась как разница между уровнем воды на
начало ноября предшествующего года и минимальным уровнем воды, как правило, в
апреле-мае текущего года.
Сработка уровня воды водохранилищ, как правило, приводит к частичному
сокращению площади нерестилищ промысловых рыб и возможной гибели икры гольцов
и сигов в зимне-весенний период. При осушении наиболее продуктивных по кормовой
базе прибрежных мелководных участков может уменьшаться количество донных
кормовых животных, что приводит к снижению кормовой базы и, тем самым, к
снижению рыбопродуктивности за счет ухудшения условий питания и потери части
популяций рыб, прежде всего, типичных рыб-бентофагов – сигов и рыб со смешанным
типом питания – окуня, гольца, а также язя, ерша, гольяна и молоди хищных рыб – щуки,
налима. По имеющимся данным (за период 1959-1985 гг.), естественная кормовая база
находилась на уровне, характерном для олиготрофных водоемов.
По своим природным особенностям и ихтиофауне в 1962 г. водохранилища были
отнесены к перспективному типу сигово-ряпушковых водоемов с наличием ценных
лососевых рыб - кумжи и палии (гольца) [1]. Наибольшее промысловое значение в
водохранилищах Ковдинского каскада ГЭС имеют сиговые – озерный, озерно-береговой,
озерно-речной сиги.
Для простоты расчета, учитывая тот факт, что соотношение обитающих в водном
объекте форм сигов в общих уловах за последние годы существенно не менялось, расчет
ущербов рыбопродуктивности был проведен по сигу как по единому виду. Благодаря
высокой пластичности они образуют множество форм, что позволяет более полно
использовать кормовые организмы различных ниш. По характеру питания сиги являются
бентофагами.
У сига данных водохранилищ нерест начинается в октябре и продолжается до
середины декабря, пик наблюдается в середине октября. Нерестится сиг при температуре
воды от 5,0 до 1,5°С, на глубинах от 1,5 до 30 м на песчаных и песчано-каменистых
отмелях, вблизи островов и в приустьевых участках рек или на глубинах, в зависимости
от того к какой экологической форме принадлежит популяция. Выклев личинок озерного
сига происходит в середине-конце апреля. На выживаемость икры негативное влияние
может оказывать зимняя сработка воды и падение уровня водохранилища к весне. В
результате невозможности подсчета потери рыбопродуктивности из-за гибели икры
расчет потенциальной годовой продукции сообщества рыб проводился по уровню
развития кормовых организмов.
Таким образом, проведенные расчеты показали, что потенциальная годовая
продукция ихтиоценоза для Кумского водохранилища составляет 0,84 г/м2/год или 8,4
кг/га, для Княжегубского и Иовского - 1,092 г/м2/год или 10,9 кг/га.
Допустимое изъятие рыбопродукции, учитывая естественную смертность и
колебания массы промысловых рыб, в среднем составляет от 40 до 60% от потенциальной
годовой, то есть от 3,4 до 5,0 кг/га, в среднем составляя 4,2 кг/га для Кумского, для
Княжегубского и Иовского водохранилищ – от 4,4 до 6,5 кг/га, составляя в среднем 5,5
кг/га. Кумское водохранилище, в отличие от Княжегубского и Иовского, более
глубоководный водный объект, поэтому литоральная зона в нем значительно меньше. Это
основная причина более высоких показателей естественной кормовой базы в
Княжегубском и Иовском водохранилищах, несмотря на то что расположены они почти
на 100 км севернее.
Оценка влияния зарегулирования стока на состояние ихтиофауны и
рыбопродуктивность. В результате зарегулирования стока реки Ковды и образования
Кумского, Иовского и Княжегубского водохранилищ оказались уничтоженными
некоторые нерестилища кумжи, хариуса и частично озерно-речного сига, произошли
существенные изменения в водном режиме, оказавшем влияние на жизненный цикл
гидробионтов и, в первую очередь, на рыб. Резкие сработки уровня воды, в силу
специфики биологии рыб, могут оказывать негативное влияние на их популяции в
течение всего года. Как видно из приведенных выше данных по водохранилищам, нерест
рыб, инкубация икры и выклев личинок происходят практически в течение всех сезонов
(летнего, осеннего, зимнего и весеннего). В осенний период нерестится кумжа, голец,
сиги, ряпушка, зимой – налим, весной и в начале лета - хариус, корюшка, щука, окунь,
плотва ерш, язь, лещ. В конце марта - начале апреля начинается выклев личинок гольца и
сиговых рыб. Как правило, основные нерестовые участки для большинства видов
расположены на глубине от 50 см до 3-4 м. Резкие перепады уровня воды приводят к
осушению нерестовых участков. Самым нежелательным последствием зимней сработки
уровня водохранилищ являются осушение нерестилищ осенненерестующих (лососевые,
сиговые) и зимненерестующих (налим) рыб и гибель отложенной икры, а также
бентосных организмов, располагающихся на глубинах в пределах призмы сработки. В
этом случае через некоторое время указанные виды рыб снизят свою численность.
В наименьшей степени от перепадов уровня страдает кумжа, поднимающаяся на
нерест в реки.
Как показало исследование эксплуатации гидроузлов Ковдинского каскада,
существующие «Основные положения правил…» [3], явно устарели. При их составлении
фактически не были учтены экологические требования размножения рыб, прежде всего,
осенненерестующих, и условия их обитания, принятые с большим запасом отметки
уровня мертвого объема Кумского и Княжегубского водохранилищ.
При сработке Кумского водохранилища
0,5…3,5 м потери промысловой
рыбопродуктивности для водохранилища в целом могут составить 41,9…129,5 т. При
сработке Иовского водохранилища 0,5…2,0 м потери промысловой рыбопродуктивности
в целом для водохранилища могут составить 5,2…35,6 т. При сработке Княжегубского
водохранилища 0,5…3,5 м потери промысловой рыбопродуктивности в целом для
водохранилища могут составить 9,4…91,9 т.
На основании прогнозируемой величины максимальных потерь промысловой
рыбопродуктивности водохранилищ, возникающих в результате сработки уровня воды,
выполнены расчеты стоимостного ущерба, наносимого рыбным запасам.
Ущерб, наносимый рыбным запасам водохранилищ, может быть компенсирован
только специальными рыбоводно-мелиоративными мероприятиями, восполняющими
потери естественной рыбопродукции водоемов за счет зарыбления молодью ценных
видов рыб, выращенной на рыбоводных предприятиях, или за счет мелиоративных работ,
повышающих продуктивность нерестово-выростных или нагульных угодий.
Выводы
1. Проведенный анализ со всей очевидностью свидетельствует о том, что
используемые в настоящее время правила управления каскадом Ковдинских ГЭС дает
приемущество гидроэнергетике и при этом сильно ущемляет рыбопродуктивность.
2. Подготовлены данные для получения эмпирических или полуэмпирических
уравнений, связывающих фактическую продуктивность с режимными параметрами
водохранилищ. Такие многофакторные уравнения будут использоваться при
моделировании режима работы Ковдинского каскада ГЭС.
3. Необходимо разработать имитационную модель функционирования Ковдинского
каскада ГЭС, которые будут включать наряду с гидролого-гидродинамическим блоком
эколого-экономический блок.
Библиографический список
1. Выборочные рыбохозяйственные исследования ГосНИОРХ, 1962.
2. Исмайылов Г.Х., Велиев Ф.И., Воинова Е.В. Об одном подходе к созданию
имитационной
модели
функционирования
водохозяйственного
комплекса
водохранилища с учетом состояния экосистемы. //Вод. Ресурсы. 1993. № 3. С. 360–
369.
3. Основные положения правил использования водных ресурсов Ковдинского каскада
водохранилищ (Кумского, Иовского, Княжегубского) и озер Толванд и Таванд. М.,
1968.