Громадные природные ресурсы наиболее перспективного региона Республики Саха (Якутия) – Южной Якутии и его экспортный потенциал обеспечивают реализацию энергетической стратегии на Северо-Востоке России. Складывающаяся в настоящее время политико-экономическая обстановка в стране предопределяет, наряду с дальнейшей разработкой угольных месторождений, поиск других источников энергии. Наиболее перспективным является «использование гидропотенциала рек Южной Якутии для выработки электроэнергии со строительством Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса, в частности Канкунской ГЭС (1300 МВт) и Нижне-Тимптонской ГЭС (800 МВт) на р. Тимптон» [1, с. 184]. Реализация такого крупного энергопроекта в труднодоступном малоосвоенном регионе со специфическими природными условиями неизбежно приведет к обострению экологических проблем в связи со значительным влиянием на всю экосистему территории строительства.
При возникновении водохранилищ как нового географического объекта, экосистемы, сформировавшиеся ранее, преображаются, что нарушает многие сложившиеся внутренние связи. Процесс становления экосистемы начинается с перекрытия реки плотиной и заполнения чаши водоема, когда формируются ее новые элементы. Из биотических элементов в наличии оказываются лишь разрозненные фрагменты речной экосистемы. Особенно существенное значение в экологическом отношении в этот период имеет резкое ослабление биотических взаимоотношений между организмами, которые ранее были связаны в единой трофической цепи. Одним из наиболее значимых последствий переформирования природной среды ожидается изменение качественного (гидрохимического и гидробиологического) состояния воды водохранилища. Особенно экологически значимым представляется вопрос, возникающий при проектировании крупных сибирских водохранилищ – затопление большого количества древесной и иной растительности ложа, очистка которого крайне затруднена технически, что значительно удорожает строительство в условиях Севера.
Целью работы является прогноз гидрохимического и гидробиологического состояний воды водохранилищ в случае зарегулировании стока р. Тимптон каскадом ГЭС как важное звено разработки комплексных природоохранных мероприятий по предотвращению нарушения сложившихся экосистем.
Материалы и методы исследования
В натурных условиях проведено исследование современного гидрохимического и гидробиологического (водорослей фитоперифитона, фитопланктона) состояний воды рек бассейна Тимптона. Отбор проб воды на гидрохимический анализ, их хранение, транспортировка и лабораторный анализ были осуществлены по общепринятым рекомендациям [2]. Прогноз гидрохимического состояния воды водохранилища Канкунской ГЭС выполнен по методике прогнозирования гидрохимического состава воды водохранилищ ГЭС [3] с учетом методики [4], подтверждающей возможность ее применения для водохранилищ Севера. Также был использован метод географической аналогии.
Сбор и обработка проб водорослей перифитона выполнялись общепринятыми гидробиологическими методами [5]. Видовая принадлежность водорослей фитоперифитона и фитопланктона была определена путем применения отечественных определителей [6] с уточнением их в международной системе Algae Base [7].
Результаты исследования и их обсуждение
Река Тимптон – крупный правый приток р. Алдан, исток расположен на северных склонах Станового хребта и характеризуется врезанным порожистым руслом и выходами скальных горных пород [8]. Согласно проектным данным, створ Канкунской ГЭС будет расположен в точке слияния р. Хатыми и Нельгюу, полный объем водохранилища составит 19,576 км3, площадь затопления – 241 км2.
По характеру гидрологического режима река относится к водоемам смешанного типа питания с формированием годовых максимумов в период половодья, равно как при прохождении летних дождевых паводков. При этом весенний подъем уровней воды начинается в конце апреля или в первых числах мая. Максимальные уровни половодья в среднем отмечаются в конце мая при очищении реки ото льда.
Для р. Тимптон характерна крайняя неравномерность внутригодового распределения стока: в весеннее и летнее время формируется основная часть годового стока и лишь его незначительная часть выпадает на осенний и зимний периоды.
Прогноз гидрохимического состояния Канкунского водохранилища
При создании первого в Якутии водохранилища Вилюйской ГЭС было затоплено большое количество лиственницы с высокой средней плотностью, что привело к замедлению процесса распада и ухудшению гидрохимического состояния воды [4].
В Якутии преобладающей хвойной породой является лиственница Каяндера, которая характеризуется наличием труднорастворимых дубильных веществ, смол и терпенов. При недостаточном проведении подготовительных работ по лесосводке и лесоочистке и затоплении ложа водохранилищ существует вероятность замедления процессов вымывания, биохимического превращения и самоочищения воды от продуктов органического загрязнения, чему будут способствовать низкие температуры воды в течение продолжительного времени [9].
Расчет прогнозируемых концентраций органических и биогенных веществ для первых лет существования Канкунского водохранилища выполнен по формуле водно-солевого баланса с эмпирическими коэффициентами, полученными экспериментальным путем, которые характеризуют поступление органических и биогенных веществ из разлагающейся древесной растительности и почв. Выраженные в килограммах, они соответствуют количеству ингредиента, образующегося при разложении 1 т растительной массы и количеству ингредиента, переходящему в толщу воды из 1 кг залитой почвы [10]. Было определено содержание в воде будущего водохранилища величин бихроматной и перманганатной окисляемости, минеральных форм азота и фосфатов.
При расчетах использованы материалы натурных полевых работ по изучению современного гидрохимического состояния воды р. Тимптон и его притоков [10]. Для нахождения биомассы затопленной древесной растительности в абсолютно-сухом весе использованы материалы работы [11], а также гидрологические и гидроморфометрические данные и площадные параметры лесов и почв ложа, полученные из проектных материалов.
Ввиду отсутствия антропогенных сбросов, а также данных по экстракции органического вещества из луговой растительности и фитопланктона, для расчетов были выбраны следующие источники их поступления: речная вода, древесная растительность, лесная, луговая и болотная почвы.
В результате прогноза содержания органических и биогенных веществ в воде Канкунского водохранилища определен долевой вклад (в %) выбранных источников в общее количество органических веществ и биогенных элементов [10]. Рассчитано, что наиболее значимым источником экстракции органического вещества в воду водохранилища явится речной сток в связи с большим объемом воды и, соответственно, большим объемом органических веществ. С затопленной древесной растительностью поступит существенно меньшее количество органических и биогенных веществ, а с затопленными почвами – еще меньше. В целом произойдет их увеличение по сравнению с фоновым содержанием, что будет характерно для первых лет существования водохранилища.
В годы формирования водохранилища вследствие выраженного процесса вымывания органического вещества из затопленных растительности, почв и пород возможна напряженность газового режима – уменьшение количества кислорода и избыток двуокиси углерода. В связи с этим рассчитано возможное количество кислорода, необходимого для минерализации органических веществ из затопленных древесной растительности и почв, для чего были использованы экспериментальные данные о количестве кислорода, идущего на окисление единицы массы растительного материала и поглощенного при контакте с различными почвами [12]. Рассчитано, что при этом будет потреблено 7,64 тыс. т растворенного кислорода, причем его основным потребителем явится древесная растительность. Общее содержание кислорода в воде водохранилища при его среднем содержании 9,9 мг/л составит 193,8 тыс. т. Прогнозируемая средняя концентрация кислорода в водохранилище составит 9,5 мг/л, что означает уменьшение запасов растворенного кислорода на минерализацию растительных остатков на 4 %. Затопленная высшая водная и луговая растительности, фитопланктон не принимались в расчет из-за отсутствия данных по их биомассе, хотя известно, что именно они потребляют при минерализации значительное количество кислорода [10].
При разложении органического вещества в воду поступают летучие фенолы с предельно допустимой концентрацией 0,001 мг/дм3, которые оказывают токсичное воздействие на гидробионты и сокращают продуктивность ихтиофауны [13]. На основании экспериментальных данных, проведенных на Вилюйском водохранилище [4], рассчитана прогнозируемая концентрация летучих фенолов в воде Канкунского водохранилища, поступающих из остатков затонувшей лиственницы и с речным стоком. Определено, что суммарная концентрация фенолов в воде составит 0,003 мг/л [12]. По аналогии с Вилюйским водохранилищем, в котором содержание летучих фенолов, превышающее нормируемое в 5–6 раз, наблюдается в течение длительного времени [4], прогнозируется возможность превышения содержания летучих фенолов в воде Канкунского водохранилища также на протяжении десятков лет.
Современное гидробиологическое состояние р. Тимптон и его прогноз
Изучение современного состояния водных экосистем, представленных различными группами водорослей фитопланктона и фитоперифитона, расположенных в зоне возможного промышленного освоения, является необходимым звеном гидробиологических мониторинговых исследований. Их характерной особенностью является видовое постоянство и относительная устойчивость в природных условиях, что позволяет фиксировать любые изменения в речной среде благодаря высокой чувствительности этих гидробиологических объектов в условиях загрязнения.
Водоросли являются активными участниками функционирования водных экосистем при укороченном вегетационном периоде, продуцируют кислород и органическое вещество, создают благоприятные условия для жизнедеятельности гидробионтов (зоопланктона, рыб и др.), а также являются индикаторами состояния водоемов [14]. Поэтому изучение состава, жизнедеятельности водорослей бассейнов рек позволяет выявить закономерности распределения водорослей в водоемах в экстремальных условиях Севера и для разработки мероприятий, связанных с сохранением рыбных запасов региона.
В июне, июле, августе 2007 и 2011 гг. были проведены работы по изучению водорослей фитоперифитона и фитопланктона бассейна р. Тимптон. Исследованные водоемы расположены как на левом, так и на правом берегах бассейна р. Тимптон и имеют различия по своим морфометрическим характеристикам, световым, температурным, гидрохимическим и гидродинамическим режимам, характеру субстратов, по степени антропогенного влияния и другим факторам среды.
Перифитон водных объектов бассейна р. Тимптон до сих пор остается слабоизученным. В настоящее время в составе фитопланктона бассейна р. Тимптон насчитывается 263 вида водорослей (278 видов и внутривидовых таксонов) из 113 родов и 8 отделов и фитоперифитона 250 видов и внутривидовых таксонов водорослей, состоящих из 129 родов и 8 отделов: Bacillariophyta – 116 видов и внутривидовых таксонов, Charophyta – 48, Cyanobacteria – 39, Ochrophyta – 20, Chlorophyta – 17, Euglenozoa – 5, Miozoa – 3, Rhodophyta – 1 [15]. Среди них найдено 12 новых видов для альгофлоры водоемов Якутии и 92 вида для бассейна р. Алдан. Из Bacillariophyta наиболее богато таксонами представлены роды: Eunotia (12 видов), Gomphonema (10), Cymbella (9), Navicula, Nitzschia, Pinnularia (по 4 вида). По 3 таксона выявлено в родах Achnanthidium, Aulacoseira, Caloneis, Cocconeis, Epithemia, Fragilaria, Fragilariforma, Neidium. Из отдела Charophyta отмечены следующие роды: Cosmarium (11 видов), Closterium (9), Staurastrum (4); из отдела Ochrophyta: Tribonema (5 видов), Characiopsis, Dinobryon и Ophiocytium (по 3); из Cyanobacteria: Phormidium (5 видов), Nostoc (4) Merismopedia (3), Eglenozoa: Trachelomonas (4 вида). В систематическом списке таксонов у 20 родов выявлено по два вида, 86 родов являются моновидовыми.
Исследования перифитона позволяют сделать прогноз о поэтапном влиянии каскада ГЭС на водные экосистемы р. Тимптон. Так, на начальном этапе становления экосистемы каскада ГЭС произойдет коренная перестройка видового состава водорослей, благополучно обитавших в реке и в результате внезапно оказавшихся в новых условиях. Изменения абиотической среды приведут к исчезновению многих видов, в результате на этом этапе становления водохранилищной биоты будет наблюдаться существенное обеднение видового состава перифитона по сравнению с исходной речной биотой.
На втором этапе становления экосистемы каскада ГЭС продолжатся изменения видового состава, доминирующих видов, величин численности, биомассы и продукции перифитона. По мере старения водохранилища будет формироваться перифитон «стоячих» водоемов с преобладанием зеленых, диатомовых и синезеленых водорослей.
Третий этап становления экосистемы в каскаде ГЭС будет зависеть от особенностей режима эксплуатации, которое имеет большое практическое значение и должно учитываться, прежде всего, при организации работ по эксплуатации биологических ресурсов водохранилища.
Заключение
Таким образом, в результате прогнозирования гидрохимического состояния воды Канкунского водохранилища можно сделать следующие выводы:
− показано, что при варианте зарегулирования стока р. Тимптон и сооружения водохранилища, а также отсутствия или недостаточного проведения подготовительных мероприятий по подготовке ложа, гидрохимическое состояние воды водохранилища претерпит изменения;
− создание водохранилища приведет к возрастанию содержания органических веществ по сравнению с фоном; летучих фенолов, превышающих допустимые концентрации, и уменьшению количества растворенного кислорода;
− прогнозируется по аналогии с Вилюйским водохранилищем, что процессы восстановления гидрохимического качества воды Канкунского водохранилища могут растянуться на более продолжительное время по сравнению с центральными и южными регионами в связи с более суровыми климатическими условиями, распространением в области криолитозоны и затоплением преимущественно трудно разлагаемых хвойных пород в ложе водохранилища.
Прогнозируется, что при строительстве каскада ГЭС на р. Тимптон в составе Канкунской и Нижне-Тимптонской ГЭС произойдут изменения в скорости течения, температурном и паводковом режимах, что повлечет за собой изменение видового состава водорослей фитопланктона, фитоперифитона и динамики их сезонного развития, что отрицательно скажется на режиме питания зоопланктона, зообентоса и рыбы. Роль Bacillatiophyta водорослей будет уменьшаться от 46,4 % до 29,0 %, а Charophyta и Cyanobacteria – возрастать до 53,0 % и 42,0 % соответственно. Доля остальных пяти отделов уменьшится до 20 %, что отразится в количественном отношении численности и биомассы клеток и, как следствие, на процессах естественного самоочищения реки.
Уточнение негативных экологических последствий на качественное состояние воды будущих водохранилищ, обусловленных зарегулированием стока р. Тимптон, и разработка природоохранных мероприятий по их минимизации или предотвращению возможны только после принятия решения о проектировании, определения мест размещения створов ГЭС и технологии подготовки ложа создаваемых водохранилищ.
Бюджетная тема (FWRS-2021-0014 AAAA-A21-121032200058-0) «Системные исследования предстоящего развития интеллектуальных энергетических систем во взаимосвязи с окружающей средой северо-восточных регионов РФ (на примере Республики Саха (Якутия))».
Бюджетная тема (0297-2021-0023) «Растительный покров криолитозоны таежной Якутии: биоразнообразие, средообразующие функции, охрана и рациональное использование», рег. номер АААА-А21-121012190038-0.
Библиографическая ссылка
Николаева Н.А., Копырина Л.И. ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ РЕКИ ТИМПТОН ПРИ ВОЗМОЖНОМ ЗАРЕГУЛИРОВАНИИ ЕЕ СТОКА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2022. – № 7. – С. 17-21;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13407 (дата обращения: 26.04.2024).