Гидрологическая безопасность и устойчивое развитие Якутского водохозяйственного узла

ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И -УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ЯКУТСКОГО ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО УЗЛА

Никита Иванович Тананаев,

кандидат географических наук, заведующий Игарской геокриологической лабораторией Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН

Якутия занимает первое место в мире по площади среди административных регионов, однако природно-климатические условия нашей северной республики обусловили крайне фрагментарную структуру ее хозяйственного освоения. Большое значение в этой структуре имеет участок долины р. Лены от Покров-ска до устья р. Алдан, с расположенными здесь населёнными пунктами, крупнейшим из которых является г. Якутск. Сформированный вокруг столицы республики административно-промышленный центр играет важную роль в развитии центральной части Якутии и региона в целом. Его положение в долине одной из крупнейших рек России определяет то заметное место, которое занимают водные ресурсы в обеспечении как развития территории, так и безопасности жизнедеятельности. Поэтому одним из основных элементов Якутского административно-промышленного центра является водохозяйственный комплекс, в состав которого входят система обеспечения водой

населения и промышленных потребителей, объекты защиты территории от неблагоприятного воздействия речных вод, а также инфраструктура речного транспорта.

Имущественный комплекс водного хозяйства Якутского административно-промышленного центра вместе с объектами водопользования и водопотребления формирует единый Якутский водохозяйственный узел. Он включает в себя природные и техногенные компоненты. К первым относятся водные объекты в естественном состоянии, ко вторым - зарегулированные или рукотворные водные объекты, а также инженерная инфраструктура водного хозяйства. Управление и контроль можно осуществлять только в отношении техногенных компонентов, в то время как состояние природных компонентов поддаётся лишь оценке, прогнозированию и управлению отдельными элементами и факторами.

Человек не может существовать без водных ресурсов, поэтому устойчивое развитие региона должно

На фото вверху - вид на водозабор и водосбросные сооружения г. Якутска возле выхода из затона Путейский

Пойма р. Лены - бывшее русло крайнего левого рукава системы городских проток

быть направлено на их эффективное и экологически ответственное использование, обеспечивающее гидрологическую безопасность региона. Задачей этой статьи является рассмотрение основных методических вопросов обеспечения гидрологической безопасности Якутского водохозяйственного узла и их связь с перспективами устойчивого развития столичного региона в целом.

Гидрологическая безопасность

Гидрологическая безопасность территории - многокомпонентное понятие. Ее основой является обеспечение всех водопользователей водой необходимого качества и в необходимом количестве, однако в широком смысле это понятие охватывает все аспекты взаимодействия человека и водных объектов. В нашем понимании гидрологическая безопасность определяется степенью минимизации рисков, возникающих при взаимодействии хозяйственных интересов общества с гидрологическими системами. Всё разнообразие таких рисков можно свести к двум группам, связанным с природными и техногенными компонентами водохозяйственного узла. Задача минимизации инфраструктурных рисков, связанных с техногенными компонентами, является в основном производственной. Для успешного решения нужно поддерживать в адекватном техническом состояним инфраструктуру водного хозяйства: водозаборов, станций водоподготовки и водоочистки, распределительных и водоотводящих сетей, а также объектов водного транспорта. Задача минимизации гидрологических рисков более сложна, поскольку связана с природными компонентами водохозяйственного узла, полностью управлять которыми общество пока не в состоянии. Для её решения необходимо понимание структуры этих рисков, с которыми напрямую связаны методы их управления.

Гидрологические риски

Основные гидрологические риски в пределах водохозяйственных узлов можно объединить в четыре группы:

1) природные риски, связанные с естественными изменениями водообеспеченности и другими гидрологическими характеристиками водных объектов, влияющими на водохозяйственную деятельность;

2) техногенные риски, связанные с изменением основных гидрологических характеристик водных объектов под влиянием хозяйственной деятельности;

3) риски освоения, связанные с вовлечением в хозяйственный оборот участков речных долин, временно либо постоянно находящихся под влиянием водных объектов в естественном состоянии;

4) институциональные риски, связанные с организационными недостатками водохозяйственной деятельности.

Понятие о гидрологическом риске с начального периода развития количественных водохозяйственных расчётов связано с величиной ущерба, абсолютного или удельного, приходящегося на единицу изменения некоторой гидрологической величины [1]. Поскольку изменчивость состояния водных объектов является вероятностным (случайным) процессом, то таким же свойством обладает и количественное выражение риска, которое можно определить условным уравнением: Риск = Ущерб х Вероятность.

В данной формуле под ущербом понимается сумма прямых и косвенных убытков, связанных с наступлением некоторого гидрологического события, включая затраты на ликвидацию его неблагоприятных последствий. За такие события обычно принимают наблюдение на заданном участке водного объекта неких характеристик, при которых нарушается гидрологическая безопасность территории водохозяйственного узла. Основной гидрологической характеристикой, которая определяет эффективную работу водохозяйственного узла, является расход реки, поэтому при определении убытков принято ориентироваться на неблагоприятные последствия прохождения через заданный створ некоторого расхода воды. Стохастический подход позволяет количественно оценивать не только эффективность работы водохозяйственного узла в меняющихся гидрологических условиях, но и связанные с такими изменениями риски, для чего в условную формулу и вводится величина вероятности. Рассмотренный подход применим в основном к тем видам рисков, для которых сумма ущерба напрямую зависит от величины расхода воды.

Природные риски определяются макро- и мезо-климатической динамикой, в частности, чередованием

маловодных и многоводных лет, межгодовои изменчивостью водности отдельных периодов года. Основной экономический эффект этого рода рисков связан с ограничениями водопотребления населением либо промышленными предприятиями в особо маловодные периоды года и зависит от глубины и продолжительности перебоя в водопотреблении. Ущерб часто выражается в удельных единицах - «приращении ущерба, соответствующего изменению на один кубометр объёма воды, доставленной потребителю» [1, с. 40]. Роль ограничений такого рода зависит от структуры промышленного комплекса, осуществляющего использование водных ресурсов. Ущерб в этом случае может быть вызван недостаточным или избыточным поступлением воды в заданный створ, с которым связаны ограничения водопотребления. Прогнозирование состояния водохозяйственных систем предполагает рассмотрение расхода воды как случайной величины, а его многолетней изменчивости - как одной из реализаций случайного процесса с некоторыми заданными параметрами функции распределения. Для описания последней в практике гидрологических расчётов чаще всего используется трёхпараметрическое гамма-распределение (Пирсона III типа), тремя основными параметрами которого являются норма стока (математическое ожидание), коэффициенты вариации и асимметрии [2].

Техногенные риски весьма разнородны, как разнородны и сами эффекты, вызываемые ими. Одни, такие как ухудшение качества воды под влиянием объектов промышленности, находят своё количественное отражение в индексах загрязнённости воды, установлении предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК) и ориентировочно - в безопасных уровнях их воздействия на водные объекты (ОБУВ) [3]. Регулирование стока рек гидротехническими сооружениями выражается в нарушении условий стационарности гидрологических рядов, в результате чего расчётные параметры водохозяйственных систем могут перестать соответствовать реально наблюдающимся условиям. Роль водохранилищ связана с заметным увеличением зимнего стока рек при уменьшении расхода и уровня воды в половодье и в летне-осенний период. Бассейн р. Лены является одним из наименее зарегулированных среди крупных рек мира, однако на водный ее режим в районе г. Якутска может оказывать влияние Мамаканская ГЭС, расположенная на р. Мама (приток р. Витим).

Риски освоения связаны с вовлечением в хозяйственный оборот территорий, на которые водный объект оказывает постоянное либо периодическое воздействие. К этой группе относятся риски, связанные с затоплением

территории в периоды максимального стока, а также размыв речных берегов и русловые процессы. Вероятностной оценке поддаётся только риск, обусловленный наводнениями, поскольку только он связан с величиной расхода и уровнем воды в реке напрямую. В области событий редкой повторяемости использование трёхпа-раметрического гамма-распределения может быть недостаточно эффективным. В связи с этим развиваются методы статистического оценивания параметров рядов максимальных уровней и расходов воды различными экстремальными статистиками, основанными на теоремах Фишера-Типпета-Гнеденко и Балкемы-де Хаана и Пикэндса, а также с использованием «модели засорения» Тьюки-Хубера [4, 5].

Вероятностная оценка рисков, связанных с русловой динамикой и размывом речных берегов, затруднительна, поскольку эти процессы не приурочены к определённым интервалам расходов воды. Сложно также прямыми количественными методами оценить связанные с ними ущербы. В этом случае целесообразно развивать методы качественного анализа рисков на базе подходов, хорошо себя показавших в управлении бизнес-процессами. Примером такого подхода является анализ рисков и мер их минимизации в системе координат «возможности-угрозы» (SWOT-анализ). Недостатком этих методов является их субъективность, зависимость результата от квалификации эксперта, проводящего анализ возможностей и угроз. Однако только в рамках этого подхода возможен адекватный учёт всего комплекса неблагоприятных факторов в совокупности с особенностями исследуемой территории.

Институциональные риски связаны не столько с режимом водных объектов, сколько с недостатками системы хозяйственного управления водными ресурсами в самом широком смысле этого термина. Это делает данные риски сложноформализуемыми, однако следует отметить, что связанный с ними ущерб в некоторых случаях может быть довольно велик. С одной стороны, к

Плотина Мамаканской ГЭС и общий вид нижнего бьефа

этой группе рисков относится недостаточная проработка административных регламентов, относящихся к сфере управления водным хозяйством, «размытие ответственности» в области принятия решений, касающихся управления рисками и их минимизацией, недостаточная эффективность обмена данными между ведомствами. С другой стороны, поскольку управление рисками невозможно без качественной гидрологической информации (включая прогнозы), к этой группе следует относить также вопросы репрезентативности и эффективности работы сетей гидрометеорологического мониторинга, точности региональных методов расчёта элементов водного баланса.

Гидрологическая безопасность Якутского водохозяйственного узла

Применяя рассмотренные теоретические положения к анализу столичного региона, следует заключить, что уровень гидрологической безопасности Якутского водохозяйственного узла определяется, в первую очередь, рисками освоения. Основной ущерб связан с затоплением пойменных поверхностей в период весеннего половодья, причём часто наводнения имеют заторный генезис. На участке р. Лены от г. Покровска до устья р. Алдана выделяются 10 участков, где практически ежегодно образуются ледовые заторы. Минимизация этих рисков связана с организацией объектов инженерной защиты, характеристики которых должны быть рассчитаны с учётом региональных особенностей водного режима. Важность регионального подхода связана в основном с тем, что городская территория представляет собой пойменную поверхность с малыми перепадами высот. В таких условиях даже небольшое приращение уровня воды в р. Лене может вызвать значительное по площади затопление пойменных территорий. Кроме того, для принятия управленческих решений необходим некоторый «запас по времени», обеспечить который может только развитие системы гидрометеорологического мониторинга и прогноза ледового режима р. Лены.

Размыв берегов ежегодно изменяет положение береговой черты р. Лены в среднем на 6,5 -8,5 м/год, однако его максимальные значения могут достигать 40 - 45 м в год [6]. Этот процесс может создавать прямую угрозу объектам, расположенным у береговой черты (строениям, дорогам, сенокосным угодьям, переходам трубопроводов). Ярким примером негативного воздействия этого фактора является участок берега р. Лены в районе пос. Нижний Бестях, где берегозащитные мероприятия были проведены еще в начале 90-х годов ХХ столетия.

В связи с выходом железной дороги к г. Якутску и необходимостью обеспечения безопасного развития перевалочного порта Нижний Бестях, в настоящее время обсуждается вопрос о реконструкции имеющихся здесь сооружений и строительстве новых.

Относительно небольшие скорости размыва берегов чаще всего позволяют своевременно принять превентивные меры, однако и в этом случае промедление в принятии управленческого решения может привести к печальным последствиям (жители пос. Зырянка например, знают об этом не понаслышке). Следовательно, и здесь основу обеспечения безопасности играет детальный мониторинг гидрологической ситуации полевыми методами либо на основе анализа данных дистанционного зондирования. Необходимо также учитывать, что поступление размываемого материала в речной поток в период половодья повышает его мутность (один из нормируемых показателей качества воды). Кроме того, размыв берегов - одно из проявлений более широкого круга процессов, связанных с развитием русел рек (русловых процессов).

Якутский водохозяйственный узел является наиболее изученным в регионе в отношении развития русловых процессов. Систематические исследования здесь проводят русловые партии Ленского бассейнового управления водных путей и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова [7].

Помимо размыва берегов, русловая динамика определяет судоходные условия, что принципиально важно для региона, в котором более половины всего грузооборота приходится на водный транспорт. Песчаное русло средней Лены подвержено деформациям, которые регулярно приводят к затруднениям при обеспечении гарантированных навигационных глубин. Поддержание необходимых глубин связано с серьёзными затратами,

Размываемый берег (уступ бестяхской террасы р. Лены) выше пос. Нижний Бестях. Справа - берегоукрепительное сооружение

Высокая пойма р. Лены в районе пос. Нижний Бестях с элементами навигационной обстановки

возрастающими при необходимости кардинального изменения судоходной трассы. Так, только в 2006 - 2007 годах при переносе судового хода на р. Лене в районе Хайтыалахского разветвления (на 1520 - 1495 км от устья) из левобережного в правобережный рукав, общий объём извлечённого грунта составил более 1 млн м3, а стоимость работ превысила 150 млн руб. Сопоставимая сумма непрямого ущерба экономической деятельности (около 120 млн руб. ежегодно) связана с удлинением трассы судового хода на участке Якутск - устье р. Алдана из-за стабилизирующего воздействия многолетне-мерзлых грунтов на формы руслового рельефа [8].

Следует также отметить неблагоприятное воздействие направленной аккумуляции наносов на работу русловых водозаборов, водоприёмные отверстия которых могут время от времени заноситься или отсекаться от основного потока песчаными косами (как это происходит сейчас с водозабором в г. Якутске) или полностью перекрываться крупными побочнями (водозабор в пос. Верхний Бестях). Управление рисками, связанными с развитием русловых процессов, можно успешно осуществлять на базе ретроспективного анализа батиметрических данных, сопряжённого с модельными расчётами для гидродинамически обоснованного прогноза русловой динамики.

Природные риски для Якутского водохозяйственного узла играют второстепенную роль, поскольку водность р. Лены во все фазы водного режима достаточна для удовлетворения потребностей водопользователей. Особенностью водопотребления Якутского водохозяйственного узла является его ориентация, прежде всего, на обеспечение нужд населения и обслуживающих его коммунальных систем. Конечному потребителю вода поставляется для питьевых нужд и в виде энергоносителя в системах отопления. Очевидно, что наибольшая

нагрузка на системы водоснабжения падает на период глубокой зимней межени. В это время отбор воды из р. Лены составляет около 0,2 - 0,3% её расхода (при объёме отбора 110 тыс. м3/сут. и минимальном зимнем расходе реки около 700 м3/сут.), вероятность ограничения водопотребления по объёму отбора незначительна. Естественные циклы водности р. Лены в районе г. Якутска в основном влияют на расходы воды весенне-летнего периода, тогда как лимитирующим сезоном по водообеспечению является зимняя межень, расходы реки в которую от года к году изменяются незначительно. Следовательно, лимитирующим фактором водо-обеспеченности г. Якутска является не водность реки, а производительность городского водозабора.

Эта ситуация должна улучшиться после строительства нового водозаборного сооружения.

Вопрос существенно усложняется при необходимости учёта качества воды. В наибольшей степени риск здесь связан с возвратом в водный источник промышленных и бытовых стоков, которые при недостаточной глубине очистки могут либо заметно ухудшить условия зимовки рыбного населения, либо привести к загрязнению воды, поступающей в систему водоснабжения г. Якутска и других населенных пунктов. Эти эффекты в связи с низкой степенью разбавления стоков в зимний период могут проявляться на значительном удалении от места точечного сброса стоков в реку, однако их влияние может быть успешно ограничено организацией эффективной системы водоочистки. В этом случае можно рассматривать в качестве ущерба удельное приращение затрат на водоподготовку в зависимости от величины расхода на водопотребление.

Риски водного транспорта связаны, в основном, с малыми расходами судоходных рек в навигационный период и, особенно, в летне-осеннюю межень. В качестве характеристики водообеспеченности в этом случае целесообразно использовать уровень воды. Ущерб возникает при его понижении ниже проектного уровня - условного горизонта, назначаемого по многолетним данным в зависимости от класса магистральности водного пути. В качестве проектного принимается уровень, при котором на лимитирующих перекатах наблюдаются глубины не меньше гарантированных. Ущерб в этом случае связан с простоем судов, вынужденным движением флота с недогрузом, возможными посадками на мель, привлечением экономически менее эффективного мелкосидящего флота. Кроме того, возникает необходимость дополнительного финансирования для производства дноуглубительных работ. Срыв графика движения судов, особенно в условиях короткой аркти-

Опорный гидрологический пост Табага

ческой навигации, ставит под угрозу выполнение планов завоза грузов. На участке р. Лены от г. Покровска до устья р. Алдана, входящем в зону Якутского административно-промышленного центра, расположено более 20 перекатных участков, практически каждый из которых в маловодные годы может стать лимитирующим.

В связи со слабой освоенностью бассейна р. Лены техногенные риски для Якутского водохозяйственного узла невелики. В бассейне отсутствуют крупные объекты гидростроительства, слабо развита промышленность. Основными источниками риска следует признать объекты сельского хозяйства, поскольку известно, что неконтролируемое складирование и размыв навозохранилищ и складов сельскохозяйственной химии способны наносить значительный урон качеству речных вод.

Наименее явно на территории Якутского водохозяйственного узла проявляются институциональные риски. Однако на этом основании нет никаких причин предполагать, что их влияние незначительно. В области систематизации управления водными ресурсами многое делается Якутским филиалом Росводресурсов (Ленское БВУ), а также в рамках Ленского бассейнового совета. Тем не менее, многие возникающие в этой области задачи пока не решены. Управление институциональными рисками должно, в первую очередь, осуществляться как раз теми институтами влас-

ти, которые в той или иной мере ответственны за реализацию государственной политики в области водных ресурсов и водного хозяйства. Государственные функции в области мониторинга и охраны водных ресурсов, управления водным хозяйством, возложены преимущественно на филиалы федеральных учреждений, однако для обеспечения гидрологической безопасности многого можно достичь и на региональном уровне. Добиваясь большей вовлечённости муниципальных и республиканских органов власти в решение вопросов управления водным хозяйством, безусловно, следует избегать создания дублирующих властных органов, больше ориентируясь на меры, направленные на принятие решений соответствующими федеральными органами.

В заключение следует подчеркнуть, что обеспечение гидрологической безопасности Якутского административно-промышленного центра - сложная проблема, поэтому в данной статье рассмотрены, в основном, её методические аспекты. При ее разрешении в более углубленном и расширенном варианте необходимо учитывать тесную взаимосвязь, характерную для всех элементов гидрологических систем, и ориентироваться на комплексный учёт последствий техногенного вмешательства в развитие данных систем.

н^л^нн^^ввц 1

Танкер с грузом заходит в Павловский перекат в районе пос. Нижний Бестях

Снижение степени гидрологических рисков - один из основных элементов решения рассматриваемой проблемы, требующих разработки соответствующих мероприятий. Необходимо развивать существующее понимание важности участия региональных и муниципальных структур в разработке таких мероприятий. Это участие не обязательно должно иметь административный, управленческий характер, но может касаться тех областей, в которых традиционно сильна региональная составляющая - в частности, сферы науки, образования, культуры и общественных организаций. В качестве примера таких мер можно назвать: поддержку ориентированных научных исследований в области гидрологической безопасности; развитие локальных систем мониторинга опасных гидрологических процессов, поддержку и развитие существующей сети Росгидромета; разработку актуальных региональных методик гидрометеорологических расчётов, учитывающих специфичность природных условий территории Якутии; разработку схем быстрого реагирования на опасные гидрологические процессы на основе сценарных и вероятностных моделей; повышение информированности населения в области использования и охраны водных ресурсов; разработку образовательных программ и проведение культурных мероприятий, воспитывающих уважительное отношение населения к водным объектам.

Список литературы

1. Крицкий, С. Н. Водохозяйственные расчёты / С. Н. Крицкий, М. Ф. Менкель. - Л. : Гидрометеоиздат, 1952. - 392 с.

2. Евстигнеев, В. М. Речной сток и гидрологические расчёты / В. М. Евстигнеев. - М. : Изд-во МГУ, 1990.

3. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения : приказ Росрыболовства № 20 от 18.01.2010 г. - М. : ВНИРО, 2010. - 153 с.

4. Губарева, Т. Оценка параметров распределений экстремальных гидрометеорологических величин методом L-моментов /Т. Губарева, Б. И. Гарцман // Водные ресурсы. - 2010. - Т. 34, № 4. - С. 398-407.

5. Кудров, А. В. Оценка функции распределения максимумов выборок стационарных последовательностей с псевдостационарным трендом / А. В. Куд-ров // Прикладная эконометрика. - 2008. - № 3 (11). -С. 64-86.

6. Тананаев, Н. И. Особенности термоэрозионного разрушения берегов среднего течения р. Лены (Центральная Якутия) / Н. И. Тананаев // Исследования в области наук о Земле : материалы Х Региональной научной молодёжной конференции. - Петропавловск-Камчатский : Изд-во ИВиС ДВО РАН, 2012. - С. 41-50.

7. Водные пути бассейна Лены. - М. : МИКИС, 1995. - 600 с.

8. Tananaev, N. I. Seasonal and long-term within-channel permafrost and its effect on northern river navigation / N. I. Tananaev // Cold Regions Engineering 2012 : sustainable Infrastructure Development in a Changing Cold Environment. - ASCE, 2012. - P. 275-280.

тътчфеит

В. В. Рогожин

БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ

Рогожин, В. В. Биохимия растений : учебник для студентов, обучающихся по специальности 110305 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» / В. В. Рогожин. - СПб. : ГИОРД, 2012. - 432 с.

В учебнике дано описание строения липидов, углеводов, аминокислот, белков, витаминов, ферментов, нуклеиновых кислот, фитогормонов и других биогенных соединений. Представлено их участие в формировании упорядоченных структур мембран клетки и органелл. Раскрыта роль основных метаболических процессов, протекающих в клетках растительного организма. Показана взаимосвязь в регуляции метаболических процессов. Рассмотрены процессы фотосинтеза и хемосинтеза. Впервые подробно описана система управления живых организмов.

Учебник предназначен для студентов сельскохозяйственных вузов, обучающихся по агрономическим специальностям, а также может быть использован студентами биологических специальностей высших учебных заведений.