Актуальность проблемы. Устойчивое развитие социально-экономических процессов в стране неотъемлемо взаимосвязано с использованием водных ресурсов в различных отраслях хозяйственной деятельности. Основным источником таких ресурсов в Российской Федерации является речной сток, который формируется в пространственных пределах басо сейновых геосистем и оценивается в 4050 км. Водохранилищные гидроузлы рассматриваются как один из наиболее важных и значимых инструментов управления водными ресурсами. В России в настоящее время эксплуатируется более 2650 водохранилищ, суммарная емкость которых составляет.
3 3 порядка 812 км, из которых полезная составляет около 342 км [35, 113]. Наличие водохранилищ в пространственных пределах бассейновых геосистем вносит определенные изменения в естественные процессы взаимодействия природных (биотических и абиотических) компонентов. Характер изменений и их направленность имеют важное значение, для окружающей природной среды и процессов жизнедеятельности населения в зоне действия водохранилищ.
Анализ опыта эксплуатации водохранилищных гидроузлов показывает, что за последний 50 — летний период фрагментация и трансформация рек мира плотинами приводит к повышению концентрации населения (суммарно около 80 млн. людей в различных частях света) в районах образования водохранилищ.
Оценка изменений, происходящих в окружающей природной среде, имеет важное научное и практическое значение. Одним из новых и перспективных подходов в оценке воздействия водохранилищ на окружающую природную среду и жизненно важных интересов человека является принцип анализа обмена энергией, который базируется на законах природы, принципах устойчивого функционирования природпо-технических систем. Такой подход в оценке воздействия водохранилищного гидроузла на окружающую природную среду более обоснованно в количественном и качественном виде отражает происходящие изменения, обуславливает системное понимание процессов функционирования природно-технических систем.
Природно-техническая система «Водохранилище — Окружающая природная среда» рассматривается как целостная, динамичная, открытая, устойчиво-неравновесная система, имеющая как внутренние, так и внешние связи в пространственных пределах бассейновой геосистемы водного объекта — реки.
Функционирование водохранилищ во взаимосвязи с окружающей природной средой обуславливает подчинение законам сохранения тенденции изменения и законам сохранения, которые относятся ко второму закону термодинамики (закон роста энтропии) и законам сохранения энергии и мощности. Следовательно, в процессах взаимодействия природных и техногенных компонентов системы «Водохранилище — Окружающая природная среда» объединяющим началом может рассматриваться закон сохранения мощности, который может быть использован в разработке энергоэнтропийного подхода оценки воздействия водохранилищ на окружающую природную среду. Уровень воздействия водохозяйственного объекта на окружающую природную среду обуславливает собой экологическую безопасность, что и определяет актуальность выполненных исследований.
Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002;2010 годы)» (Программа Российской Федерации от 19 февраля 2001 г. № 242-р) и тематического плана ФГОУ ВПО НГМА по выполнению межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2001;2005 гг.
Целыо диссертационной работы является: совершенствование методов оценки влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий на основе разработки элементов системного подхода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— выполнить анализ существующих методов оценки влияния водохра-нилищных гидроузлов на окружающую природную среду;
— обосновать рассмотрение функционирования бассейновых геосистем как открытых неравновесных систем, изучаемых на основе первого и второго начал термодинамики;
— разработать основы системного энерго-энтропийного подхода оценки влияния строительства водохранилищного гидроузла на прилегающую природную среду;
— разработать технологию имитационного моделирования для оптимизации параметров воздействия водохранилищного гидроузла на природную среду;
— оценить на стадии проектирования эколого-экономические параметры функционирования гидроузла на основе предлагаемого энергоэнтропийного подхода.
Научная новизна результатов проведенных исследований: установлены теоретические основы для возможности изучения влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий на основе первого и второго начал термодинамики;
— разработана методика определения энергетического состояния системы «Водохранилище — Окружающая природная среда», произведен расчет диапазонов изменения основных энергетических характеристик функционирования системы;
— усовершенствовано применение имитационного моделирования в оценке вариантов природопользования с учетом влияния водохранилища, путем применения при вводе данных матрицы исходных параметров;
— на основе энерго-энтропийного подхода проведен анализ эколого-экономического функционирования исследуемой системы на примере Юмагузинского гидроузла на р. Белой.
Достоверность научных результатов, полученных в работе основывается на применении к изучению системы «Водохранилище — Окружающая природная среда» фундаментальных физических законов, описывающих функционирование природных систем. Достоверность используемых разработанных математических моделей основывается на применении адекватной предъявляемым требованиям имитационной модели, и соответствии расчетных параметров реальным условиям исследуемого Юмагузинского гидроузла.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ее рамках получены результаты исследований, направленные на рассмотрение системы «Водохранилище — Окружающая природная среда» с изучением ее энергетического баланса для возможности оценки прогнозного состояния системы, что позволило усовершенствовать существующие методы оценки влияния водохранилищ на прилегающие территории.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на региональных конференциях и научных семинарах Новочеркасской государственной мелиоративной академии (г. Новочеркасск, 2000;2005 гг.) — Международной научно-практической конференции «Белые ночи» Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Санкт-Петербург, 2004 г.) — 2-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» Всероссийского научно исследовательского института систем орошения и сельхозводоснабжения «Радуга» (г. Коломна 2005).
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в проектную практику при разработке проектных решений и техникоэкономического обоснования строительства Юмагузинского гидроузла на р. Белой в республике Башкортостан (ООО ПКФ ПРОМИВХ г. Ростов-на-Дону). На основе энерго-энтропийного подхода автором рассчитан эколого-экономический эффект от строительства Юмагузинского гидроузла, по которому в течении 4−5 лет после окончания строительства будет получен экономический эффект выраженный 13 млрд. МВт.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей, из ! них 1 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка использованной литературы. Общий объем диссертационной работы 199 страниц машинописного текста, в том числе 32 рисунка, 17 таблиц и 4 приложения. Библиографический список использованной литературы включает 174 наименования, в том числе 24 работы зарубежных авторов.
Выводы.
1. Установлено, что в плане защиты от наводнений в среднем течении р. Белой проект Юмагузинского гидроузла рассмотренный в работе является наиболее эффективным среди альтернативных вариантов, экономические затраты на его возведение также ниже альтернативных.
2. В соответствие с фундаментальным энерго-энтропийпым подходом описано эволюционно-экономическое функционирование системы от критической экономической ситуации первого рода до функционирования, характеризуемого как устойчивое наравновесное экономическое развитие.
3. Рассчитанные в единицах мощности эколого-экоггомические парамет-)ы Юмагузинского гидроузла показали рассогласованность роста мощности ютерь и полезной мощности в пользу последней. По истечению времени г = 4,25 г после преодоления системой точки неустойчивого функционального колого-экономического равновесия будет наблюдаться рост возможности поучения совокупного эколого-экономического эффекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Анализ научно-технической литературы, посвященной решаемой проблеме показал, что деятельность, направленная на оценку воздействия на окружающую природную среду является как в России, так и за рубежом одним из основных элементов эколого-экономического обоснования проекта. При разработке, создании и реконструкции гидротехнических систем, включающих водохранилище, внимание главным образом уделяется анализу воздействия будущего или существующего водохранилища на окру' жающую среду. Для решения этого вопроса в нашей стране было создано несколько сильных научных школ, результаты работы которых получили широкое применение в практике гидротехнического строительства.
Автором установлено, что создание водохранилищ порождает различное отношение к ним со стороны специалистов, даже один отрицательный фактор природопользования способен повлиять на негативную оценку влияния водохранилища, в равной степени и наоборот. В соответствии с этим в работе принято, что совершенствованию методов оценки влияния водохранилищ па окружающую среду будет способствовать разработка системного подхода, направленного на учет значительного количества факторов в едином критерии оценки.
2. В исследованиях, выполненных в рамках диссертации, изучение системы «Водохранилище — Окружающая природная среда» ведется в пространственных пределах бассейновой геосистемы зарегулированного водного объекта. Поэтому был проведен анализ энергетического функционирования бассейновых геосистем, установивший обоснованность изучения рассматриваемых процессов природопользования на основе первого и второго начал термодинамики. Применение такого подхода позволило автору вести оценку влияния водохранилища на окружающую среду с изучением состояния всей системы «Водохранилище — Окружающая природная среда», определяемого формированием энергетического баланса.
В результате предложена методика оценки состояния исследуемой системы «Водохранилище — Окружающая природная среда», заключающаяся в изучении процессов формирования энергетического баланса системы с определением количественных характеристик энтропии.
3. Для использования предложенных критериев оценки автором применен к модели системы «Водохранилище — Окружающая природная среда» закон сохранения мощности, что позволило уточнить области функционирования системы, позволяющие с помощью расчета коэффициента полезного действия ?/0 как характеристики использования системой полной мощности и коэффициента ?, выражающего способность системы к функционированию и развитию отслеживать на графике возникновение тенденции развития либо деградации. Автором, на примере Юмагузинского гидроузла установлен диапазон возможных изменений характеристики использования системой полной мощности 0,852 <//0 <1, и коэффициента способности системы к функционированию и развитию 1,17>l. Возможность получения указанных количественных значений обусловлена, проведенными в рамках настоящей диссертации, экспериментальными и теоретическими исследованиями процессов фильтрации, накопления наносов, испарения с водной поверхности, усвоения солнечной радиации и так далее.
4. В рамках работы, с целью усовершенствования процесса оценки влияния водохранилищ на прилегающие территории, предложена реализация аналитической модели энергетического взаимодействия компонентов системы с помощью разработанной автором имитационной модели. В целях обеспечения возможности корректного ввода данных, и их возможной вариации, разработана матрица исходных параметров, заполнение которой предшествует проведению вычислительных операций.
5. На заключительном этапе выполнения работы автор применил энерго-энтропийный подход в эколого-экономическом обосновании строительства Юмагузинского гидроузла. В соответствии с чем, по результатам расчета значений ординат в единицах мощности, на одной координатной оси были построены кривые эволюционного функционирования системы, характеризующие мощность потерь и эколого-экономическую эффективность — полезную мощность. Указанный этап исследований дал возможность положительного прогноза эколого-экономического развития системы «Водохранилище — Окружающая природная среда», что на графике характеризуется рассогласованностью темпов роста мощностей потерь и эффективности в пользу последней.
