Экспресс-анализ экологических последствий разных сценариев освоения гидроэнергетического потенциала речного бассейна (на примере верхней части бассейна Амура)

Егидарев1 Е.Г., Мартынов2 А.С., Симонов3 Е.А.

  • 1 — Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, Амурский филиал Всемирного фонда дикой природы (WWF России)
  • 2 — Эколого-энергетическое рейтинговое агентство Интерфакс-ЭРА
  • 3 — Северо-восточный лесной университет (Харбин, КНР), Программа WWF по бассейну Амура

При планировании схем освоения водных ресурсов в крупных речных бассейнах, в т.ч. использования гидроэнергетического потенциала, стандартной практикой экологической оценки является характеристика конкретных местных экологических рисков, исходящих от отдельных водохранилищ. Подобный подход использован в работе по стратегическому анализу в Схеме освоения гидропотенциала Вьетнама, сделанной по заказу Азиатского Банка Развития (Ханой 2007), и во множестве аналогичных документов. Системная оценка экологических воздействий на весь бассейн разных комбинаций плотин и сопоставление таких «сценариев освоения» по интегральному их воздействию практически не применяется на практике.

Цель работы

Разработка механизма сравнительной интегральной оценки силы и пространственного распределения воздействия совокупности напорных гидротехнических сооружений в речном бассейне на экологические факторы, определяющие состояние водных и околоводных экосистем. Результаты оценки должны быть сравнимы как для отдельных плотин, так и для их разных наборов, как в рамках одного речного бассейна и его частей, так и между бассейнами.

Область и границы применения

Единообразная оценка экологических последствий разных комбинаций существующих гидроузлов и перспективных створов в крупных речных бассейнах позволит генерирующим компаниям, водохозяйственным и экологическим организациям, экспертному сообществу и местным властям сформулировать более обоснованные предложения по минимизации изменений и адекватным механизмам компенсации регионам и населению экологического ущерба:

  • при оптимизации размещения и эксплуатации ГЭС;
  • при составлении и корректировках стратегий регионального развития;
  • при разработке схем размещения объектов электроэнергетики и использования водных ресурсов;
  • при принятии решений о социально-экономической и экологической целесообразности реализации проектов конкретных плотин;
  • при формировании корпоративных и ведомственных планов, а также инвестиционных программ;
  • в рамках выполнения условий экологической политики финансовых институтов;
  • для создания экологических рейтингов и т.д.

Модель позволит дать объективную количественную оценку рисков негативных экологических воздействий, ассоциированных с разными сценариями освоения гидроэнергетического потенциала бассейнов. При этом единообразной оценке подлежат как воздействие на бассейн в целом, так и на отдельные его участки. Рассматриваемая модель также поможет уточнить более специфические вопросы и потребности в дальнейшей детализации отдельных факторов воздействия (например, при ОВОС проектов, схем и и т.п.). Прогнозирующее моделирование освоения гидропотенциала в бассейне позволит выбирать оптимальную схему, при которой основные факторы экологического воздействия на экосистемы территории минимизированы и сбалансированы с распределением получаемых выгод.

Алгоритм

Степень влияния плотины на экосистемы, состояние среды и на благополучие связанного с речными долинами населения в бассейне реки, в основном, коррелирует с тремя факторами:

  1. изменением гидрологического режима и состояния пойменно-русловых комплексов (далее по тексту – пойма) в нижних бьефах плотин;
  2. трансформацией водных экосистем выше плотин;
  3. фрагментацией речного бассейна (степенью блокирования плотиной потоков энергии, вещества, биогенных элементов и биологических объектов – видов и популяций).

Каждый из трёх факторов воздействия отдельной плотины характеризуется двумя показателями – площадным (в км2) и долей площади, затронутой соответствующим воздействием (в %). Таким образом, полный набор критериев оценки включает шесть показателей:

  1. Площадь (км2) пойменных экосистем ниже створа плотины измененных её воздействием на гидрорежим.
  2. Доля (%) измененных воздействием плотины пойменных экосистем ниже её створа.
  3. Площадь (км2) водохранилища (измененной водной экосистемы), созданного плотиной.
  4. Доля (%) водных экосистем в бассейне выше створа плотины представленных искусственными водоемами (водохранилищами).
  5. Площадь (км2) блокированной плотиной части речного бассейна.
  6. Доля (%) блокированной плотиной части речного бассейна.

Выбор факторов воздействия и критериев оценки их интенсивности хорошо согласуется с мировой и отечественной практикой. Именно параметры 1-2 и 5-6 используются во всемирных оценках антропогенных воздействий на речные бассейны (Nielssen et al, 2005, Vorosmarthy et al, 2010), а также в отечественных обзорах (Малик 1990; Методические указания, 2003). Параметры 3-4 наиболее общеупотребительны, часто используются для обобщенного представления всех воздействий в верхнем бьефе, а в российской научной литературе используются чаще любых других показателей воздействия ГЭС (Малик 1990).

Выбор модельного участка

В феврале 2010 года порталом Тематического сообщества по проблемам больших плотин «Белая книга. Плотины и развитие» был объявлен тендер на подготовку информационного массива, необходимого для оценки влияния плотин и водохранилищ ГЭС на изменение условий существования природных экосистем рек и речных долин по изложенному выше алгоритму.

К подаче предложений были приглашены организации и отдельные специалисты, которые располагают необходимой информацией или могут собрать её из доступных им справочников, публикаций, карт, космических снимков или ГИС-моделей речной сети и рельефа, и др. источников.

К установленному сроку завершения сбора конкурсных предложений поступило пять заявок, лучшей из которых по параметрам полноты необходимой информации и запрашиваемым ресурсам было предложение Егидарева Е.Г., в котором предлагалась подготовка всего комплекса необходимых данных по российскому участку бассейна реки Амур. Именно это предложение было реализовано.

В настоящей статье представлены полученные результаты.

Данные и их подготовка к анализу

Для проведения оценки весь бассейн разбивается на участки (отрезки и суббасейны), границами которых служат истоки и места слияния крупных притоков, а также существующие и потенциальные створы ГЭС. В качестве примера приведено деление на участки части бассейна реки Амур выше устья р. Сунгари, который использован в качестве модельного для апробации предлагаемого метода оценки. В конечном итоге было выделено 9 участков (рис. 1):

  • р. Зея выше створа Зейской ГЭС (Зея_1);
  • р. Зея от створа Зейской ГЭС до проектного створа Н.Зейской ГЭС (Зея_2);
  • р. Зея от проектного створа Н.Зейской ГЭС до устья (Зея_3);
  • р. Амур от устья Зеи до устья Буреи (Амур_2);
  • р. Бурея выше створа Бурейской ГЭС (Бурея_1);
  • р. Бурея от Бурейской ГЭС до проектного створа Н.Бурейской ГЭС (Бурея_2);
  • р. Бурея от проектного створа Н.Бурейской ГЭС до устья (Бурея_3);
  • р. Амур от устья Буреи до проектного створа Хинганской ГЭС (Амур_3);
  • р. Амур от проектного створа Хинганской ГЭС до устья Сунгари (Амур_4).

    Рис. 1. Участки реки и створы в анализируемом крупном речном бассейне.

Рис. 1. Участки реки и створы в анализируемом крупном речном бассейне.

Изменение экосистем в нижнем бьефе плотины определяют с использованием двух групп параметров – данных о площади поймы на каждом из выделенных участков и данных о степени трансформации стока плотинами ГЭС, расположенными выше по течению от каждого анализируемого участка.

Пойма – это периодически затапливаемая в сезонные половодья часть речной долины. Для выделения поймы на участках реки можно воспользоваться несколькими методами:

  1. расчетный способ на основе цифровой модели рельефа (ЦМР);
  2. анализ геологических карт с выделением современных четвертичных отложений;
  3. экспертное дешифрирование с использованием детальных топографических карт и данных дистанционного зондирования земли.

    С использованием этих весьма трудоемких методов были определены показатели площади поймы, которые сопоставлены как друг с другом, так и с выделением поймы отдельных участков специалистами других институтов, таких как: Хабаровский институт водных экологических проблем (ИВЭП ДВО РАН), Благовещенский институт геологии и природопользования ДВО РАН (рис. 2).

    Рис. 2. Сопоставление цифровой модели рельефа и экспертного дешифрирования поймы

Рисунок 2. Сопоставление цифровой модели рельефа и экспертного дешифрирования поймы.

Полученный комплекс результатов показал достаточно широкий разброс оценок, из которых наиболее репрезентативными признаны результаты, полученные методом дешифрирования. Они и были использованы для расчетов в данной работе. Использование этих результатов в качестве обучающего массива позволило проверить возможность экспресс-моделирования площади поймы по легко измеряемым показателям длины русла реки на каждом участке и ширины русла реки (пойма=1.14*длина^1.35*ширина^0.78).

Таблица 1. Площадь поймы по результатам дешифрирования и моделирования

 

площадь поймы км2

длина участка км

ширина русла км

модель пло-щади поймы

факт/модель %

Н.Зейская-устье Зеи

2903

274.5

1.00

2233

76.9

Хинган-устье Сунгари

2000

187.1

0.85

1173

58.6

устье Зеи - устье Буреи

3022

279.8

1.41

2996

99.1

Зейская-Н.Зейская

1172

357.2

0.40

1559

133.0

устье Буреи-Хинган

1888

264.7

1.40

2764

146.4

Бурейская-Н.Бурейская

126

79.1

0.22

128

101.5

Н.Бурейская-устье Буреи

450

91.5

1.20

584

129.7

СУММА

11560

 

 

11437

101.1

Результаты моделирования площади поймы по простейшим показателям длины отрезков и средней ширины русла показали вполне удовлетворительную надежность. Лишь на двух участках отклонение превышало 30%, а суммарная по всем отрезкам ошибка лишь немного превысила 1%. Ошибку даже в 25% при 25-кратных различиях сравниваемых показателей можно считать несущественной.

Изменение пойменно-русловых экосистем в нижних бьефах плотин рассматривается как функция изменений гидрологического режима за счет перехвата водохранилищем части годового или сезонного стока. Чем больше стока может задержать и перераспределить водохранилище, тем больше его влияние на экосистемы нижнего бьефа. Отношение регулируемой ёмкости LV к среднемноголетнему или паводковому объему стока W отражает потенциал изменения гидрорежима. От максимума в створе плотины он снижается вниз по течению по мере впадения новых притоков (LV константа, а W растет). Показатель перераспределения стока (изменения гидрологического режима) ALT=LV/W *100% - широко используется в мировой литературе для оценок воздействия водохранилищ (Нильсен и д., 2005; Вознесенский, Гидроэлектроэнергетика СССР, 1967).

В случае если выше рассматриваемого створа расположено несколько водохранилищ, то влияние каждой регулирующий емкости просчитывается отдельно по всем участкам реки, а потом для каждого участка суммируются оценки влияния всех плотин.

Влияние перераспределения стока на экосистемы нижнего бьефа чрезвычайно многообразно (Малик 1990, WCD2000): от изменения русловых местообитаний вследствие иного режима стока наносов до изменения поведения видов рыб, для которых сигналом к нересту служат определенные ритмические изменения стока. Изменения затрагивают не только водоемы, но и земли поймы, которые перестают получать взвеси с биогенным наилком. Этот питательный материал в меженный период участвует уже в развитии наземных экосистем (лугов, сельхозугодий, кустарниковых зарослей и пойменных лесов).

Наиболее существенно влияние на пойменные угодья, где перераспределение стока между сезонами приводит к уменьшению площади и сроков затопления, а соответственно - к существенному изменению местообитаний речной долины. Показатель изменения гидрологического режима фактически отражает степень изменения поймы. С определенными допущениями можно считать, что увеличение перехвата стока ведет к пропорциональному сокращению «поёмности» - площади и регулярности затоплений местообитаний, используемых для нереста и аккумулирующих плодородный наилок. Исходя из сделанного допущения, степень изменения пойменных экосистем можно количественно характеризовать произведением показателя ALT и показателя общей площади экосистем пойменно-руслового комплекса на соответствующем участке. Фактически – этот показатель пропорционален площади залитой в момент сильного паводка поверхности реки.

Диаграмма 1. Площадь поймы и ее степень ее изменения под воздействием Зейской и Бурейской ГЭС в квадратных километрах (левая шкала) и % (правая шкала)

Показатель корректно учитывает, что поймы и русла, подвергшиеся воздействию, утрачивают часть своих экосистемных функций. Для удобства последующих интерпретаций можно принять, что изменения поймы происходят не континуально (постепенно, по всей площади участка), а дискретно. В моделях считается, что с повышением процента перехваченного стока пропорционально повышается процент полностью утратившей пойменный режим площади. Это допущение (весьма близкое к реальности) позволяет оперировать однозначным показателем преобразованной площади поймы.

Вставка 1. Обсохшая в нерест протока в Волго-Ахтубинской пойме (п.Светлое).

Масштабная экологическая катастрофа в районе Волго-Ахтубинской поймы весной 2006 года подробно описана в статье В.А.Котовец «Экоцид на Нижней Волге» – газета «Берегиня», 05.2007. Показано, что катастрофы можно было избежать при наличии механизма управления попусками воды через плотину Волжской ГЭС. Валерия Алексеевна передала порталу «Белая книга. Плотины и развитие» фотоархив материалов об этой трагедии.

Зная площадь поймы по каждому участку речной долины вниз от самых верхних плотин (при том, что ГЭС на притоках верхних плотин может быть несколько), степень трансформации стока за счет перехвата его водохранилищами и получения стока незарегулированных притоков, можно просуммировать влияние нескольких плотин на каждый участок, а потом сложить все площади измененных пойм по всем участкам. Это будет корректный показатель прямо пропорциональный площади поймы, измененной за счет регулирования стока. Поделив его на общую площадь поймы в долине реки (или в той части долины, которая затронута влиянием плотин) можно определить % трансформации поймы.

Диаграмма 2.

При подготовке методики были рассмотрены возможности оценки с использованием разных вариантов исходных данных: стока разной обеспеченности (95%, 50%, 10%), среднемноголетних объемов стока за год, за период паводков, за самый многоводный месяц и другие. Логика использования вариантов стока разной обеспеченности связана с оценками способности водохранилищ перехватывать сток в разные по водности годы. Если необходимо оценить потенциал изменения русловых местообитаний и поймы в критичные по обводненности годы, то лучше воспользоваться показателями гарантированного стока, который в период наблюдений обеспечивался в 95% случаев. Для оценки влияния водохранилищ в многоводные годы можно использовать данные о стоке 10% обеспеченности. Если необходимо выделить потенциал влияния водохранилищ на изменения условий ежегодного обводнения поймы и протекания нереста, то лучше подойдет показатель объема стока за период весеннее-летнего паводка (разный для разных рек).

В данной демонстрационной модели мы ограничились рассмотрением годового стока 50 % обеспеченности как наиболее общеупотребительного интегрального показателя.

Таблица 2. Показатели стока разной обеспеченности и сезонного цикла

 

Сток за мало-водный 95% год куб*км

Сток за средний 50% год куб*км

Ср. сток в 5 теплых месяцев куб*км

Ср. много- летний сток самого вод-ного месяца куб*км

Макс. сток в много-водный 10% год м3/сек.

Средний макси-мальный сток м3/сек.

Н.Зейская-устье Зеи

28.0

56.7

42.6

13

15700

10900

Хинган-устье Сунгари

92.2

150.0

124.6

29

26200

19300

устье Зеи - устье Буреи

67.0

107.0

89.9

30

22800

16200

Зейская-Н.Зейская

12.3

22.3

20.3

7

9600

6670

устье Буреи-Хинган

92.2

150.0

119.6

29

26000

19300

Бурейская-Н.Бурейская

16.2

26.9

23.9

7

11000

7490

Н.Бурейская-устье Буреи

16.2

30.3

25.5

7

10200

7020

При дальнейшем анализе воздействий изменения стока на экосистемы можно будет рассмотреть от 10 до 30 гидрологичеких показателей (Пофф и др. 2010). Поскольку при зарегулировании стока утрата экосистемных функций реки и поймы в основном происходит за счет снижения сезонного варьирования объемов стока, для оценки потенциала изменения поймы в первую очередь надо будет задействовать показатель максимального стока в периоды половодий. Собственно именно масштабные половодья определяют максимальное проникновение вод на пойму, формируют её рельеф и максимальный внешний контур.

Трансформация водных экосистем верхнего бьефа характеризуется количеством водных экосистем антропогенного происхождения, гидрорежим которых принципиально отличается от гидрорежима естественных водоемов – рек и озер. Показателем такой трансформации выступает площадь возникшего в результате создания плотины водохранилища или прирост площади подпертого плотиной озера (SVmax). Эта площадь (км2) адекватно отражает наличие водных экосистем антропогенного происхождения с далекими от естественного гидрорежимами. Для отражения охвата произошедшими изменениями водной среды надо площадь водохранилищ соотнести с общей площадью водных экосистем (включая водохранилища) и выразить результат в %. Этот показатель отражает долю антропогенных водных экосистем в суббассейне, а оставшаяся часть - это естественные водные экосистемы, еще сохранившие естественный режим в рассматриваемом сценарии, выше створа.

Значение данной пары показателей для оценки воздействия плотин определяется следующими соображениями:

  • площадь вновь созданного водоема с отличным от естественных водоемов гидрорежимом хорошо коррелирует с широким набором местных воздействий, локализованных в районе водохранилища (изменениями локального климата, площадью коротко-периодичных пересыханий и обводнений прибрежной полосы, зон развития прибрежных эрозионных процессов, суффозии и просадок грунтов);
  • не только в Сибири и на ДВ, но и по всей России, именно речные долины, затапливаемые водохранилищами, являются наиболее значимыми участками как для биоразнообразия так и для жизни населения (Авакян, Широков 1990, Малик 1990, Подольский 2005);
  • сопоставление площади, с одной стороны, новых антропогенных и, с другой стороны, естественных водных экосистем однозначно показывает роль неестественных для местных условий гидрорежимов, влияющих на условия обитания организмов, развитие гидрохимических процессов, режимов стока-аккумуляции наносов и взвесей, условия рыболовства и сложившиеся сезонные циклы традиционного хозяйства населения.

При подготовке методики использованы разные способы определения площади водных экосистем Обработаны следующие материалы:

  1. Космические снимки (Landsat-7, Aster);
  2. База данных радарной съемки 75м SRTM – материалы SWBD, а также моделирование на основе ЦМР;
  3. Топографические карты 1:500000 - 200000масштабов.

Зейское водохранилище моделировать не пришлось т.к. оно уже давно отображено на картах. На снимке Landsat-7 автоматическим способом (используя 5-ый канал) были выделены все водные объекты и переведены в векторное покрытие. Сравнение полученных результатов с данными радарной съемки SRTM(SWBD) в районе Зейского водохранилища, показало хорошие результаты. Объединение всех источников в один слой дало результирующий контур водного объекта площадью 2293 км2. По документам площадь Зейского водохранилища равна 2419 км2. Расхождение 5,5% вполне допустимо т.к. проектируемая зона максимального затопления чаще всего отличается от реальной.

Для Бурейского водохранилища использовано два способа получения водного контура – выделение реальной зоны затопления по данным радарной съемки 75м SRTM, космическим снимкам (Landsat-7, Aster) и моделирование на основе ЦМР. Полученные результаты оказались практически идентичны - площадь водного объекта составила 694 км2, по документам - 740 км2 (расхождение 6,6%).

Потенциальные зоны затоплений существующих лишь в проектах водохранилищ определены на основе ЦМР, созданной по данным радарной съемки 75м SRTM.

Определение площади под всеми водными объектами, расположенными выше современных и запроектированных плотин, выполнено по снимкам Landsat автоматическим способом. С использованием 5-ого канала были выделены все водные объекты и переведены в векторное покрытие. Сравнение базы данных SRTM(SWBD) с топографической картой 500000 масштаба, также показало хорошие результаты. На отсутствующие листы карт для части бассейна построены водотоки путем моделирования (hydroshed) ЦМР. Результат моделирования практически совпадал с показателями густоты речной сети топографических карт 500000 масштаба. Для всех линейных водных объектов были построены буфера в 25 и 4 метра с каждой стороны, в зависимости от величины реки. Оценка погрешности модели для вод русла рек приведена в последнем столбце таблицы. В среднем модель площади текучих водоемов по их длине и заданным буферам ширины занижает оценку на 33%. Соответственно достаточно на треть увеличить значения буферов ширины (до 37 и 5,5 метров).

Таблица 3. Площадь водных объектов выше плотины и их моделирование

 

площадь вод выше створа км2

сумма площа-дей водо-хранилищ км2

площадь вод в русле по карте км2

площадь вод в русле по модели км2

факт/ модель %

Н.Зейская-устье Зеи

6938

2517

580.5

274.5

47.3

Хинган-устье Сунгари

23115

3755

360.9

159.1

44.1

устье Зеи - устье Буреи

19042

2517

500.3

394.5

78.8

Зейская-Н.Зейская

3600

2293

272.2

142.9

52.5

устье Буреи-Хинган

22212

3390

349.2

370.6

106.1

Бурейская-Н.Бурейская

1902

694

45.7

17.4

38.1

Н.Бурейская-устье Буреи

2096

873

76.3

274.5

143.9

Совмещение в ГИС всех полученных слоев водных поверхностей в границах рассматриваемых водосборов дает оценку общей площади покрытой водой.

Фрагментация бассейна наиболее широко обсуждается в литературе о воздействиях плотин в связи с пресечением миграции анадромных и других мигрирующих рыб (Nielssen et al 2005, Vorosmarthy et al 2010, Reidy-Liermann 2007, Малик 1990, Abel et al, 2009). Для крупных плотин – фрагментация отражает затруднения в расселении любых видов (включая наземные) связанных с речными долинами (Подольский и др. 2005). Однако фрагментация актуальна не только для большинства живых организмов, но и важна как мера изменения транспорта биогенных веществ и наносов.

Четыре наиболее распространенных в современной литературе индекса фрагментации речных бассейнов, подчеркивающие разные ее аспекты, включают:

  1. количество плотин ниже по течению (Опперман, Харрисон 2007);
  2. площадь или длина водных местообитаний между ближайшими плотинами как % от площади или длины водных местообитаний бассейна в целом (Vorosmarthy et al 2010);
  3. % площади бассейна изолированный плотинами от устья реки (впадения в море или в водоток с иными экологическими характеристиками) (Reidy-Liermann 2007);
  4. Плотность водохранилищ и прудов на единицу площади или длины водотков бассейна (Vorosmarthy et al 2010).

Мы сочли наиболее приемлемым использовать в демонстрационной модели третий вариант, как наиболее простой и наглядный. Он подчеркивает проблемы дальних миграций рыб и изменения, вносимые немногочисленными крупными плотинами.

Обрабатывая ЦМР основными гидрологическими формулами используя программный продукт ArcMap9.2 и его модуль Spatial Analysis, мы получили водосборные бассейны для всех интересующих нас точек (створов). В расчетах не учтены бессточные области в верхней части бассейна Амур.

Показатель фрагментации - блокирование плотиной части речного бассейна - определяют по площади (км2) бассейна реки, расположенного выше створа (SBствора), а долю (%) блокированной плотиной части речного бассейна определяют путем деления на общую площадь бассейна главной реки (SBреки).

Так как ниже устья Сунгари на главном русле Амура нет плотин и иных препятствий для миграции гидробионтов и потоков веществ, то вполне корректно рассмотрение только верхней части бассейна Амура выше устья Сунгари общей площадью чуть меньше 1 млн. км2 (или 50% всей площади Амурского бассейна). Это существенно упрощает восприятие демонстрационной модели.

В дальнейшем планируется детальное рассмотрение бассейна р. Сунгари, где имеется 95 ГЭС, а всего около 13000 водохранилищ. Для демонстрационных расчетов в модель будут включены данные, по крайней мере, о 10 крупнейших ГЭС в бассейне Сунгари. В этом случае будет целесообразно также применить второй и/или четвертый индексы, в зависимости от полноты собранных данных.

Кумулятивная оценка воздействия нескольких плотин на экосистемы реки

Данный этап оценки включает суммирование каждого из трех видов воздействия на разных участках \ отрезках бассейна.

Расчет суммарного изменения гидрорежима поймы надо начинать с "верхней" плотины. По каждому участку, расположенному ниже по течению от плотины, площадь поймы участка умножается на отношение регулируемой емкости водохранилища верхней плотины к объему стока на данном участке. Если отношение превышает 1, то вся пойма считается преобразованной (случай участка от Зейской до Н-Зейской). Оценки площади поймы, преобразованной влиянием плотины X1 на всех участках ниже неё по течению суммируются. Далее оценивается влияние на пойменные процессы следующей (вниз по течению) плотины X2. Если на каком-то из участков суммарный объем регулирующих емкостей, расположенных выше по течению плотин, превышает объем стока (хотя по отдельности полезная ёмкость каждого водохранилища может не достигать объемов стока), то вся площадь поймы на данном участке считается антропогенно измененной.

Первый показатель определяется по сумме площадей поймы, преобразованной влиянием регулирования стока всеми плотинами, и является показателем площади земель (км2), измененных воздействием всей совокупности плотин, существующих или предусмотренных в данном сценарии гидроэнергетического строительства. Отношение этой площади к общей площади поймы выражает в % степень изменения пойменного режима водных экосистем.

Второй показатель – масштаб антропогенной трансформации водных экосистем верхних бьефов – в каскадах плотин оценивается по сумме площадей всех созданных или запроектированных водохранилищ. Отношение этой площади к общей площади водных экосистем бассейна реки, выраженное в %, характеризует степень замещения естественных водных экосистем водоемами, кардинально отличающимися по гидрорежиму от рек и озер.

Кумулятивным показателем для фактора фрагментации речного бассейна является площадь речного бассейна, расположенного выше самой нижней плотины на основном русле и/или самых нижних плотин на притоках. Соответственно, отношение этой площади к общей площади бассейна главной реки (выраженное в %) характеризует степень изоляции обменных процессов в бассейне реки и изоляции популяций рыб.

Интегральный показатель для трёх факторов воздействия плотин на экосистемы реки

Интегральная оценка воздействия плотин на экосистему реки предназначена для одновременного учета в одном показателе численных значений площади поймы, преобразованной изменениями гидрорежима вышестоящими плотинами, площади искусственных водных экосистем водохранилищ и площади изолированной от моря части речного бассейна. Три этих показателя имеют одинаковую единицу измерения (км2). С точки зрения сравнения опасности для природной среды их можно считать равнозначными, поскольку, хотя они и влияют на природную среду по разному, нет очевидной необходимости задавать им разные весовые коэффициенты.

Равнозначность трёх показателей опасности позволяет выполнять их интеграцию по алгоритму расчета среднего значения. Однако надо обратить внимание читателей на то, что абсолютные значения трех индикаторов воздействия отличаются друг от друга на порядки. В рассматриваемом примере бассейна Амура выше устья Сунгари суммарная площадь водохранилищ меньше 3000 км2, поймы – больше 10000 км2, а площадь бассейна почти 1000000 км2. При расчете среднего арифметического из трёх показателей все будет определяться значениями блокированной плотиной площади речного бассейна: см. пример сравнения двух вариантов. Если у первых двух индикаторов значения вдвое меньше, а третий индикатор вдвое больше, то среднее арифметическое показывает увеличение интегральной оценки, что совершенно нелогично:

((1000+10000+200000)/3)/((2000+20000+100000)/3)=1.73

Чтобы сохранить равнозначное влияние каждого показателя на интегральную оценку необходимо вести расчет по алгоритму среднего геометрического. В этом случае двукратные различия сравниваемых плотин по показателю фрагментации бассейна окажут такое же влияние на итоговую оценку, как и кратные различия по площади измененной поймы или затопленной водохранилищами площади см. пример:

(1000*10000*200000)^(1/3)/(2000*20000*100000)^(1/3)=0.79

При экспресс-оценке площади экосистем, затронутых воздействиями (в целях определения общих ущербов, например) интегральный показатель вполне корректен, хотя численно он отражает «условные» квадратные километры измененных плотинами экосистем трёх разных типов.

Аналогичным образом интегрируются и показатели, выраженные в процентах, отражающие долю экосистем в бассейне подверженных воздействию ГЭС. Естественно, что минимизация доли основных типов экосистем затрагиваемых воздействием ГЭС – важнейшая задача при их проектировании.

Удельное воздействие при освоении гидропотенциала

Заключительный этап оценки включает сравнение разных сценариев освоения гидроэнергетического потенциала путем сопоставления совокупных воздействий на экосистему реки при разных комбинациях существующих и/или проектируемых плотин.

Площадные показатели как каждого фактора воздействия ГЭС, так и кумулятивные средние геометрические, могут сравниваться с суммарной годовой выработкой электроэнергии существующих ГЭС, а также с и реалистично-ожидаемым производством электроэнергии на проектируемых ГЭС в разных сценариях развития. Этот удельный показатель наиболее наглядно демонстрирует величину воздействия в размерности км2/млн.кВт*час в год. Похожий показатель применялся ранее при сравнительном анализе эффективности отдельных ГЭС с позиций экологии и природопользования. Так Л.К. Малик указывала – «Смещение ГЭС в горные и предгорные районы привело к уменьшению удельных затоплений (отнесенных к единице мощности, выработке энергии на пора или объема водохранилища)» (Малик 1990, стр.19). «Возведение гидростанций с большими напорами и на наиболее экономичных участках рек позволило снизить, что очень важно, удельные показатели затопления с\х земель при выработке 1 млрд.кВт электроэнергии по стране в целом в 4 раза…» указано в другой работе (Васильев, Хрисанов, 1984).

В России абсолютное большинство крупных плотин, в основном, имеет энергетическое назначение. Поэтому, вслед за многими другими авторами, мы сочли возможным рассматривать выработку электроэнергии как единственную характеристику социально-экономической пользы. Многие современные оценки оперируют несколькими показателями полезности водохранилищ и зарегулирования стока, а не только выработкой энергии. Используемое в этих случаях экономическое сравнение полезности заменяет прямые сопоставления натуральных показателей денежными индикаторами. Физический смысл при этом легко теряется. Например, зарегулирование Волги мотивировали экономическими потребностями водного транспорта. Однако, после зарегулирования, роль водного транспорта в этой части России в начале медленно, а потом стремительно упала, что позволяет усомниться в макроэкономической полезности плотин для развития водного транспорта в условиях России.

Разбирательство с рыночной ценой всех «выгод», предоставляемых гидроузлами, на практике невозможно не только из-за отсутствия внятной статистики, но и из-за наличия врожденных пороков рынка, постоянно вздувающего пузыри на монопольном положении, перепродажах, природной или административной ренте. Предлагаемая система оценки тем и хороша, что сопоставляет киловатты и километры, а результаты сопоставлений однозначны и не подвержены финансовой эквилибристике.

Демонстрационная модель для верхней части Амурского бассейна

Просчитанная демонстрационная модель направлена на сравнение и выявление общих закономерностей воздействия разных сценариев гидроэнергетического освоения на верхнюю часть бассейна Амура выше впадения р. Сунгари со всеми основными существующими плотинами и ключевыми планируемыми створами крупных и средних ГЭС.

Рассматриваемые сценарии:

  1. Воздействие Зейской ГЭС до строительства Бурейской
  2. Современная ситуация (в расчете только 2 плотины)
  3. Строительство Нижней Бурейской ГЭС
  4. Строительство Н.Бурейской и Н.Зейской ГЭС
  5. Строительство Н.Бурейской, Н.Зейской и Хинганской ГЭС (1 подэтап российско-китайской схемы освоения водных ресурсов Амура)
  6. Гипотеза - одна Бурейская ГЭС

Ниже в таблице 4 представлены результаты сравнения сценариев, где каждый вариант гидростроительства охарактеризован с помощью четырех пар показателей: трех кумулятивных и одного интегрального.

Таблица 4. Значения отдельных факторов и интегральное воздействие в разных сценариях

№ сценария

измененная пойма

измененные водные экосистемы

фрагментация бассейна

интегральное воздействие

км2

%

км2

%

км2

%

км2

%

1

4857.2

42.0

2293

10.1

82517

8.4

9722

15.25

2

5346.5

46.2

2987

13.1

147438

14.9

13304

20.86

3

5349.4

46.3

3166

13.9

149360

15.1

13626

21.33

4

5613.5

48.6

3390

14.8

195201

19.8

15487

24.21

5

5629.1

48.7

3755

16.2

986872

99.3

27526

42.93

6

489.31

4.23

694

3.05

64921

6.6

2804

4.40

В настоящей демонстрационной модели для сокращения расчетов из анализа исключены поймы Верхнего Амура, которые ни в одном из 6 сценариев не подвергаются воздействию ГЭС. Данная модель лучше всего позволяет оценить воздействие российских и трансграничных ГЭС, так как все крупные ГЭС КНР приурочены к бассейну Сунгари, здесь не фигурирующему. Изменения гидрорежима пойм рассмотрены в варианте среднего многолетнего стока 50% обеспеченности.

Диаграмма 3.

Приведенная ниже диаграмма 4 наглядно представляют структуру основных факторов воздействия плотин в разных сценариях, что существенно обогащает возможности анализа и оценки как сложившейся ситуации, так и изучения последствий при проектировании размещения новых ГЭС. Так при малых значениях одного или двух других показателей ГЭС может оказывать недопустимо большое воздействие по третьему параметру.

Диаграмма 4.

В зависимости от детальности и нужд исследования для каждого сценария могут быть сделаны сравнения отдельных притоков или участков водосбора, как по воздействию отдельных плотин, так и их комбинаций. В перспективе может быть учтено экосистемное разнообразие суббассейнов, а также особенности опасности изменений гидрорежима в многоводные и маловодные годы, а также для разных гидрологических периодов в течение года: паводков, межени и т.д.

Предложенная модель позволяет наглядно продемонстрировать сравнительное воздействие разных ГЭС и их комбинаций, что особенно важно для перспективного планирования. Это хорошо видно из сравнения Зейской и Бурейской ГЭС- двух сверхкрупных гидроузлов, построенных в одном Среднеамурском экорегионе, на реках с практически одинаковым среднемноголетнем стоком. Из таблицы 4 очевидно, что хотя Бурейская ГЭС по проекту в 1.4 раза производительнее Зейской ГЭС ее кумулятивное воздействие меньше по каждому из трех показателей, а интегральное воздействие в 3 раза ниже. На наш взгляд эта разница определяется прежде всего местоположением ГЭС в бассейне, а во вторую- меньшим регулируемым объемом водохранилища. Бурейское водохранилище занимает относительно узкое ущелье, что определяет меньшую долю антропогеннно измененных экосистем, сам заблокированный бассейн Буреи чуть меньше Верхнезейского. Площадь пойм р. Бурея под сильным воздействием Бурейской ГЭС во много раз меньше чем площадь аналогичных пойм р.Зеи, в то время как меньшая полезная емкость водохранилища ведет к меньшему изменению поёмности на одинаковых участках реки.

В результате функционирования ГЭС на Зее вплоть до устья катастрофически упала рыбопродуктивность, прекратилось регулярное обводнение поймы и она местами зарастает лесом, таким образом следует полагать что степень изменения стока на этом водотоке превышает любые разумные нормы допустимого воздействия. Но так как влияние ГЭС на экосистемы бассейна реки аддитивно, то и сколь угодно малое воздействие от позднее построенных ГЭС всегда добавляется к существенному воздействию ранее созданной Зейской ГЭС, усугубляя ситуацию.

Важно учитывать и иные пространственно-экологические закономерности, например, сохранение естественного разнообразия речных экосистем. Так, Верхняя Зея и Бурея - это крупные горные притоки в экорегионе Среднего Амура, где на сегодня осталась еще незарегулированной всего только одна река со сходными характеристиками - Селемджа. Если Селемджа подвергнется воздействию ГЭС, то «экологические издержки» такого сценария освоения (при прочих равных) будут выше чем у сценария, где влияние ГЭС затрагивает не все притоки определенного экологического типа, а оставляет хотя часть этих экосистем нетронутыми. В дальнейшем с использованием модели можно дополнительно учесть разнообразие экосистем речного бассейна и пространственную неоднородность распределения в нем широкой совокупности природных ценностей, затрагиваемых воздействиями ГЭС.

Помимо экологической опасности разработанная модель позволяет сравнить экологическую цену разных вариантов развития гидроэнергетики. Для определения экологической цены, которую приходится платить за производство электроэнергии, которую гидростроители охотно называют «экологически чистой», можно сопоставить физические объемы выработки электроэнергии как с интегральными, так и с тремя кумулятивными показателями воздействия плотин на водные и пойменные экосистемы и речной бассейн. Ниже в таблице приведено такое сравнение с интегральными показателями.

Таблица 5. Удельное интегральное воздействие в разных сценариях

Сценарии

Интегральное воздействие

млн. кВт*ч в год

км2/млн. кВт*ч

км2

%

1- воздействие Зейской ГЭС до строительства Бурейской

9722

15.25

4910

1.980

2- современная ситуация (в расчете только две плотины)

13304

20.86

12010

1.108

3- строительство Нижнее Бурейской ГЭС

13626

21.33

13610

1.001

4- строительство Н.Бурейской и Н.Зейской ГЭС

15487

24.21

15890

0.975

5- строительство Н.Бурейской, Н.Зейской и Хинганской ГЭС (1 подэтап российско-китайской схемы освоения водных ресурсов Амура)

27526

42.93

22990

1.197

6- гипотеза - одна Бурейская ГЭС

2804

4.4

7100

0.39

Если назначение удельных показателей интегрального экологического воздействия на единицу выработки электроэнергии достаточно понятно, то вот роль выраженного в процентах интегрального показателя воздействия требует дополнительных комментариев. Начнем с того, что этот показатель фактически можно интерпретировать как долю нарушенных плотинами экологических функций реки и речного бассейна. Такое понимание результата даёт возможность применения следующей смысловой логики оценки.

Утрата Верхним и Средним Амуром (со всеми его притоками до устья Сунгари) от 15 до 34% своих функций – это не только экологический ущерб, это ущерб всему хозяйственному комплексу регионов, природный капитал которых эта река и её притоки образуют. Истинная стоимость этого капитала нам неизвестна, в силу того, что он не обращается на рынках, которые только и могут дать ему оценку, сопоставимую с другими, признаваемыми нашим обществом ценностями.

Однако у нас есть субъекты, которые могут и должны выступать сторонами покупателя и продавца в процесс рыночного торга о цене теряемых (а надо – продаваемых) функций реки. Стороной покупателем должны выступать выгодопреобретатели от гидроэнергетического строительства. Это собственники и менеджмент существующих и будущих ГЭС. К выгодоприобретателям можно отнести и гидростроителей, которые получают долгосрочные и, обычно, весьма выгодные контракты на строительно-монтажные работы. А в качестве продавцов-собственников теряемых рекой функций могут выступать, в частности, регионы, часть природного потенциала которых теряется.

Поскольку теряемая природная функция являлась возобновляемой, т.е. ежегодно действующей, то сделка продажи-покупки этих функций не может быть разовой (единовременно выплаченной суммой). За потери части функций водных и околоводных экосистем, ежегодно обеспечивающих способность реки крутить турбины, платить надо ежегодно. Плотина и ГЭС на ней - это основной капитал (основные фонды), принадлежащий собственникам или инвесторам, за средства которых эти фонды созданы. Функции реки – это тоже капитал, только природный, который в отличие от технического, не ветшает и не подвержен износу. Соответственно, вознаграждение за его использование собственник природного капитала должен получать так же, как инвестор, вложившийся в создание ГЭС, только это вознаграждение не сокращается во времени, по мере амортизации.

Такой вариант компенсации возможен, если население регионов или обеспечивающие интересы этого населения региональные бюджеты разных уровней, получают пакеты акций ГЭС, которые используют функции реки. Размеры, стоимость и годичная доходность этих пакетов должны обеспечивать такой поток ежегодного дохода, который сбалансирует потери продавца природного потенциала (регион) и доходы его покупателя (собственник и менеджмент ГЭС).

Торг между гидроэнергетической компанией и законодательным органом региона является пока гипотетическим вариантом, не имеющим в России адекватной правовой базы. Но этот торг региона и компании необходим для определения ценности функций реки.

Более 15% функционального потенциала Амура только за Зейскую ГЭС – это в том числе активы населения районов Амурской области (жившего ранее за счет ресурсов реки, её поймы и долины). В настоящее время эти активы активно!! используются компанией РусГидро. На этот и другие аналогичные активы должны быть выпущены пакеты акций, как на вклад Амурской области и Хабаровского края в акционерный капитал РусГидро. На свои пакеты акций бюджеты регионов должны нормально получать доход (дивиденды) на тех же условиях, что нынешние акционеры РусГидро. Оценить реальную стоимость этого пакета можно только в условиях рыночного торга между продавцом и покупателем. А показатель % потерь функций реки – это ориентир и для продавца и для покупателя (что-то вроде веса и качества товара, который мы хотим купить на рынке).

Диаграмма 5.

Как только станет известна цена самой первой сделки – все участники рынка (разные гидроэлектростанции, как покупатели функций рек, и региональные заксобрания, как продавцы этих функций) смогут сопоставить реально сбалансированную цену уже со своими условиями. Это реальный путь не только к определению рыночного баланса между получаемыми выгодами и понесенными потерями, но и путь к обеспечению справедливости в отношениях между гидроэнергетиками и местным населением, условия жизни которого нарушены последствиями гидростроительства.

Чтобы такие переговоры стали обычной практикой в отношениях гидростроителей, энергетиков и региональных законодателей, регионы, имеющие на своей участки речных бассейнов, испытывающих негативные воздействия ГЭС, и федеральные депутаты должны инициировать соответствующие поправки в российское законодательство.

В тоже время значительная часть воспроизводимых экосистемных функций реки имеет межрегиональное (бассейновое), национальное и трансграничное и глобальное значение, а соответственно круг интересов затронутых строительством ГЭС вовсе не сводим только к интересам населения регионов. Это особенно очевидно на примере трансграничного бассейна Амура, где функционирование существующих ГЭС уже затрагивает все эти уровни интересов. Система управления гидроэнергетическим комплексом и распределения выгод и издержек рано или поздно с неизбежностью должна будет включить механизмы переговоров (торгов) для удовлетворения законных требований «пайщиков». Причем так как речь идет о возвращении общественных благ, ныне вытесненных приобретением частных выгод, то приемлемым для «собственников» результатом такого торга в большинстве случаев будет являться меры по компенсации и смягчению негативных воздействий на среду обитания и природные источники благосостояния людей. В частности, вероятно, что оптимальным для энергетиков и общества окажется «пожертвовать» частью вод Зейского водохранилища для обеспечения регулярного затопления поймы в экологические оптимальные сроки, нежели регулярно компенсировать всем заинтересованным сторонам в полном размере деньгами весь объем выгод утраченных в связи с деградацией реки.

В заключение мы выскажем собственное мнение о пороге экологических воздействий, с которого необходимо начинать активные действия по компенсации воздействий, в том числе торгов о стоимости пакета акций компенсирующих ущерб местному населению. В экологии есть правило 10%. Примерно в таком объеме передается энергия и вещество с более низких трофических уровней экосистемы на более верхние, без ущерба для функционирования экосистемы. Хищник может съедать до 10% численности популяции жертв. По множеству эмпирически установленных фактов в этих же пределах находятся безопасные для живых систем уровни воздействий человека и его хозяйственной деятельности. Воздействие, затрагивающее более 10% площади или численности популяций, становится опасным и чреватым серьезными для экосистемы последствиями. Самая верхняя в бассейне Амура Зейская ГЭС единым махом перекрыла этот порог сразу по двум из трех факторов воздействия. Поэтому публичные переговоры Законодательных собраний Амурской области, Еврейской Автономии и Хабаровского края с компанией РусГидро о компенсации утраченных Амуром функций вполне обоснованы.

Литература

  • Авакян А.Б. и Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Минск. 1990.
  • Азиатский Банк Развития и Стокгольмский экологический институт. Стратегическая экологическая оценка генерального плана развития гидроэнергетики Вьетнама. Установочный доклад. Ханой 2007 (STRATEGIC ENVIRONMENTAL SSESSMENT OF THE HYDROPOWER MASTER PLAN IN THE CONTEXT OF THE PDP VI Scoping Report http://www.gms-eoc.org/CEP/Comp1/docs/Vietnam/Scoping/VN_ScopingReport.pdf)
  • Асарин А., Данилов-Данильян В. Мы были щедры на оценки. Журнал Мировая Энергетика № 5 (41) май 2007 г.
  • Всемирная комиссия по плотинам: план для перемен. Обзор. Плотины и развитие: новая структура принятия решений. Отчет всемирной комиссии по плотинам. WCD2000 – М., Ноябрь 2000. 34 с.
  • Котовец В.А. «Экоцид на Нижней Волге» – газета «Берегиня», 05.2007.
  • Малик Л.К. «Географические прогнозы последствий гидроэнергетического строительства в Сибири и на Дальнем Востоке» ИГАН АН СССР Москва 1990
  • Методические указания по оценке влияния гидротехнических сооружений на окружающую среду (РД 153-34.2-02.409-2003)
  • Нильсен и др. 2005 Nilsson, C., C.A. Reidy, M. Dynesius & C. Revenga. 2005. Fragmentation and flow regulation of the world’s large river systems. Science 308: 405-408.
  • Опперман Д., Харрисон Д., 2007: Opperman Jeff J. and Harrison David L., Pursuing Sustainability and Finding Profits: Integrated Planning at the System Level . 2007), The Nature Conservancy, 2007 USA см. статью «Комплексное планирование ГЭС на системном (бассейновом) уровне» в материалах к совместному заседанию Ихтиологической комиссии и проекта Белая книга. Плотины и развитие
  • Подольский С.А., Игнатенко С.Ю., Дарман Ю.А., Антонов А.И., Борисова И.Г., Игнатенко Е.В., Илларионов Г.В., Кастрикин В.А., Парилов М.П., Старченко В.М., Чуб А.В., Яборов В.Т. 2005. Бурейская ГЭС – Зона высокого напряжения. М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2005. 80 с. Под ред. С.А. Подольского.
  • Пофф Л. и др 2010: The ecological limits of hydrologic alteration (ELOHA): a new framework for developing regional environmental flow standards N. LEROY POFF et al, Freshwater Biology. Blackwell Publishing Ltd. Volume 55 Issue 1 , Pages 1 - 260 (January 2010) . Special Issue: Environmental flows: science and management.
  • Сапаев В.М., Зарегулирование Амура. Возможна ли оптимизация экологических условий? Наука и природа ДВ. 2006
  • Симонов Е. Егидарев Е. Подходы к сценарной оценке совокупного воздействия гидроэлектростанций на бассейн реки. Амурский пример. В сборнике 5 Международной конференции «Реки Сибири». Томск 2010.
  • СКИВР 2000 Схема комплексного использования водных ресурсов пограничных участков рек Аргунь и Амур. Тома I, II, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII.. М.: Совинтервод-Сунляокомводхоз . 1993-2000
  • Энергетические ресурсы СССР. Гидроэнергетика (ред. А. Вознесенский) АН СССР. Наука 1967 г.