Водогосподарський баланс як засіб оптимізації проблем водоспоживання і водовідведення у річкових басейнах

summary

1. Стан проблеми, методологія і методика складання та розрахунку водогосподарського балансу. Перехід нашої держави до засад ринкової економіки зумовлює зміни у системі управління водними ресурсами, дотримання режиму їх економії і раціонального використання, запобігання забрудненню та забезпечення всебічної їх охорони, що можливе при переведенні цієї системи, як це передбачено Водним кодексом України, на басейновий принцип управління. Водогосподарське будівництво потребує значних затрат фінансів і часу, економія яких можлива при завчасному прогнозуванні змін, що можуть відбутись у водному режимі рік на перспективу найближчих 10-20 років. Досягнення зазначених вимог можливе в рамках дослідження водогосподарських балансів (ВГБ), які є складовою частиною теорії водного балансу. Методичні основи складання і розрахунку ВГБ річкових басейнів розробляли І.Кузнєцов (1961), С.Кріцкий і М.Менкель (1964), В.Захаров і Ч.Чокін (1964), А.Грін і Н.Коронкевич (1968), І.Мечітов і М.Гершкович (1970), М.Львович (1974), Н.Зарубаєв (1976), С.Вендров (1979),  Г.Воропаєв (1987) та ряд інших. Методологічною основою ВГБ виступають принципи порівнювання, системності, аналогії і географічної інтерполяції. Залежно від проблеми, що розв’язується і проміжку часу, за який складається ВГБ, розрізняють такі їх типи: звітні, оперативні, планові, перспективні, попередні і підсумкові. ВГБ складають із урахуванням розрахункової забезпеченості, яка залежно від необхідної надійності постачання водоспоживачів приймається у межах 75-99%. Для розрахунків ВГБ досліджуваних річок використане рівняння, що було запропоноване В.Захаровим і Ш.Чокіним (1964) і доповнене М.Кирилюком (2001). З метою розв’язання поставлених завдань воно було модернізоване нами із виділенням екологічного об’єму W_ек. та санітарного об’єму W_сан.:

.                        (1)                                                         

Головними прибутковими елементами є річковий стік у басейні W_бс та скидні води W_вдв. Головними витратними елементами є відбір води з поверхневих джерел W_р та підземних горизонтів W_пг, якщо останні гідравлічно зв’язані із річковими водами. До них належать також потреби води на поповнення корисного об’єму водосховищ W_всх, для санітарного об’єму W_сан. Перекидання води в інші басейни чи навпаки, оцінюється як . Член  оцінений шляхом приведення середньорічного побутового стоку до природного за багаторічний період й увійшов складовою частиною у значення W_бс. Результуюча частина W₀ ВГБ представляє надлишок води або ж, навпаки, її нестачу для резервування екологічного об’єму. Останній визначений за формулою

W_ек = 20W_забр                                                                                   (2)

де W_забр – об’єм забруднених скидних вод; 20 – кратність їх розведення, кількість разів. 

Розрахунки виконані для 8 гірсько-передгірних і 13 рівнинних допливів Дністра до річки Калюс включно, площі водозборів яких відповідно займають 35 і 65% досліджуваної території.

2. Водні ресурси досліджуваних річкових водозборів. На досліджуваній території різні автори на різних річках визначали норму

стоку станом на 1962, 1975, 1980, 1992 і 1995 роки, однак жодне дослідження не охопило повністю 56 розрахункових створів. В якості опорних вибрані створи Заліщики і Галич на Дністрі та Чортків на Сереті, де найдовші ряди спостережень, і в яких норма стоку визначена з урахуванням циклічних коливань водності за допомогою хронологічних графіків та різницевих інтегральних кривих стоку (рис. 1 і 2). Останній метод допоміг обґрунтувати визначення норми стоку в опорних створах та встановити репрезентативний період (1955-1999), що був використаний для її визначення в 20 розрахункових створах інших рік, в яких значення її відносної середньоквадратичної похибки dQ більше 5%. Аналіз  інтегральних кривих у 56 створах показав, що встановлення єдиного репрезентативного періоду для гірських і рівнинних річок є проблематичним внаслідок впливу зарегульованості, карсту, іншої господарської діяльності на водозборах, на що звертають увагу також П.Вишневський та А.Шерешевський (1997). Найбільші, найменші і середні багаторічні модулі у горах підпорядковані закону вертикальної зональності і відповідно змінюються від 58-57, 16-10 і 34 л/с з 1 км² у верхів’ях річок до 16, 3,0 і 7,3 л/с з 1 км² у басейні Ворони. Рівнинні притоки за розподілом середніх модулів утворюють західну і східну області – річки, що стікають з Гологорів до Стрипи включно та річки між Серетом і Калюсом. У першій модулі у верхів’ях рік менші, ніж у нижній течії (за винятком Гнилої Липи); у другій картина зворотна, що зумовлене дренуванням потужних водоносних горизонтів різними ділянками долин рік. Розрахунки показали зростання величин норм стоку у 2000 році проти 1962, в якому стік був визначений у 47 із теперішніх 56 створів. На рівнині він не змінився лише у двох створах, на інших зріс на 5,1-50%, а на  Нічлаві – на 73,8%. У верхів’ях гірських річок стік практично не змінився на 37,5% постів (у басейні Стрия та двох його приток навіть зменшився на 5,3-6,8%), на решті постів зростання сягнуло 20,1-44,6%. Збільшення норми стоку на території до кінця століття зумовлене подовженням стокових рядів та більш обґрунтованим вибором аналогів; циклічними коливаннями водності, що збігається із дослідженнями П.Вишневського та А.Шерешевського (1997), а також, як вказує В.Котляков із співавторами (1995), внаслідок багаторічного ущільнення ґрунтів важкою технікою, їх деградації, зниження рівня агротехніки у землеробських районах Руської рівнини в останні  роки. Розподіл норми природного стоку на досліджуваній території приведений на рис. 3. 

Середній стік різної забезпеченості отриманий шляхом побудови емпіричних кривих забезпеченості в кожному створі та підбором до них теоретичних кривих з метою екстраполяції стокових даних за межі емпіричного ряду. Найкращого співпадіння емпіричних і теоретичних кривих на переважній більшості постів досягнуто при застосуванні біноміальної кривої із використанням графоаналітичного способу Г.А.Алексєєва (1976).

При розрахунках ВГБ річкових басейнів важливу роль відіграє мінімальний стік. У роботі визначені середньомісячні і середньодобові витрати води за теплий і холодний періоди та за рік. За розрахункові прийняті величини мінімального середньомісячного стоку за теплий (вегетаційний) період, за розподілом яких в горах виділяються три області - річки, що стікають з Бескидів; верхів’я Лімниці, Свічі і Бистриці; нижні частини їх басейнів та передгірні річки. У першій їх значення  змінюються від 9,96-8,40 у верхів’ях до 3,59-4,56 л/с з 1 км² у низов’ях рік Найбільші модулі у верхів’ях Лімниці і Свічі (17,8-13,6) та обох Бистриць (12,5-10,0 л/с з 1 км² ) До їх гирл значення модулів спадають до 7,33-4,40, а в передгір’ях сягають 3,19-2,16 л/с з 1 км². На рівнині розподіл модулів пов’язаний із різним заляганням основних водонасичених порід - між Гнилою Липою і Стрипою включно модулі зростають від витоків до гирла, далі на схід і південний схід їх значення поступово зменшуються – 3,95 (Коропець), 3,22 (Чортків), 2,87 (Завалля) л/с з 1 км² . У басейнах  Жванчика і Смотрича відбувається подальше їх зменшення як у східному напрямку, так і від витоків до гирла – відповідно 1,69-2,03 і 1,59-1,63 л/с з 1 км². У верхній і середній течії Ушиці  модулі зростають до 2,5,  у нижній  спадають до 1,55 сягнувши 1,87 л/с з 1 км² на річці Калюс.

Для оцінки найбільш несприятливого у забезпеченні водними ресурсами місяця року (сезону), а також сезону по кожному посту вибрані щорічні найменші значення стоку і визначена частка їх присутності у відсотках від усього періоду. Встановлено, що в горах і на рівнині впродовж року лімітним місяцем виступає січень; на рівнині до нього приєднуються грудень, листопад, серпень і липень. Лімітним місяцем теплого періоду у горах і на рівнині є жовтень; на рівнині друге місце за повторюваністю займає серпень.

Мінімальний стік різної забезпеченості визначений за тією ж методикою, що й середній стік, із використанням емпіричних і теоретичних кривих забезпеченості. Оскільки для потреб ВГБ потрібні значення мінімального стоку 95% забезпеченості, досліджені зв’язки його модулів М_95% з площею водозбору (F), його середньою висотою (Н_ср.), абсолютними відмітками врізу русел річок (Н_вр.) та обґрунтовані можливості їх використання для визначення мінімального середньомісячного стоку вегетаційного періоду 95% забезпеченості у гирлах річок.

3. Водоспоживання і водовідведення у досліджуваних басейнах. Відбір сумарного стоку на досліджуваній території коливався у межах 750-700 млн. м³, сягнувши максимуму у 1989-90 роках. Найбільші темпи його падіння спостерігались у 1997 (11,4%) і 1993 (9%) роках, а також у 1998 і 1999 роках – 6,8 і 7,0%. Найбільші відбори сумарного стоку (83,5-88,9%) зосереджені в трьох гірських басейнах (Стрия, Лімниці і Бистриці) та чотирьох рівнинних (Серету, Гнилої Липи, Збруча і Смотрича) – 77-85,1%. Порівняно із 1990, у 2000 році його відбори  в регіонах зменшились на 195 і 234 млн. м³ або в 1,5 та 2,4 раза. Найбільше поверхневого стоку відбирається у гірських басейнах Бистриці, Лімниці і Стрия та Гнилої Липи на рівнині, однак з 1998 року в останньому регіоні його відбір значно скоротився, зокрема, на річках Серет і Збруч у 2,6 і 4,1 рази. У басейні Стрия відбирається 65-70% підземних вод гірського регіону, а разом із Бистрицею Тисменицькою – понад 80%; у басейні Серету – більше половини вод рівнинного регіону. У басейнах Стрия і Бистриці пріоритетну роль у відборі сумарного стоку відіграє житлово-комунальне господарство, у басейні Лімниці – промисловість. У першому басейні пріоритетна галузь базується, в основному, на використанні підземних вод; у двох наступних – поверхневих. На Гнилій Липі у відборі сумарних водних ресурсів домінує промисловість; на Збручі і Смотричі – сільське господарство; на Сереті – житлово-комунальне господарство (з 1995 року) на базі виключно підземних вод. У гірському регіоні абсолютним лідером у відборі сумарного стоку є житлово-комунальна сфера, в якій його коливання за звітний період були найменшими – 2-20%, в той час як у промисловості його об’єми зменшились у 2,5 рази, у сільському господарстві – у 5,3 рази, в інших галузях – у 2,1 рази. На рівнині відбувся перехід від переважаючого відбору сумарного стоку для сільського господарства (75-71%) у 1986-1996 роках до відбору змішаного типу в кінці століття, коли жодна з галузей не змогла перейти поріг 50%. За споживанням свіжої води провідне місце у регіонах займають річки із найбільшими відборами сумарного стоку. До 1995 року розрив у споживанні води між регіонами був у межах 7,3-22,2% на користь першого, але до кінця століття він зріс в 1,8-1,9 рази. Внаслідок економічних причин використання свіжої води в районі скоротилось у 2,2 раза. Максимальні величини безповоротних втрат води характерні для річок із найбільшим її споживанням. У 1995 році безповоротне водоспоживання в обох регіонах було майже співмірним, але з 1998 року його об’єми на рівнині зменшились у 2,1-2,7 разів. Загалом по району його об’єми скоротились із найбільших у 1990 до найменших у 2000 році (227,4 і 148 млн. м³) або у 1,5 раза. Оборотне і повторне використання води на рівнині у різні роки вище гірського  у 2-3,8 рази. У басейні Гнилої Липи його обсяги весь час перевищували 60% від показника на всій території, що пов’язано із роботою Бурштинської ДРЕС. Басейн Лімниці із підприємствами Калуського промислового вузла, в т.ч. й концерном "Оріаною", є лідером у гірському регіоні, в якому, загалом, воно скоротилось у 2,4 раза (1045 і 442 млн. м³). У межах всієї досліджуваної території його обсяги зменшились у 3,5 раза (3137 і 890 млн. м³). За об’ємами водовідведення у своїх регіонах домінують річки із найбільшими відборами сумарного стоку. У першому об’єм скидних вод у кінці століття, порівняно із 1990 роком, зріс на 12,2-7,5%; у другому, навпаки, зменшився у 2,2-2,4 рази, а загалом по території скоротився на 14,5-10,3%. Сьогодні майже повністю забрудненими є всі скидні води, що поступають у Бистрицю; понад 80% - у Стрвяж, понад 75% - у Ворону; на рівнині цілком або майже повністю забруднені скидні води потрапляють у Жванчик, Мукшу, Калюс і Ушицю, більше половини – у Стрипу, близько третини – у Золоту Липу, Коропець і Нічлаву. Понад 90% забруднених вод регіону скидається на очисні споруди Стрия і Бистриці Тисменицької; у рівнинному регіоні протягом 1995-1998 років у Серет, Збруч і Смотрич загалом скидалось 72-74% його забруднених вод. У 1999 році до них приєдналась Гнила Липа, яка стала найбільшим їх приймачем в регіоні (38,9%), а частка чотирьох названих рік зросла до 78%. Ефективно діючі очисні споруди є тільки на Бистриці Тисменицькій і Стрию, де забруднені води очищаються на 99 і 90%; на Лімниці і Свічі їх потужності використовуються наполовину і менше, а на Стрв’яжі, Вороні, Лукві і Бистриці вони не діють. Серед рівнинних річок найвища їх ефективність на Сереті (понад 60%), Збручі і Смотричі (36-47 і 34-36%), Золотій Липі і Стрипі (14-14,9%), на інших ріках менша 10%, а на Жванчику, Мукші і Калюсі – нульова. Потужності очисних споруд на рівнинних водозборах в кінці століття у 4 рази менші ніж на гірських (94,5 і 402 млн. м³). У межах кожного регіону, як і всієї території загалом, 80% їх у кінці століття зосереджені у житлово-комунальній сфері.

4. Водогосподарські баланси річкових водозборів та їх аналіз.

Прибуткова частина ВГБ визначена у двох варіантах (використані найбільші і найменші об’єми скидних вод за звітний період), розбіжність між якими на різних річках сягає 13% у горах і 22% на рівнині; її стік у першому регіоні більший, ніж в другому у 2,1-1,8 разів в розрахункових та 2,3-1,5 разів у реальних роках, а найбільші об’єми в гостропосушливому році мають Стрий (1126 млн. м³) та Серет (393 млн. м³). Норма стоку у гирлах річок визначена через відношення площ вивченої і невивченої частин водозбору із поправкою на їх різницю. Частка скидних вод, другого елемента прибуткової частини ВГБ, найбільша на Бистриці Тисменицькій, Стрию, Бистриці, Вороні та Гнилій Липі, Сереті, Смотричі і Свіржі.

Видаткова частина ВГБ представлена найбільшими і найменшими відборами поверхневого та підземного стоку за звітний період, потребами води для поповнення ставків і водосховищ та санітарними об’єми води. В якості останніх прийняті багаторічні мінімальні середньомісячні об’єми 95% забезпеченості за вегетаційний   період, які у гирлах рік визначені за зв’язками М_95% = f(F); f(Н_вр.); f(Н_ср.) та за гідрологічною аналогією. Рівнинні річки загалом, порівняно із гірськими, внаслідок більшої частки підземного живлення, мають більші запаси (в 1,4 раза) мінімального розрахункового стоку, в той час як аналогічні значення середнього стоку на них менші в 1,8 раза. Водні ресурси видаткової частини ВГБ рівнинних рік в обох варіантах розрахунку у різних за водністю роках більші, ніж на гірських, в 1,06-1,18 разів,  що вказує на практично однакові обсяги їх видатків. У 2000 році, порівняно із 1990, загалом у горах вони зменшилися на 13,7%, на рівнині – на 18,4%, хоча на окремих гірських ріках скорочення сягнуло 26%, а на рівнинних – понад 30%.

Результуюча частина ВГБ гірських басейнів у першому варіанті розрахунку дещо менша, ніж в другому; на рівнині різниця між ними більш помітна. Її об’єми в горах більші ніж на рівнині в різні за водністю роки у 4-6,9, а в лімітному місяці-у 24,3 рази. В першому регіоні вона набуває від’ємних значень тільки у лімітному місяці на Лімниці, Бистриці і Вороні; у другому­ – в гостропосушливому році на Нічлаві й Ушиці та реальному 1990 – на Гнилій Липі, Жванчику і Ушиці, загалом не погіршуючи санітарних умов. У лімітному місяці останні порушені на шести річках регіону, на чотирьох з яких дефіцит води перевищує 30%, а на Гнилій Липі – 67,3% від обсягів їх прибуткових частин. Екологічні об’єми визначені із розрахунку 20-кратного розведення забруднених вод свіжою водою, потреби в якій покриваються за рахунок результуючої частини ВГБ. При відновленні скидів забруднених вод на рівні максимальних (перший варіант) виникнуть екологічні дефіцити на Бистриці, Лімниці, Вороні, Бистриці Тисменицькій та більшості рівнинних рік. Загалом, їх величини в першому регіоні, порівняно із рівнинним, більші в розрахункових роках у 6,2-4,0, реальному 1990 – 20,6, лімітному місяці – у 4,6 разів внаслідок більших скидів забруднених вод. У другому варіанті розрахунку їх значення набагато менші – у 96-24 разів і виникають тільки на деяких рівнинних ріках у посушливих роках.

Надлишки води зі всієї території можуть перекрити суму екологічних дефіцитів на ній лише у маловодному році, в інших роках це неможливо; у лімітному місяці – тільки на гірських ріках, на рівнині ж, де дефіцит перевищує  надлишок у 2,6 разів, ця умова не виконується. Виправити становище можна залученням додаткових водних ресурсів з-за меж території, істотним зменшенням скидів забруднених вод та збільшенням об’ємів їх очистки на очисних спорудах.

 

ВИСНОВКИ

1. Теоретичною базою для розрахунку ВГБ річкових водозборів слугував басейновий підхід та принцип підтримуваного розвитку територій, що є важливим для вирішення конструктивно-географічних проблем Карпато-Подільського регіону.

2. Дослідження показало зростання норм побутового і природного стоку, а також його величин у роки різної водності на більшості гірських та майже на всіх рівнинних річках протягом 1965-1981 та 1996 -2000 років. Його причинами є природні (циклічні коливання водності), антропогенні (вплив агротехнічних заходів й інших видів господарської діяльності на процеси стоку) та методичні (подовження стокових рядів і більш обґрунтований вибір річок-аналогів) чинники. На основі уточнених значень середнього і мінімального стоку запропоноване  районування досліджуваної території. 

3. Визначені динаміка та основні тенденції змін основних елементів прибуткової, видаткової і результуючої частин ВГБ за розрахунковий період. Встановлено, що сьогодні понад 80% сумарного стоку своїх  регіонів відбирається у басейнах Стрия, Лімниці, Бистриці та  Серету, Гнилої Липи, Збруча і Смотрича. Для цих басейнів характерні і найбільші обсяги використання свіжої води, величин безповоротних втрат та водовідведення. Лише за об’ємами оборотного водокористування далеко попереду басейн Гнилої Липи, в якому воно складає 90% від показника свого регіону або 60% від усієї території. 

4. Екологічний стік визначений із розрахунку 20-кратного розведення забруднених вод свіжою водою, потреби в якій покриваються за рахунок результуючої частини ВГБ. Зазначена кратність прийнята згідно рекомендацій М.Коронкевича (1990) для неочищених господарсько-побутових вод, оскільки у межах досліджуваної території близько 80% всіх забруднених вод потрапляють у річки в результаті роботи житлово-комунальної сфери. Розрахунки виявили можливість утворення екологічних дефіцитів води на річках території при відновленні скидів забруднених вод на рівні максимальних.

5. Проведене дослідження дозволило обґрунтувати систему водоохоронних заходів у басейнах карпатських і подільських допливів Дністра з метою оптимізації проблем водокористування. Головними  структурними її елементами повинні стати:

·        покращення ефективності роботи існуючих очисних споруд на більшості досліджуваних річок шляхом усунення перешкод технологічного та економічного характеру;

·        будівництво нових (басейни Свіржа, Жванчика, Ушиці) або реконструкція старих очисних споруд (басейни Бистриці, Ворони, Гнилої Липи, Мукші, Калюса), де існує загроза погіршення екологічних умов у посушливих роках;

·        реалізація системи грунто- і водоохоронних заходів у басейнах з інтенсивним землеробським (річки Смотрич, Серет, Ушиця, Золота Липа, Стрипа, Збруч), гірничо-промисловим (Бистриця, Лімниця, Ворона, Гнила Липа, Коропець, Стрипа, Нічлава, Смотрич, Калюс), житлово-комунальним (Стрий, Серет, Ушиця, Збруч, Золота Липа, Жванчик) та іншими навантаженнями  через дотримання науково-обгрунтованих норм добрив і пестицидів; впровадження замкнутих систем водопостачання, водопроводів із роздільною подачею питної і технічної води, нормованого водокористування; проведення оптимізаційно-господарських робіт у річищах річок тощо;

·        економічна оцінка ліквідації наслідків можливого виникнення екологічних дефіцитів води зацікавленими органами і структурами у межах досліджуваної території.