https://doi.org/10.15407/conf_UHMI_CGO_2024.009
Вступ. У формуванні екологічного стану та якості води Київської ділянки Канівського водосховища значну роль відіграють внутрішньодобові коливання рівня, зумовлені нерівномірним режимом попусків Київської ГЕС. Більшу частину року ця станція, як і інші ГЕС Дніпровського каскаду, працює на покриття пікових навантажень в енергосистемі країни та здійснює один або два попуски протягом доби. Це призводить до формування в її нижньому б’єфі прямих довгих хвиль, котрі переміщуються вниз за течією і поступово трансформуються [1]. Правилами експлуатації дніпровських водосховищ [2] амплітуда коливання рівня обмежена величиною 0,8 м (біля мосту Метро).
Такий режим коливання рівня води на Київській ділянці Канівського водосховища обумовлює водообмін між основною акваторією водосховища і придатковою мережею (затоками, протоками, озерами). При підвищенні рівня дніпровська вода надходить до елементів придаткової мережі, а на спаді – повертається назад. За цей час значна її частина встигає перемішатися з водою придаткової мережі, яка має свої фізико-хімічні та гідробіологічні показники.
Матеріал і методи дослідження. Оцінку водообміну, обумовленого попусками Київської ГЕС, виконано на прикладі озер острова Галерний у м. Києві. Територія острова Галерний і розташовані на ній водойми зазнавали значних трансформацій протягом свого існування. Близька до сучасної конфігурація водних об’єктів острова і прилеглої Галерної затоки сформувалася в 60-70-х рр. минулого століття. На сьогодні о. Галерний є частиною правобережної заплави Дніпра (Канівського водосховища), а розташовані на ньому водойми відносяться до заплавного типу (рис.). Характерною їх особливістю є зв'язок між собою і з Галерною затокою через систему водопропускних споруд.
Рис. 1. Схема розташування водойм острова Галерний і Галерної затоки
Дослідження проводили у серпні – вересні 2023 р. в складі комплексної гідроекологічної характеристики водойм о.Галерний, що виконувалась на замовлення ТОВ «Екоберег ЛТД». Основними об’єктами досліджень були озера Миколайчик і Єрик. Встановлено високий ступінь евтрофікації цих водойм, а на окремих їх ділянках відбуваються процеси заболочування. Це обумовлено надмірним заростанням водяною рослинністю, недостатнім зовнішнім і внутрішнім водообміном, надходженням забруднених вод з трьох колекторів в оз.Миколайчик. Визначення обсягів водообміну виконували розрахунковими методами. Також проводили натурні вимірювання витрат води через водопропускні споруди.
Результати досліджень. Для оцінки водообміну між Дніпром і водоймами о. Галерний, обумовленого попусками Київської ГЕС, необхідно було визначити параметри коливань рівня води в Галерній затоці. Оскільки спеціальних спостережень за режимом рівнів тут не проводиться, застосовано розрахунковий метод. Згідно методики, розробленої нами раніше [1], відношення між амплітудою внутрішньодобових коливань в будь-якому створі річкової ділянки Канівського водосховища (AL) і в нижньому б’єфі Київської ГЕС (АГЕС) має вигляд:
AL = AГЕС . e-0,03L, (1)
де L – відстань (в км) по судновому ходу від ГЕС до даного створу; е – основа натурального логарифму.
Оскільки вхідна протока до Галерної затоки розташована на відстані 28,8 км від Київської ГЕС, то згідно рівняння (1) амплітуда внутрішньодобових коливань в затоці складає 0,42 від амплітуди в нижньому б’єфі Київської ГЕС.
Статистичний аналіз даних щодо коливань рівня води при попусках Київської ГЕС у вегетаційний період за останні десятиліття показав, що в нижньому б’єфі ГЕС середня величина підйому рівня води за один попуск складає 0,54 м. Найбільша (допустима у зв’язку з обмеженням коливань рівня у м. Києві величиною 0,8 м) амплітуда коливань тут дорівнює 1,25 м, найменша – 0,18 м. Отже, в затоці Галерній середня величина підйому рівня води при проходженні попускової хвилі складає: 0,42 · 0,54 м = 0,23 м.
Якщо припустити, що пропускної здатності водопропускних споруд о.Галерний достатньо для повного заповнення водойм до максимального під час попуска рівня, можна розрахувати параметри зовнішнього водообміну. При підвищенні рівня води на 23 см об’єм води в оз.Миколайчик збільшується на 25 тис.м3, в північній частині оз.Єрик – на 2,7 тис.м3, в основній частині оз.Єрик – на 8 тис.м3, що в сумі складає 35,7 тис.м3. З урахуванням загального об’єму води у цих водоймах коефіцієнт зовнішнього водообміну (відношення об’єму, що надійшов, до загального об’єму) складає для Миколайчика – 0,2, для північної частини Єрика – 0,75, для оз.Єрик – 0,11. Період водообміну (обернена до коефіцієнта водообміну величина, яка показує протягом якого періоду вода у водоймі повністю оновлюється) відповідно складає 4,9; 1,3 і 9,1 доби. При розрахунках параметрів водообміну у Миколайчику і північній частині оз. Єрик об’єм, що надійшов, визначався як інтегральний, оскільки вода, яка проходить транзитом далі по системі, включається у водообмін даної водойми. В оз. Миколайчик цей об’єм становив 35,7 тис.м3, в північній частині оз. Єрик – 10,7 тис.м3. В оз. Єрик як останньому в системі у водообміні бере участь тільки об’єм його наповнення – 8 тис.м3.
Отримані показники вказують на досить високий ступінь водообміну водойм о.Галерний, а в північній частині оз.Єрик, де вода може оновлюватися лише за 1,3 доби за рахунок значного транзиту до основної частини Єрика, водообмін дуже інтенсивний. Але розраховані величини є потенційно можливими при середніх попусках Київської ГЕС. На реальну величину водообміну впливають режим роботи ГЕС і пропускна здатність водопропускних споруд.
В останні роки Київська ГЕС, як і інші електростанції каскаду, працює переважно в однопіковому режимі, коли протягом дня подаються незначні витрати води, а у вечірній час здійснюється короткочасний більш потужний попуск. Загальна тривалість такого попуску може складати 10-12 год, але максимальні рівні будуть спостерігатися протягом короткого проміжку часу (2-3 год), коли ГЕС працює на максимальній потужності.
Для оцінки пропускної здатності водопропускних споруд о.Галерний були проведені гідравлічні розрахунки. Всі споруди являють собою горизонтальні труби різного діаметру. Їхні розміри і висотне розташування дозволяють їм працювати протягом літньо-осіннього періоду в безнапірному режимі. Для такого типу споруд витрата води може бути визначена за формулою:
(2)
де Н – напір води перед трубою; hкр – критична глибина в трубі; w – площа водного перерізу, що відповідає критичній глибині; φ – коефіцієнт швидкості, дорівнює 0,9; g – прискорення вільного падіння.
При розрахунковій зміні рівня води (23 см) витрати в двох трубах першої споруди (між оз. Миколайчик і зат. Галерною) складають по 0,46 м3/с, сумарно 0,92 м3/с, в трубі між оз. Миколайчик і північною частиною оз. Єрик – 0,58 м3/с, в трубі між північною і основною частинами оз. Єрик – 0,19 м3/с. При таких витратах для наповнення чи спрацювання необхідного об’єму води (до вирівнювання рівнів у затоці і у водоймах) для першої споруди потрібно 10 год 47 хв, для другої – 5 год 7 хв, для третьої – 11 год 42 хв. Але по мірі наповнення (спрацювання) рівень у водоймах буде наближатися до рівня затоки, відповідно витрати води, які залежать від різниці рівнів, будуть зменшуватися. Розрахунки витрат в першій споруді при різних рівнях в оз. Миколайчик показали, що при підвищенні рівня на 10 см (різниця рівнів зменшується до 13 см) витрата одної труби складе 0,39 м3/с, при підвищенні на 15 см (різниця рівнів – 8 см) витрата буде 0,32 м3/с, на 20 см (різниця 3 см) – 0,20 м3/с.
Отже, навіть при максимальних витратах, які можуть спостерігатися при максимальній різниці рівнів, час, необхідний для заповнення водойм, в 2-3 рази перевищує період, протягом якого підтримуються максимальні рівні в затоці під час попусків Київської ГЕС. З урахуванням зменшення витрат по мірі наповнення водойм, цей час збільшується орієнтовно в 1,5 рази. Це свідчить про недостатню пропускну здатність існуючих водопропускних споруд для забезпечення оптимального водообміну. Реальний водообмін має значно меншу (орієнтовно в 2-3 рази) інтенсивність. Це підтверджується і натурними дослідженнями – виміряна витрата води в першій споруді складала лише 0,135 м3/с, а в другій і третій стік був близький до нуля.
При оцінці впливу зовнішнього водообміну на гідрохімічні і гідробіологічні характеристики слід враховувати, що лише частина води, яка надходить у водойму при коливаннях рівня перемішується з водою, яка є у водоймі. У випадку водойм о.Галерний це обумовлено коротким часом, протягом якого відбувається водообмін, знакоперемінним характером водообміну (вода надходить і повертається через одні й ті ж споруди) і слабкою внутрішньою динамікою водойм.
Помітні стокові течії спостерігаються тільки безпосередньо біля водопропускних споруд. Виміри швидкостей течії на станціях спостережень в акваторії водойм показали, що їх величини близькі до нуля. При напрямках вітру, що збігаються з поздовжньою віссю водойм, в них можуть формуватися поверхневі вітрові течії швидкістю кілька см/с, але вони не мають вирішального впливу на процеси перемішування води. Крім того, вони обмежуються густим килимом плаваючої на поверхні рослинності, який був зафіксований під час досліджень. Вітрове хвилювання обмежене невеликими розмірами водойм і захистом від вітру деревною рослинністю, що росте на берегах. В таких умовах значна частина води, що надходить у оз. Миколайчик при попусках Київської ГЕС, залишається в південній частині водойми і повертається назад в Галерну затоку при зниженні рівня води.
Висновки. Зовнішній водообмін заплавних водойм м. Києва, які мають гідравлічний зв'язок з Київською ділянкою Канівського водосховища, в значній мірі визначається попусками Київської ГЕС. У водоймах острова Галерний він обмежується розмірами і станом водопропускних споруд. Для поліпшення стану екосистем водойм о. Галерний і якості води в них доцільно провести низку заходів, спрямованих на посилення водообміну, зменшення забруднення, обмеження процесів евтрофікації і заболочування. Перш за все необхідно покращити умови зовнішнього водообміну водойм острова з Галерною затокою. Водопропускні споруди острова знаходяться в незадовільному стані і потребують ремонту та реконструкції. Крім того, оскільки існуючих споруд недостатньо для забезпечення оптимального водообміну, обумовленого попусками Київської ГЕС, бажано розглянути можливість збільшення їх пропускної здатності в 2-3 рази.
Ключові слова: попуски ГЕС, режим рівнів, водообмін, заплавні водойми, водопропускні споруди
Перелік використаних джерел
1. Тимченко В.М., Дубняк С.С. Экологические аспекты водного режима Киевского участка Каневского водохранилища // Гидробиол. журн. – 2000. – 36, №3. – С.57–67.
2. Правила експлуатації водосховищ Дніпровського каскаду // Затверджені наказом Міністерства захисту довкілля та природних ресурсів України № 210 від 27 травня 2022 року.