Принципы оптимизации качества воды водоема-охладителя Березовской ГРЭС-1 для технологических целей и аквакультуры

 
Министерство образования и науки  
Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О.Г. Морозова, Р.З. Пен, Ю.П. Фоменко 
 
 
 
 
ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА ВОДЫ 
ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ БЕРЕЗОВСКОЙ ГРЭС-1 
ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ  
И АКВАКУЛЬТУРЫ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 556.557:621.311.21 
ББК 26.22+31.3 
М 80 
 
 
 
Рецензенты: чл.-кор. СО РАН В.В. Шайдуров 
 
 
 
 
     д-р. хим. наук, проф. П.В. Миронов 
  
      
 
М 80  
Морозова, О.Г. 
Принципы оптимизации качества воды водоема- охладителя Березовской ГРЭС-1 для технологических целей и аквакультуры: монография / О.Г. Морозова, Р.З. Пен, Ю.П. Фоменко. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. – 185 с. 
ISBN  978–5–7638–2235–9  
 
В монографии представлены результаты исследования экосистемы водоема-охладителя Березовской ГРЭС-1 с периода его заполнения. Произведена обработка массива данных методами математической статистики с выделением факторов формирования качества 
воды, что, несомненно, является ценным материалом для исследователей, работающих в области прикладной экологии.  
Предназначена для студентов, аспирантов, научных сотрудников, инженерно-технических работников энергетики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 556.557:621.311.21 
 
 
 
 
 
ББК 26.22+31.3 
 

ISBN  978–5–7638–2235–9    
© Сибирский федеральный  
 
 
 
 
 
            университет, 2011 
 
 
 
 
 
     
© О.Г. Морозова, Р.З. Пен,  
 
 
 
 
 
            Ю.П. Фоменко, 2011 
 

Введение 
 
Рост численности населения планеты и возрастающие потребности в благах цивилизации   приводят к интенсификации разработок и использования 
природных ресурсов, ужесточению эксплуатации природных экосистем, в том 
числе и водных ресурсов. Проблема сохранения качества природных вод осложняется тем, что резко возрастает количество промышленных и бытовых отходов, которые традиционно сбрасываются без достаточной очистки в водотоки. По масштабам отрицательных последствий загрязнения гидросферы в наиболее тяжелом состоянии находятся реки; именно на них осуществляется основная антропогенная нагрузка. Достаточно сказать, что в конце ХХ века в мире расходовался объем пресной воды, соответствующий 40 % ресурсов речного 
стока. 
Снижение качества природных вод связано с ростом масштабов применения воды как теплоносителя, среды и сырья в технологических процессах, развитием водного транспорта, увеличением водопотребления на хозяйственнобытовые нужды. Вода после ее использования возвращается в окружающую 
среду со следами «воздействия» в виде изменения химического состава, температуры, механического и биологического загрязнения. Вода многих рек многократно «прокручивается» через различные объекты водопользования. Сохранение и рациональное использование воды, восстановление водных ресурсов является одной из важнейших проблем современности. 
Водный фактор играет решающую роль при размещении новых производственных мощностей, в нормальном функционировании практически всех 
видов производств, в том числе предприятий теплоэнергетики. При существующих способах подготовки ложа водохранилищ возникают серьезные проблемы  в водотоках нижнего бьефа; происходит  эвтрофирование, ухудшение 
санитарно-бактериологической обстановки. Отепление воды в водоемахохладителях приводит к ухудшению характеристик качества воды. Подобная 
ситуация наблюдается на водоемах-охладителях  Дальнего Востока, Сибири, 
Европейской части России, Украины. Таким образом, проблема качества воды 
водоемов-охладителей требует технического решения, обеспечивающего экономически эффективное производство энергии. 
В современных экономических условиях проблемы рационального использования местных водных ресурсов приобретают особую актуальность. Для 
решения этих проблем и преодоления отрицательных экологических последствий антропогенного воздействия на водные экосистемы  необходима разработка научно обоснованного комплексного подхода к оценке экологического состояния экосистем водоемов-охладителей. Это позволит решить вопросы оптимизации качества охлаждающей воды для атомных и теплоэлектростанций.  

Цель настоящих исследований заключалась в оценке состояния экосистемы водоемов-охладителей под влиянием изменяющихся антропогенных факторов для обеспечения экономической эффективности производства энергии. В 
монографии изложены методологические основы интегральной экологической 
характеристики, позволяющей реально оценить экологическое состояние экосистемы водоемов-охладителей на основе мониторинга качества воды. Произведена количественная оценка изменения параметров стока из водоема от поступления аллохтонных и автохтонных биогенных веществ для обеспечения 
необходимого качества охлаждающей воды. Это важно для разработки научно 
обоснованных практических рекомендаций по мероприятиям, обеспечивающим 
оптимальное функционирование природно-техногенной экосистемы водоемаохладителя для экономически эффективной работы ГРЭС. 
Экспедиционные исследования качества воды водотоков, формирующих 
будущий водоем-охладитель Березовской ГРЭС-1, проводились  с 1983 г. Мониторинг качества воды водоема-охладителя начат с момента его заполнения  в 
1986 г. Массив данных, полученный по проведенным наблюдениям,  был обработан методами математической статистики. В результате анализа выявлены 
факторы эвтрофикации водоема-охладителя и оценен количественный вклад 
этих факторов, обуславливающий негативные экологические изменения в водной экосистеме. В дальнейшем установлены зависимости между показателями 
качества воды с количественной оценкой изменения параметров стока от поступлений аллохтонных и автохтонных биогенных соединений в водоем.  
По результатам исследований, проведенным до 2003 г. с помощью анализа связей между  параметрами качества воды на входе и стоке из водоема был 
оценен количественный вклад изменений в суммарный эффект формирования 
качества воды за длительный отрезок времени, что важно для прогноза экологического состояния водоема-охладителя и реализации экономически эффективных сценариев водопользования ГРЭС.  
В целях оптимизации качества воды водоемов-охладителей предложена и 
реализована в 2000–2002 гг. на водоеме-охладителе Березовской ГРЭС-1 концепция мониторинга;  введен новый критерий оценки экологического состояния водоемов-охладителей путем установления интегральной экологической 
характеристики. Введенная интегральная экологическая характеристика, оценивая реальное состояние экосистемы, позволяет осуществлять  действенные 
мероприятия по обеспечению необходимого качества охлаждающей воды. 
Эвтрофирование – одна из важнейших экологических проблем современности, – влечет за собой экономический ущерб техническому водоснабжению 
теплоэлектростанций, создает ситуацию экологического риска для водных сообществ, здоровья населения. Решение проблемы обеспечения теплоэлектростанции охлаждающей водой требуемого качества и обеспечение гидроэкологической безопасности территории осуществляется путем реализации мониторинга, в рамках которого произведено выявление факторов формирования ка

чества воды при обработке полученных данных методами математической статистики, что выступает научной основой для прогноза качества воды.  
Разработаны и внедрены рекомендации по снижению темпов эвтрофирования и улучшению качества воды на участках акватории водоема-охладителя 
БГРЭС-1, испытывающих пиковые антропогенные нагрузки. 
Полученные данные по качеству воды применены для проведения водомелиоративных работ для повышения эффективности охлаждения воды, предотвращения резкого изменения термических условий для существования гидробионтов в районе сбросного канала и верхней части водоема-охладителя Березовской ГРЭС-1. Осуществление мероприятий по удалению участков заиления в районе устья сбросного канала, и углублению прибрежной акватории в 
верховьях повысило экономическую эффективность работы теплоэлектростанции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 
 
ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ 
КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДОХРАНИЛИЩ 
 
 
1.1. Характеристика водоема 
 
Водоем-охладитель Березовской ГРЭС-1 (далее – БГРЭС-1) сооружен в 
1986 г. зарегулированием стока р. Береш, принадлежащей бассейну Верхнего 
Чулыма, в районе впадения в нее рек Базыр и Кадат. Характер регулирования 
стока водоема сезонный; в  маловодные годы водообмен осуществляется один 
раз в год.  
Установленная мощность БГРЭС-1 6400 тыс. кВт, мощность действующих в настоящее время энергоблоков 1600 тыс. кВт. Расчетный расход охлаждающей воды составляет 73 000 м3/ч. Принята оборотная система технического 
водоснабжения с охлаждением воды в водоеме-охладителе. 
Морфометрические характеристики водоема-охладителя: площадь зеркала при нормальном подпорном уровне (НПУ) – 33,37 км2; объем – 193,0 млн м3; 
средняя глубина водоема – 5,79 м, максимальная – до 15 м. Особенностью морфометрического строения водоема является наличие мелководий в верховьях с 
глубиной не более трех метров, занимающих больше половины площади зеркала водоема (около 19 км2). Небольшие глубины создают благоприятные условия для существования и сохранения биофонда «цветения». 
Еще на стадии проектирования водоема-охладителя БГРЭС-1 были допущены просчеты, которые способствовали возникновению ситуации экологического риска для экосистемы водного объекта В ложе водоема затоплено месторождение торфа объемом  30,7 млн м3. Сразу после заполнения водохранилища поверхность его акватории покрылась всплывшими торфяными островами; скопление торфа в галереях водозабора станции изменяло гидравлический 
режим работы водозаборных сооружений. Мелкие фракции торфа, проникая 
через решетки, забивали вращающиеся сетки. Таким образом, предусмотренные способы очистки воды в данной ситуации были неэффективными, поэтому 
в 1993 г. на водоеме-охладителе была сооружена дамба, отсекающая западный 
участок, занятый наиболее мощными залежами торфа. 
 В районе верхнего бьефа водоема расположены многие источники загрязнения: в р. Кадат поступают стоки коммунальных очистных сооружений г. 
Шарыпово. Территория междуречья Береша и Базыра занята картами золоотвалов. Преимущественное ветровое направление, естественное течение и циркуляционный поток охлаждающей воды приводят к скоплению в районе правобе

режья, где находятся водозабор ГРЭС, всех  загрязнений, генерированных в водоеме-охладителе и поступающих с реками.  
Таким образом, уже в первоначальный период заполнения такие факторы, 
как  географическое положение, обеспечивающее длительный период прогревания воды выше 20 ○С, гидрометеорологические условия, особенности морфометрического строения, поступление органических и биогенных соединений 
с речным стоком и из затопленного торфа в водоем с замедленным водообменом способствовали развитию процессов эвтрофирования водоема. 
 
1.2.  Программа мониторинга 
 
 
Организация натурных наблюдений на водоеме-охладителе БГРЭС-1     
была осуществлена  в соответствии с рекомендациями, принятыми в сети Госкомгидромета по контролю за качеством поверхностных вод. В их основе лежат 
принципы комплексности и систематичности наблюдений, согласованности 
сроков их проведения с характерными гидрологическими фазами, определения 
показателей качества воды едиными стандартными методиками, обеспечивающими требуемую точность определения, качество и надежность информации. 
Программа контроля качества воды включала определение гидрофизических, 
гидрохимических, гидробиологических, санитарно-гигиенических показателей; 
периодичность проведения контроля и выполнения анализа проб воды. Важнейшей частью исследований выступает процедура отбора проб воды, которая 
обеспечивает выполнение условий достаточности и репрезентативности результатов контроля.  
Смешанные пробы воды, усредненные во времени, отбирали батометром 
Молчанова; пробы донных отложений – дночерпателем Петерсена. Отбор проб 
воды на водоеме-охладителе производился  в характерные гидрологические фазы. В зимний период пробы отбирались из-подо льда, в начале февраля, при 
наибольшей толщине льда. Продолжительность ледового режима на водохранилище составляет от 5 до 6 месяцев, толщина льда колеблется от 0,7 м и более, 
в холодные зимы достигает 1,4 м. В весенний период пробы отбирались в конце 
мая – начале июня, в начале весеннего наполнения водоема. В летний период 
пробы воды отбирались несколько раз, в том числе в период максимального 
подъема воды. В осенний период – перед ледоставом при наиболее низком 
уровне воды.   
 
На водоеме-охладителе БГРЭС-1 в створе в верховьях и в центральной 
части установлено три вертикали, а в нижней части водоема – две вертикали. 
Число горизонтов на вертикали выбиралось в соответствии с глубиной водоема, 
в центральной глубоководной части водоема (контрольная точка 6) составило 
три, а в остальных контрольных точках – два горизонта: поверхностный и придонный.  
 
Контрольные точки 1, 2 и 3 (рис.1.1)  расставлены на первом створе, в 
верхней части акватории водоема, в левобережье, середине и правобережье, в 

районе устьев рек Базыр, Берешь, Кадат  соответственно. По результатам анализов проб воды в этих точках можно судить о качественном и количественном 
составе загрязняющих  веществ, поступающих в водоем с речным стоком. 
 

 
 
Рис. 1.1. Схема расположения точек отбора проб  
на водоеме-охладителе  
 
На втором створе, в центральной части водоема и  его правобережье, район  устья сбросного канала контролируется точкой 4.  Точка отбора 5 контролирует  район основного торфяного месторождения, расположенного в  левобережье. Точка 6 расположена в середине центральной части, она характеризует 
качество воды в  самой глубоководной центральной части водоема Здесь происходит усреднение качества воды, поступающей из рек Кадат, Берешь, Базыр.  
На третьем створе в нижней части точка 7 контролирует качество воды в 
правобережной части водоема, в районе водозаборного канала теплоэлектростанции. Точка 8 характеризует качество воды в приплотинной части водохранилища; здесь происходит аккумуляция всех загрязнений, как аллохтонного так 
и автохтонного происхождения. Контроль качества воды в нижнем бьефе водоема-охладителя осуществляется в точке 9,  расположенной в 500 м от водосбросной плотины водоема-охладителя.  
 
Пробы воды помещали в стеклянные или полиэтиленовые бутыли, пробы 
донных отложений – в стеклянные банки с полиэтиленовыми крышками, подготовленные в соответствии с требованиями (ГОСТ 17.1.5. 04-81). Анализ, хранение и консервация проб воды и донных отложений производились в соответствии  с требованиями (ГОСТ 17.1.5. 04-81). Отбор и анализ проб проводили в 
соответствии с требованиями безопасности при проведении работ на водоеме. 
Таким образом, контроль параметров воды в этих точках позволяет оценить на качественном и количественном уровнях поступление загрязняющих 

веществ  в водоем с поверхностным стоком, получить статистический ряд данных  по показателям качества воды для изучения процессов накопления загрязняющих веществ в воде и в донных отложениях, а также оценить степень эвтрофирования водоем и, установить главные закономерности процессов самоочищения. 
 
1.3. Контролируемые параметры 
 
В таблицах 1.1 и 1.2 приведены порядковые номера наблюдений (отбора 
проб). Эти номера использованы в дальнейшем в качестве абсцисс для обозначения точек на графиках, отражающих сезонные колебания и многолетний 
тренд показателей. 
 
 
Таблица 1.1 
Номера наблюдений с периодичностью 2 месяца (6 наблюдений в год) 
 
Годы 
 
Месяцы 

II 
IV 
VI 
VIII
X 
XII 

1987 
1988 
1989 
1990 
1991 
1992 
1993 
1994 
1995 
1996 

1 
7 
13 
19 
25 
31 
37 
43 
49 
55 

2 
8 
14 
20 
26 
32 
38 
44 
50 
56 

3 
9 
15 
21 
27 
33 
39 
45 
51 
57 

4 
10 
16 
22 
28 
34 
40 
46 
52 
58 

5 
11 
17 
23 
29 
35 
41 
47 
53 
– 

6 
12 
16 
24 
30 
36 
42 
48 
54 
– 

 
 
 
 
Таблица 1.2 
Номера наблюдений с периодичностью 3 месяца (4 наблюдения в год) 
 
Годы 
 
Месяцы 

III 
VI 
IX 
XII 

1987 
1988 
1989 
1990 
1991 
1992 
1993 
1994 
1995 

1 
5 
9 
13 
17 
21 
25 
29 
33 

2 
6 
10 
14 
18 
22 
26 
30 
34 

3 
7 
11 
15 
19 
23 
27 
31 
35 

4 
8 
12 
16 
20 
24 
28 
32 
36 

Анализ проб воды на основные гидрохимические показатели, такие как  
температура, цветность, прозрачность, рН, содержание растворенных газов (кислорода, диоксида углерода, сероводорода), растворенного органического вещества (по показателям ХПК и перманганатной окисляемости), главных ионов, 
биогенных соединений (нитратов, нитритов, аммонийного азота, фосфатов, железа), фенолов, нефтепродуктов, СПАВ, тяжелых металлов (цинка, меди, марганца) был произведен по стандартным  методикам.  
 
В донных отложениях контролировали содержание биогенных элементов 
и тяжелых металлов. Анализ проб воды на гидробиологические показатели: 
БПК5, видовой состав и численность фитопланктона, численность бактериопланктона, продукционно-деструкционные характеристики, высшую водную 
растительность – выполняли по принятым в системе УГМС методикам.  
По показателям (в скобках приведены сокращения, примененные на компьютерных распечатках таблиц и рисунков): температура (T), прозрачность (S), 
рН (РH), цветность (COL), концентрация растворенного кислорода (O2), окисляемость по перманганатному (PO) и бихроматному (HPK) методам, концентрации нитритов (NO2), нитратов (NO3), аммонийного азота (NH4), общего 
азота (N), фосфатов (PO4) и ионов железа (FE) –  объем выборки равен 58 с периодичностью 6 случаев в год (с февраля 1987 г. по август 1996 г. с интервалом 
2 месяца). 
По  концентрации нефтепродуктов (NPR), фенолов (FEN), ионов меди 
(CU), цинка (ZN)  и марганца (MN) объем выборки 36 с периодичностью 4 случая в год с интервалом 3 месяца). 
 
1.4. Методы математической обработки 
 
1.4.1. Построение изолиний свойств 
 
Характер изменения наблюдаемых параметров по акватории был представлен  в виде изолиний (линий равного уровня) величины параметров. С этой 
целью на графическое изображение водоема наложили равномерную прямоугольную координатную сетку. Расположение на этой сетке каждой из восьми 
точек, в которых производились наблюдения, задавали их декартовыми координатами ABS и ORD. Эти координаты в дальнейшем выступали в качестве независимых переменных.  
Зависимости выходных параметров (наблюдаемых свойств) от значений 
ABS  и ORD аппроксимировали кубическими сплайнами.  
Полученные таким путем поверхности отклика рассекали горизонтальными плоскостями, в результате чего получали графическое изображение изолиний свойств.