Водный мир Среднерусской возвышенности

Один из шлюзов на каскаде волжских водохранилищ. Фото Владимира Захарина

Волжско-Камский каскад водохранилищ – одна из крупнейших в мире водохозяйственных систем. По берегам и в бассейне притоков Камы и Волги проживает почти половина населения России! Именно с этим связан статус проекта, который в этом году начал выполнять Институт водных проблем РАН. Проект рассчитан на период 2018–2020 годов. Для выполнения проекта необходимо провести тонкую настройку моделей на объект приложения – 11 водохранилищ самого каскада, а также ряда водохранилищ на притоках Волги и Камы. Основа для работы – оперативные, прогностические и архивные данные гидрометеорологов и две математические модели – ECOMAG и VOLPOW, разработанные участниками рабочей группы. О подводных камнях этой работы, ее особенностях и ожидаемом результате в беседе с Евгенией НОВИКОВОЙ рассказывает ответственный исполнитель проекта начальник информационно-аналитического Центра регистра и кадастра ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева» Сергей БЕДНАРУК.

– Сергей Евстафьевич, расскажите о предыстории этого проекта. Чем была вызвана необходимость его создания?

– В 2000 году мы с Юрием Мотовиловым, ныне ведущим научным сотрудником ИВП РАН, приступили к созданию всеобъемлющей научной расчетной основы управления каскадом водохранилищ. Работы шли в рамках «Программы возрождения Волги». Начали с Волжско-Камского каскада водохранилищ. Но изначально была поставлена весьма амбициозная задача охватить все основные речные бассейны страны. К 2005 году получили первые результаты для бассейна Волги полностью. Они весьма обнадежили. А к 2011 году задача охвата наиболее крупных бассейнов России была в существенной мере решена.

У коллектива исследователей появилась возможность совершить прорыв в технологиях управления Волжско-Камским каскадом и продвинуть теорию и практику регулирования речного стока на несколько шагов вперед.

– Тогда уже существовала модель формирования речного стока ECOMAG Мотовилова плюс ваша модель функционирования водохранилищ каскада VOLPOW?

– Да. Эти основы были сформированы к 2005 году, далее проходило их развитие. Однако в последние 5–6 лет прогресс сильно затормозился по многим как объективным, так и субъективным причинам. До сего момента существует некоторый «разрыв» между двумя нашими моделями. С 2018 года прежний коллектив разработчиков собрался под эгидой ИВП РАН. И появилась возможность сделать прорыв в технологиях.

– Что именно должно усовершенствоваться в модели ECOMAG?

– Совершенствование должно идти в части детализации, охвата не только непосредственного притока воды в водохранилище, но и стока по всей речной сети, по всем водомерным постам. Эта модель должна быть адаптивной, постоянно коррелировать с тем, что фактически происходит на всем водосборе.

На сегодняшний день ее отклонения от фактических отчетных данных по притоку воды в водохранилища относительно небольшие. Но с точки зрения реального практического управления этого уже недостаточно.

Прежде всего нужно иметь в виду, что оперативные данные по притоку воды в водохранилища каскада содержат определенную ошибку, как и данные учета стока на гидроузлах. Эти ошибки необходимо оперативно оценивать, исходные данные – корректировать. Краткосрочные прогнозы погоды Гидрометцентра (ГГМЦ), данные о фактическом состоянии почвы, русловых запасов – все это нужно учитывать. И получаемые по модели  результаты при расчете  с заблаговременностью в три – пять дней должны сходиться с реальной ситуацией практически «в ноль».

– Но, видимо, они не сходятся?

– Модель – это упрощенное отражение действительности, имитирующее лишь интересующую нас часть моделируемого объекта. Наша задача – корректировать параметры так, чтобы модель непрерывно адаптировалась к действительности.

Например, поля осадков. Информация есть по метеостанциям (по отдельным точкам на водосборе), а чтобы получить данные между ними, мы применяем процедуры интерполяции. Отсюда неточности. Если бы мы ввели в модель алгоритмы, позволяющие корректировать поля осадков так, чтобы результаты расчетов максимально приближались к данным наблюдений на водпостах по всей водосборной территории, то качество моделирования существенно улучшилось бы. То же самое нужно делать с полями других факторов формирования стока.

В модели функционирования каскада VOLPOW мы уже давно это делаем. Получая оперативные данные ГГМЦ по расходам притока воды в водохранилища, средним уровням воды по водохранилищам, уровням и расходам воды по гидроузлам, сразу решаем обратную задачу, рассчитывая тот же приток по модели – полезный приток. У нас получаются другие цифры, иногда значительно меньшие. Это объясняется тем, что часть поступающей в водохранилище воды испаряется, часть уходит на безвозвратное потребление и т.п. Оперативные данные по этим статьям водного баланса отсутствуют, методика Росгидромета их не учитывает. К тому же необходимо учесть, что при расчетах притока используются данные по стоку крупных рек, где измеряют расходы воды или уровни, а для учета вклада малых притоков применяют расчетные формулы, не дающие высокой точности.

Таким образом, решая обратную задачу с помощью VOLPOW, мы фактически корректируем входные данные для этой модели за прошедший период. И в дальнейшем учитываем эту корректировку при подготовке входных данных по полезному притоку воды в водохранилища, рассматривая прогноз притока ГГМЦ на следующий расчетный период.

– Для модели VOLPOW вы получаете от Росгидромета одни цифры по притоку воды, от модели ECOMAG – другие. Зачем так много источников расчетов?

Волга в районе Нижнего Новгорода. Фото Владимира Захарина

– В стране официально принята методика Росгидромета для расчета притока воды в водохранилища. Модель ECOMAG пока не является утвержденным стандартом. С ее помощью мы рассчитываем «ансамбль» возможных вариантов притока воды в водохранилища по погодным условиям ряда прошлых лет. И смотрим, какие из результатов попадают в диапазон прогноза объемов притока ГГМЦ. У этого прогноза достаточно большая вилка величин объема притока, у «ансамблевых» оценок разброс этих значений может быть еще большим.

Учитывая фактическое состояние водосбора, запасы снега, погодные условия за прошедший период, мы выбираем из «ансамбля» те два-три сценария, которые по всем параметрам ближе к условиям данной весны. Из этих сценариев компонуем исходные данные по притоку воды в водохранилища для модели функционирования каскада.

Таким образом, используя официальный прогноз объемов притока ГГМЦ на предстоящий период, мы с помощью ECOMAG и некоторых экспертных оценок получаем детальные гидрографы расходов притока, сужая диапазон прогнозного притока до минимума.

Однако есть проблема. Мы официально не получаем всего имеющегося объема оперативных метеоданных, агрометеорологической информации и данных наблюдений на гидропостах. То, что нам удается добыть неофициально, да еще и с временными задержками, представляет собой лишь часть этой информации, надежность которой не является безусловной. Вместе с тем эти данные остро необходимы для «скользящего» прогноза притока воды в водохранилища, чтобы можно было надежно управлять каскадом.

– А почему не получаете оперативных данных по погоде?

– Потому что Росгидромет не предоставляет этой информации бесплатно даже федеральным органам исполнительной власти, да и за разумную плату получить ее в полном объеме сегодня тоже проблематично.

– Как такое возможно, когда оба ведомства работают за счет бюджетных денег?

– В постсоветское время в Гидрометслужбу внедрили «рыночные отношения», объяснив, что на содержание гидрометсети, наблюдающей за погодой, из бюджета выделяется 30% средств. Остальные 70% территориальные управления Росгидромета должны зарабатывать сами. Утвердили узкий перечень гидрометеоинформации, предоставляемой бесплатно, а все остальное – за деньги. Это абсурд, восточный базар, гордо называемый «рынком услуг», прочно укоренившийся в федеральной службе.

И если до 2015 года проблема получения гидрометеоинформации как-то решалась за счет выделения бюджетных средств по линии Росводресурсов, то с 2016 года, насколько я понимаю, денег на эти цели не выделялось. И мы вовсе перестали получать гидрометеорологические данные. Сейчас мы пытаемся как-то договориться на межведомственном уровне и вернуться к практике, которую применяли до 2015 года, правда, опосредованно: за счет средств, выделяемых, например, на наш проект.

– Это правильный подход?

Обозначения на схеме: ГУ – гидроузел; НПУ – нормальный подпорный уровень; УМО – уровень мертвого объема;  Wплн – полный объем; Wплз – полезный объем; Qспс – суммарная пропускная способность Увеличить изображение

– Нет. Но после принятия Водного кодекса в 2006 году у нас водное законодательство попрано начиная с базовых принципов. Так, в этом документе впервые зафиксирован «бассейновый» подход к управлению водными ресурсами страны. Бассейновый округ определен как единица управления – и структура управления должна быть бассейновой.

В первые годы после принятия кодекса пытались выстроить бассейновую структуру управления. Но после смены руководства Росводресурсов в 2009 году все вернулось к так называемому бассейново-территориальному, а по сути – к чисто административному принципу управления по субъектам Федерации, сгруппированным в якобы бассейновые водные управления. И это произошло не потому, что границы не определены: наш коллектив в соответствии с требованиями Водного кодекса выполнил гидрографическое и водохозяйственное районирование территории страны, определил географические границы бассейновых округов, гидрографических единиц и водохозяйственных участков.

Еще одно нарушение законодательства касается Правил использования водохранилищ – основного нормативного документа, регулирующего их работу. После принятия постановления правительства РФ о разработке правил в 2009 году и утверждения методических указаний по их разработке в 2011 году ускоренными темпами было «освоено» около 1,5 миллиарда рублей на создание проектов правил по большинству из 350 водохранилищ из перечня, утвержденного правительством. Из них на сегодняшний день вступили в силу около 20, тогда как к 1 января 2015 года должны были работать все 350.

Проблема не только в волоките по согласованию проектов правил в федеральных органах исполнительной власти. Главная проблема – в недопустимо низком качестве этих документов. По нашим оценкам, более 80% из них не соответствуют основным требованиям методических указаний. Их утверждение лишь обострит проблемы с управлением водохранилищами. Кстати, из правил, вступивших в силу, по существу, около трети не соответствуют требованиям.

Сегодня у нас нет проблем по Камской ветви каскада: по ее трем водохранилищам утверждены новые правила, разработанные нами. По водохранилищам Волжской ветви каскада (за исключением Верхневолжского, по которому работают наши правила) действующими считаются те, что утверждены в 1960–1980-х годах. Попытка их выполнения приведет к плачевным последствиям для экономики и населения региона. По нижневолжским водохранилищам они не могут быть выполнены в полном объеме, поскольку содержат взаимно противоречащие положения. Так, в правилах Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ четко не прописаны режимы ежегодного специального весеннего попуска в низовья Волги для рыбного хозяйства.

Из сложившейся ситуации выходим, используя в расчетах по Верхней Волге (до Горьковского водохранилища включительно) диспетчерские графики из разработанных нами проектов правил. Что касается водохранилищ Нижней Волги, то проекты правил для них не обоснованы никакими расчетами и еще более противоречивы, чем ныне действующие. Поэтому здесь мы вынуждены опираться на свой почти 30-летний опыт ежедневного и непрерывного участия в установлении режимов работы водохранилищ каскада.

– Как организационно происходит управление каскадом?

– Каждый день начинается с получения большого объема данных наблюдений за прошедшие сутки по всему каскаду и бассейну в целом. Разработанный нами ГИС-портал по водным ресурсам и водному хозяйству бассейнов рек России незамедлительно принимает, архивирует и визуализирует получаемую гидрологическую информацию со всех гидропостов и метеостанций страны, а также ряда постов сопредельных государств. Мы рассматриваем и анализируем изменения режимов работы водохранилищ каскада и гидрологической обстановки на водосборе.

С использованием моделей ECOMAG и VOLPOW выполняем полный комплекс гидрологических и водохозяйственных расчетов: в период весеннего половодья каждые пять дней, в остальное время – ежедекадно, а при существенном изменении гидрометеорологической и водохозяйственной обстановки – чаще. В результате получаем режимы работы гидроузлов на предстоящий период – от квартала до полугода.

Далее, во-первых, оцениваем, вписывается ли фактический режим работы гидроузлов в установленные на текущий период рамки. Операторам гидроузлов в указаниях Росводресурсов, как правило, дают средние на период до 30 суток величины расходов воды через плотины, а посуточный и внутрисуточный режимы устанавливает системный оператор единой энергосистемы страны.

Во-вторых, мы оцениваем, вписываются ли установленные на текущий период режимы работы водохранилищ в расчетные режимы, соответствующие актуализированной гидрометеорологической и водохозяйственной обстановке.

В-третьих, получая оперативные требования водопользователей, органов исполнительной власти и т.д. по текущим режимам работы водохранилищ, мы оцениваем их обоснованность и возможность удовлетворения.

По результатам готовим конкретные рекомендации и незамедлительно направляем их в отдел оперативного регулирования Росводресурсов. Там готовят необходимые указания на подпись ответственному руководителю.

Такова повседневная работа по контролю и корректировке уже установленных режимов работы гидроузлов каскада. Но первая наша задача – подготовка и обоснование предложений по режимам работы гидроузла на плановый период. Мы представляем их на заседаниях Межведомственной рабочей группы по регулированию водохранилищ Волжско-Камского каскада. Рабочая группа дает рекомендации Росводресурсам, а те, в свою очередь, указания операторам гидроузлов. Выполнение этих указаний мы затем и отслеживаем.

– А правда ли, что на деле самым главным человеком, управляющим сбросом гидроузлов, является техник, который открывает затвор?

– Абсолютная неправда. Нарушения установленных режимов могут иметь место при авариях в энергосистеме (по решению системного оператора и/или при срабатывании автоматики), но они подлежат компенсации в кратчайшие сроки после ликвидации аварии.

Другим случаем допускаемого нарушения может быть экстремальная ситуация, угрожающая разрушением сооружений гидроузла и гидродинамической аварией. В этом случае решение принимается лицом, ответственным за эксплуатацию гидроузла.

А фактический произвол в регулировании режимов, грозящий тяжелыми последствиями, может иметь место в случае установления слишком больших диапазонов средних сбросных расходов на длительные периоды и отсутствия утвержденных правил использования конкретного водохранилища – как это происходит, например, с Саяно-Шушенским водохранилищем.