АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ

Введенский О.Г.

Кандидат технических наук, доцент кафедры водных ресурсов, Поволжский государственный технологический университет

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ

Аннотация

Рассматриваются возможные подходы по созданию на гидроузлах рыбоохранных комплексов, которые позволят восстановить естественное воспроизводство проходных и полупроходных видов рыб и обеспечить их безопасность при эксплуатации гидротехнических объектов различного назначения. Предложены варианты новых технических решений по модернизации классических рыбоходных сооружений и рыбонаправляющих устройств. Представлено математическое обоснование предлагаемых технических решений.

Ключевые слова: рыбоохранные мероприятия, гидроузел, рыбопропускные сооружения, рыбоход, рыбозащитные сооружения, искусственные нерестилища, нерестовая миграция рыбы, покатная миграция рыбы, естественное воспроизводство рыбы

Vvedenskiy O.G.

Ph.D., associate professor, department of water resources, Volga state university of technology

TOPICAL ISSUES OF DEVELOPMENT OF FISHERY RESERVOIRS

Abstract

Possible approaches on making fish-protecting complexes on water-engineering system that lets to rehabilitate natural reproduction of pass-through and half pass-trough species of fish and guarantee supply of safety on exploitation hydrotechnical objects of different are considered. New options of engineering solutions on updating classical fish-running constructions and fish-tracking are put forward. Mathematical supports of offered engineering solutions are given.

Keywords: fish-protecting companies, water-engineering system, fish-running constructions, fish-running, fish-protecting constructions, man-made spawning-ground, fish spawning migration, fish-migration, natural production of fish.

Острота проблемы охраны живой природы, начиная с середины прошлого века по настоящее время, не только не снижается, а наоборот продолжает нарастать. Сейчас совершенно очевидно, что без специальных мер охраны некоторые виды животных не могут выжить, причем списки их, в частности рыб, увеличиваются с каждым годом. Необходимо достигнуть того, что бы человек своей деятельностью не ставил под угрозу генофонд живых существ, для этого нужно сохранять численность популяций на уровне, достаточном для их выживания. Чем же определяется данная необходимость?

Во-первых, видовое разнообразие, обусловленное длительным процессом эволюции, составляет основу целостности экосистем, а значит, и биосферы в целом. Выпадение нескольких, а иногда даже одного «малоценного» вида ведет к нарушению этой целостности, разрушению продуктивных экосистем. По мере того, как естественные сообщества становятся менее разнообразными, их сопротивляемость антропогенному воздействию и продуктивность будет снижаться, начнётся их вырождение.

Во-вторых, водные организмы представляют собой важнейший ресурс, вовлекаемый в хозяйственную деятельность человека. Рыбы широко используются в питании населения, для корма скота, ряда медицинских препаратов и в других целях.

В-третьих, даже не используемые в настоящее время виды имеют потенциальную экономическую ценность, так как невозможно предсказать, какие именно виды и какие их свойства окажутся полезными или даже незаменимыми для человечества в будущем.

В-четвертых, велика роль рыб в удовлетворении рекреационных и эстетических потребностей людей.

В-пятых, рыбы представляют собой образовательную и научную ценность. Большую значимость рыбы имеют как биоиндикаторы загрязнения воды и состояния водных экосистем. Таким образом, потеря любого вида рыбы – невосполнимая утрата для человечества.

Рассматривая воздействие антропогенных факторов на рыб в историческом аспекте, можно выделить несколько основных этапов.

Первый, наиболее продолжительный, этап был связан с развитием земледелия: вырубка лесов по водоразделам и берегам рек; распашка больших земельных площадей. Следствием данного этапа явилось изменение режима стока и обмеление рек, что привело к значительному сокращению ареалов распространения отдельных видов рыб.

Второй этап определялся развитием промышленности и интенсификацией промысла, однако на этом этапе воспроизводство многих и в частности проходных рыб осуществлялось еще за счет естественного нереста.

Третий этап, наступивший после зарегулирования стока рек плотинами гидроэлектростанций и другими гидротехническими сооружениями, характеризовался резким сокращением естественного воспроизводства многих видов рыб вплоть до полной утраты мест их нереста.

Естественно, что на каждый последующий этап накладывались и все факторы предыдущих этапов. Помимо того, в последние десятилетия к перечисленным выше негативным факторам добавилось так же прогрессирующее загрязнение водоемов.

Условно все антропогенное воздействие на водоемы и его обитателей можно разбить на физическое, химическое и биологическое воздействие. Однако здесь необходимо иметь в виду, что ряд стрессоров действует по нескольким каналам.

Остановимся поподробнее на физических формах антропогенного воздействия и путях их преодоления. Данные формы антропогенного воздействия весьма разнообразны и связаны как с прямым уничтожением рыб и их местообитаний, так и с косвенным их угнетением. Первопричинами возникновения этих форм антропогенного воздействия на водоемы и его обитателей связано в первую очередь с гидротехническим строительством и зарегулированием стока, водопотреблением, тепловым загрязнением, вырубкой лесов по берегам рек и лесосплавом, судоходством, добычей строительных материалов и полезных ископаемых и др.

Несомненно, самым разрушительным воздействием на популяции рыб из перечисленных выше физических факторов является гидротехническое строительство и зарегулирование стока, особенно это ощутимо на внутренних водоемах.

Зарегулирование стока обусловлено созданием плотин и водохранилищ, что влечет за собой сезонное, суточное или многолетнее перераспределение стока реки. Данное обстоятельство резко изменяет гидрологические характеристики рек и приводит к превращению лотических экосистем в лентические. При этом происходит исчезновение или резкое сокращение численности и ареалов реофильных и диадромных рыб. Плотины резко изменяют условия миграций рыб. Нерестовые миграции против течения приостанавливаются плотинами, что ведет к прекращению естественного воспроизводства, а покатные миграции заканчиваются гибелью рыб в турбинах ГЭС и в водохранилище. У туводных рыб вместо единого стада образуются два стада — выше плотины и ниже ее. Зарегулирование стока, как правило, ведет к разрушению популяционной системы воспроизводства проходных и многих жилых видов рыб [1].

При зарегулировании стока в условиях каскада водохранилищ на участке «река – водохранилище – река» трижды происходит резкое изменение видового и количественного состава покатной молоди рыб. Так в зоне выклинивания подпора уровня водохранилища происходит гибель реофилов; в самом водохранилище  увеличивается число лимнофилов. Так же происходит и массовый вынос пелагических рыб через плотину, и их гибель при скате через турбины ГЭС из-за баротравм при перепаде гидростатического давления.

Кроме того, регулирование стока в течение суток или сезона оказывает мощное влияние на рыб. Так, регулирование в течение суток вызывает резкие колебания уровня воды, ведет к осушению прибрежных мелководий и к гибели икры и молоди рыб. Особенно сильное влияние оказывают сезонная деформация стока, его межсезонное перераспределение и уменьшение весеннего паводка, приходящегося на период нерестовых миграций и размножения рыб. При этом снижаются стимулирующее воздействие стока и привлечение в реку физиологически подготовленных производителей рыб, исключается своевременное затопление пойм рек, где не только нерестятся, но и нагуливаются многие виды.

C другой стороны, гидротехническое строительство направлено на решение целого ряда важнейших для человечества задач, без решения которых невозможно дальнейшее устойчивое развитие человеческого общества. Это такие задачи, как проблемы получения энергии, создания больших запасов пресной воды для питьевого и хозяйственного водопотребления, обеспечения водного транспорта полноводными магистралями, получения обширных угодий для развития рекреации и др.

Рассматривая негативные экологические последствия гидротехнического строительства рыбному хозяйству, следует иметь в виду, что большинство видов ущерба являются предотвратимыми предупредительными рыбоохранными мерами. Данные меры должны состоять из комплекса технологий и сооружений, направленных на сохранение условий естественного воспроизводства водных биологических ресурсов на всех стадиях их жизненного цикла при эксплуатации плотин.

Рассмотрим поподробнее эти мероприятия, образующих рыбоохранный комплекс гидроузла.

Как уже выше отмечалось, что анадромная или нерестовая миграция рыб в зарегулированных реках прекращается под первыми плотинами в каскаде гидроузлов. Величина наносимого ущерба будет зависеть от доли нерестилищ, утраченных вследствие гидротехнического строительства. При этом зарегулирование стока в нижних участках рек имеет особенно негативные последствия, угрожая исчезновением или резким сокращением отдельных популяций и видов (проходных или полупроходных) рыб. Например, на Волге для проходных рыб после строительства Волгоградской плотины (около 700 км от дельты) оказались отрезанными практически 100 % нерестилищ белорыбицы и белуги, 85 % осетра и 70 % проходных сельдей. Из 3600 га естественных нерестилищ осетровых осталось только 395 га [1]. В этом случае существующие нерестовые площади необходимо дополнить системой искусственных нерестилищ, позволяющих обеспечить нерест всего видового состава производителей рыб.

По характеру используемого в нерестилищах субстрата для кладки икры рыбы делятся на группы фитофилов, откладывают на растительность, псаммофилов – на песок, литофилов – на камни, пелагофилов – в толще воды [2]. Для изготовления субстрата для искусственных нерестилищ применяются различные материалы: растительность (хвойные ветви, сухая трава, водоросли и др.), синтетические материалы, сетное полотно, галька, гравий, керамзит. Так для литофильных видов рыб предлогаются нерестовые поля из панелей, имитирующих подвижной или стационарный каменный субстрат, а для фитофильных – водную растительность [3]. В условиях водохранилищ, где осуществляется регулирование пропуска воды через плотину гидроузла, нерестовые поля следует размещать в зонах водотока, не подверженных периодическому осушению.

Помимо нерестовых полей для обеспечения нереста рыб в нижнем бьефе гидроузла могут быть использованы нерестовые каналы и искусственные рыбоводные предприятия [4]. Нерестовые каналы, как правило, представляют собой искусственный водопроводящий тракт, имитирующий рельеф речного русла: плесы и перекаты; поймы и русла. На участках канала с определенными гидравлическими условиями укладывают соответствующие виды субстрата для кладки икры. Конечным результатом всех перечисленных выше мероприятий должно стать получение полноценной жизнестойкой молоди как в естественных условиях, так и на рыбоводных заводах. Часть повзрослевшей молоди рыб целесообразно выпустить обратно в материнскую реку, но не только в нижний бьеф гидроузла, но и в верхний, пополнив тем самым рыбные запасы водохранилища. Оставшуюся часть молоди рыб следует направлять в нагульные хозяйства, а затем к потребителю.

Как показывает практика производительность искусственных рыбоводных предприятий примерно в 100 раз выше, чем продуктивность естественных водоемов и водохранилищ [4]. Но здесь не следует всецело уповать на искусственное рыборазведение. В результате искусственного воспроизводства рыб происходит снижение генетического разнообразия из-за использования ограниченного числа особей для получения половых продуктов. У видов, обладающих сложной популяционной структурой, этому также способствует использование для воспроизводства представителей только какого-то одного локального стада или экологической формы. В результате этого происходит снижение уровня белкового полиморфизма, утрата аллелей и обеднение генофонда и, как итог, снижение уровня генетической изменчивости. Это отрицательно отражается на генетическом популяционном гомеостазе, т. е. на наборе генетически обусловленных реакций, обеспечивающих устойчивость развития организма в меняющихся условиях среды [1]. Поэтому уменьшение генетической гетерогенности превращается для популяции и для вида в серьезный фактор риска. Таким образом, для того, что бы сохранить видовое разнообразие рыб, сохранить отдельные виды рыб от исчезновения и вырождения необходимо обеспечить условия для их естественного воспроизводства.

Поддержание естественного воспроизводства на зарегулированных реках требует не только восстановление нерестилищ, но и решение еще одной очень важной и сложной проблемы: перекрытие плотинами миграционных путей рыб. Адаптивное значение таких миграций заключается в том, что они способствуют устойчивому поддержанию границ ареала обитания и использованию его трофической части. Нерестовые миграции хорошо выражены у проходных рыб, которые кормятся в море, но для размножения входят в реки. Они свойственны главным образом рыбам Северного полушария: сельдевым, лососёвым, осетровым и др. [5]. Помимо того, миграции необходимы и для туводных (жилых) видов рыб для поддержания целостности популяции. С целью восстановления миграционных путей рыб на зарегулированных реках в составе гидроузлов необходимо устраивать рыбопропускные сооружения.

Существующие в настоящее время рыбопропускные сооружения делят на рыбоходы и рыбоподъемники [6]. В рыбоходах рыбы перемещаются благодаря их активному движению на всём протяжении рыбопропускного устройства, а в рыбоподъемниках – за счёт работы самого сооружения, где рыбы не затрачивают собственной энергии на преодоление водного напора.

Рыбоподъемники обладают рядом существенных недостатков: цикличность действия; несоответствие биологическим особенностям рыб; наличие движущихся элементов; отличие условий выпуска рыб в верхний бьеф от речных условий; сложность в эксплуатации и др. [7, 8].

В свою очередь рыбоходы являются наиболее распространенным, исследованным и широко используемым на практике видом рыбопропускных сооружений. Они представляют собой открытые каналы, выполненные с постоянным или переменным уклоном по длине [7, 8]. Рыбоходы в своей работе используют естественное стремление рыб идти на нерест против течения. Поэтому условия пропуска рыб в рыбоходах близки к естественным условиям. В основе работы действующих рыбоходов лежит технология создания транзитных течений с благоприятным для движения рыб гидравлическим режимом. Специально организованное транзитное течение используют для привлечения рыб в рыбоход, ориентации и стимуляции их движения по его маршевым камерам, а так же с целью создания условий для отдыха рыб в водоворотных зонах, формируемых как в маршевых камерах, так и в камерах отдыха. Не смотря на очевидные достоинства перед рыбоподъёмниками, используемые в настоящее время конструкции рыбоходов имеют очень существенный недостаток, значительно, а в отдельных случаях и полностью снижающий эффективность рыбопропуска. Суть данного недостатка заключается в следующем. Известно что, для водохранилищ характерны регулярные технологические колебания уровня воды, приводящие к изменению на гидроузле перепада между бьефами. Однако от последнего напрямую зависит скорость транзитного (привлекающего рыбу) течения по длине рыбоходного тракта. Поэтому она так же подвержена регулярным колебаниям. Это обстоятельство приводит к нарушению условий эффективного пропуска рыб. Поскольку в случае величины перепада между бьефами большей расчетной формируется в рыбоходе транзитное течение с непреодолимо высокими для рыб скоростями, меньшей — повлечёт за собой слабое выделение привлекающего шлейфа и отсутствие условий для поступательного движения рыб против течения вверх по рыбоходу. С целью устранения указанного недостатка рыбоходов нами предложены классические конструкции рыбоходов, работающих по новой экологической технологии, которая заключается в стабилизации гидравлических условий пропуска рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф с помощью гидравлических струй (рис. 1) [9, 10, 11, 12, 13].

При истечении гидравлических струй из струеобразующих насадков (рис. 1), установленных по периметру рыбопропускного отверстия, как правило, прямоугольной формы в поперечной разделительной стенке, образующей камеру рыбохода, формируется суммарный поток.

Рис. 1. Схема работы регулятора расхода воды с использованием гидравлических струй: УВБ – уровень верхнего бьефа; УНБ – уровень нижнего бьефа; 1 – рыбопропускной тракт; 2 – поперечная разделительная стенка; 3 – рыбопропускное отверстие; 4 – струеобразующие насадки; 5 – ряд параллельных гидравлических струй; 6 – суммарный поток; 7 –питающие насадки коллекторы

Поперечная разделительная стенка с рыбопропускным отверстием предлагаемой конструкции за счет суммарного потока играет роль регулятора расхода воды, позволяя формировать в рыбоходном тракте рыбохода оптимальную скорость транзитного (привлекающего рыбу) течения (рис. 2).

Обеспечение пропуска рыб из нижнего бьефа гидроузла в водохранилище является лишь первым этапом на пути решения проблемы естественного воспроизводства проходных и полупроходных видов рыб. Второй этап решения данной проблемы обусловлен тем, что движущиеся против течения на нерест рыба, пройдя в верхний бьеф гидроузла, попадает из условий реки в условия озера. Это, безусловно, отрицательно скажется на эффективности отыскания ими нерестилищ.

Рис. 2. Схема классического лестничного рыбохода с регуляторами расхода воды: УВБ – уровень верхнего бьефа; УНБ – уровень нижнего бьефа; 1 – рыбопропускной тракт рыбохода; 2 – камеры рыбохода; 3 – поперечная разделительная стенка регулятора расхода воды; 4 – камера регулятора расхода воды; 5 – рыбопропускное отверстие; 6 – струеобразующие насадки; 7 –питающие насадки коллекторы; 8 – привлекающий рыбу поток воды

Поэтому в водохранилищах целесообразно устраивать системы протяженных ориентиров [3] или создавать с помощью гидравлических ускорителей потоки воды для привлечения и проводки производителей рыб на участки и притоки водохранилища с ярко выраженными естественными течениями. Помимо того, для решения задач второго этапа по проблеме естественного воспроизводства видов рыб можно использовать предложенную нами конструкцию верхового лотка рыбопропускного сооружения [14]. Она позволит создать для рыб, прошедших рыбопропускное сооружение, благоприятные условия выпуска в верхний бьеф гидроузла, независящих от гидравлической обстановки в приплотинной зоне верхнего бьефа гидроузла. Данное обстоятельство будет способствовать скорейшему восстановлению у рыбы ориентации и адаптации к условиям верхнего бьефа, исключающих их скат через водосбросную плотину обратно в нижний бьеф гидроузла.

Следующей задачей восстановления миграционных путей рыб является подготовка на соответствующих участках искусственных нерестилищ, как для проходных видов, так и жилых видов рыб. При оборудовании нерестилищ следует учитывать величину колебаний уровня воды в водохранилище, которые связанны с сезонным распределением стока воды или с работой гидроагрегатов ГЭС. Безусловно, нерестилища надлежит размещать ниже минимального уровня воды верхнего бьефа водохранилища, но при этом следует учитывать то, что чрезмерное углубление нерестилищ приведет к нарушению условий нереста, так как нерест ниже оптимальных глубин не наблюдается. Здесь предлагают два варианта действий [3]. Либо следовать за колебаниями воды в водохранилище с помощью плавучих нерестилищ, либо путем обеспечения постоянства уровня воды на нерестилище с управляемым уровненным режимом с использованием шлюза-регулятора [3] или предложенной нами конструкции регулятора расхода воды. Регулятор расхода воды по сравнению с шлюзом-регулятором позволяет не только поддерживать заданный уровень воды на нерестилище, но и создавать привлекающее рыбу течение оптимальной величины на подходе к нерестовому полю.

Заключительным этапом восстановления миграционных путей рыб является проблема обеспечения безопасности покатной миграции рыб, а так же защита рыб от попадания в водозаборные сооружения различного назначения. Покатная миграция выражается в возвращении отнерестившихся производителей и скате молоди к местам нагула. В условиях водохранилищ происходит задержка ската молоди перед плотиной, вынос покатников в ирригационные системы и их массовое попадание в другие водозаборные сооружения, а так же массовая гибель молоди рыб в турбинах гидроэлектростанций. Решение проблемы обеспечения покатных миграций рыб в настоящее время не имеет однозначных и эффективных решений. На наш взгляд мероприятия по обеспечению безопасности покатников на зарегулированных реках должны реализоваться по трём взаимосвязанным и взаимно дополняющим направлениям. А именно обеспечение безопасного пропуска покатников через плотину гидроузла из водохранилища в нижний бьеф, предупреждение подхода рыб к источнику опасности и защита их непосредственно перед этим источником [15, 16, 17, 18].