Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность: 25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Тема:

Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Ясинский Сергей Владимирович

Москва 2009 г.

Работа выполнена в лаборатории гидрологии Учреждения Российской Академии наук Института географии РАН

Официальные оппоненты:

профессор, доктор географических наук Кренке Александр Николаевич

профессор, доктор географических наук Евстигнеев Валерий Михайлович

профессор, доктор физико-математических наук Кондратьев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (ФГУП РосНИИВХ)», г. Екатеринбург.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН. Текст объявления и автореферат размещены на сайте ВАК.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат географических наук И.С. Зайцева

Введение

Актуальность темы

Улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек - одна из ключевых проблем гидрологии, водного хозяйства и других отраслей, связанных с использованием водных ресурсов. На берегах этих рек проживает большая часть населения России, а водохозяйственная и экологическая ситуация на большинстве из них неудовлетворительна.

Неблагоприятные ситуации проявляются, прежде всего, в их загрязнении отходами от различных видов хозяйственной деятельности, особенно хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. В последние десятилетия все большую угрозу для малых равнинных рек представляют вынос со склонов удобрений и ядохимикатов, продуктов эрозии с территории сельскохозяйственных угодий, загрязненный сток с урбанизированных площадей, а также неочищенные сточные воды, поступающие от сельских населенных пунктов и особенно животноводческих ферм. Массовое загрязнение рек послужило основной причиной потери ими рыбопродуктивности.

Усиленная эрозия почвы на водосборах этих рек, особенно в лесостепной и степной зонах, привела к сокращению длины их речной сети, заилению родников, способствовала подъему уровня грунтовых вод, миграции значительного количества питательных веществ из почвы и явилась одной из причин антропогенной эвтрофикации водных объектов.

В то же время, малые равнинные реки являются начальным звеном формирования водных ресурсов страны, и от их состояния во многом зависит количественное и качественное состояние средних и крупных рек и водоемов. Поэтому неблагополучие, наблюдаемое в настоящее время на крупных реках и водоемах Российской Федерации, является в значительной мере следствием положения на малых равнинных реках. Эти реки являются не только источником питания средних и крупных рек. Они сами и их водосборы интенсивно используются в хозяйственной деятельности человека для производства различных видов продукции, энергии, а также для удовлетворения рекреационных и эстетических потребностей населения.

На водосборе реки формируется основная часть ресурсов речного стока. Однако гидрологический режим водосборов, как правило, находятся вне внимания водного хозяйства, и в значительной мере традиционной гидрологии поскольку использование воды имеет неявный, рассредоточенный по территории характер в интересах преимущественно сельского и лесного хозяйства, непосредственно не регистрируется гидрометрической сетью, что во многом определяет и недостаточную его изученность.

Под гидрологическим режимом водосборов малых равнинных рек понимается закономерные изменения структуры их водного баланса и обусловливающих ее гидротермических, гидрологических и геохимических процессов во времени и пространстве под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.

Изучению различных аспектов формирования водных ресурсов и качества воды малых равнинных рек посвящено много исследований, в значительной степени обобщенных в ряде монографий [Малые реки. Вопросы географии. Сб.118, М.: 1981; Малые реки России, М.: 1994; Малые реки Волжского бассейна. М.: 1998; Вода России. Малые реки. Екатеринбург, 2001] и во многих статьях. В них рассмотрен ряд общих и региональных закономерностей формирования и методов расчета жидкого, твердого и химического стока, характеристик их хозяйственного использования, намечены пути оздоровления малых рек страны.

Однако до настоящего времени многие актуальные задачи формирования гидрологического режима на водосборах малых равнинных рек либо не нашли своего достаточно полного решения, либо вообще не рассматривались, особенно применительно к современным, достаточно специфическим условиям климата и хозяйственной деятельности на территории значительной части РФ. Прежде всего, не полностью раскрыта роль водосборов и поверхностного склонового стока, формирующегося на них, в гидроэкологическом состоянии малых равнинных рек. Недостаточно изучено влияние происходящих и особенно ожидаемых изменений климата на гидрологический режим водосборов и местный речной сток. Не в полной мере разработаны методы комплексной оценки антропогенной нагрузки на водосборы и влияния диффузного (рассеянного) загрязнения на качество водных ресурсов этих рек. Не развиты должным образом расчетные методы оценки гидрологической эффективности мероприятий по улучшению структуры водного баланса малых водосборов, направленных, прежде всего, на снижение поверхностного склонового стока, как фактора эрозии почвы и источника пополнения ресурсов почвенной влаги в засушливых регионах.

Целью данной работы является выявление пространственных и временных закономерностей формирования гидрологического режима водосборов малых равнинных рек под влиянием региональных колебаний климата и хозяйственной деятельности, в том числе мероприятий по улучшению структуры их водного баланса.

Достижение этой цели потребовало решения следующих научных задач:

Анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.

Выявления роли водосбора и поверхностного склонового стока в формировании гидроэкологического состояния этих рек.

Разработки геосистемной концепции улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Оценки реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на многолетние колебания регионального климата.

Разработки методики геоэкологического анализа антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек.

Разработки ландшафтно-гидрологического метода оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения и его вклада в формирование качества водных ресурсов малых равнинных рек.

Разработки динамико-стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока.

Проведения сравнительного анализа гидрологической эффективности применения современных агротехнологий по улучшению структуры водного баланса водосборов малых равнинных рек на основе динамико-стохастического моделирования.

Методологическая основа и методы исследования

Методологической основой работы является бассейновый подход. Согласно этому подходу водосбор и сама малая река рассматриваются как единая целостная автономная геосистема, все компоненты которой связаны между собой вертикальными и горизонтальными потоками вещества и энергии. При этом водосбор и малая равнинная река представляют собой каскадную ландшафтно-геохимическую систему, состоящую из водосборов притоков n-порядка, объединенных между собой поверхностным, почвенным и грунтовым стоком [М.А. Глазовская, 1981; Л.М. Корытный, 2001; В.Н. Голосов, 2003].

При проведении исследований использовался комплекс гидролого-географических методов анализа процессов взаимодействия в системе «водосбор - малая река», испытывающих интенсивное воздействие антропогенных факторов, накладывающихся на меняющиеся в последние десятилетия климатические условия.

Он включал в себя:

- многолетние экспериментальные гидрологические исследования на воднобалансовых объектах Курской биосферной станции ИГРАН в лесостепной зоне, обобщение полученных данных в динамико-стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока и ее использование для оценки гидрологической эффективности современных, в том числе нетрадиционных агротехнологий.

- статистический анализ данных о многолетней изменчивости характеристик климата, гидрологического режима водосборов и стока малых рек по данным опорных воднобалансовых и гидрометрических станций для разных (южной части лесной, лесостепной и степной) природных зон Русской равнины.

- полевые экспедиционные обследования малых водосборов бассейна р. Истры, расположенного в южной части лесной зоны Русской равнины и обобщение полученных данных путем разработки методики геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы и ландшафтно-гидрологического метода оценки характеристик диффузного загрязнения малых рек;

Достоверность полученных результатов расчетов подтверждена хорошим совпадением экспериментальных и расчетных данных с использованием принятых в гидрометеорологии критериев, а также при сравнении результатов расчетов, полученных разными методами.

Объектом исследования являются малые равнинные реки, природные и природно-антропогенные геосистемы их водосборов, расположенные в основных природных зонах Русской равнины.

Предмет исследования - гидрологический режим малых равнинных рек и их водосборов, преимущественно, в зимнее-весенний период года и его реакция на колебания регионального климата и антропогенные воздействия, в том числе - применение различных агротехнологий.

На защиту выносятся:

Результаты анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек и роли поверхностного весеннего склонового стока как основного фактора, обусловливающего их гидроэкологическое состояние.

Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Закономерности реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на региональные колебания климата в разных природных зонах Русской равнины.

Методика геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы малых равнинных рек.

Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения, поступающего с водосбора и его вклада в формирование качества воды малой равнинной реки.

Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока.

Результаты сравнительного анализа гидрологической эффективности комплекса агротехнологий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек в период весеннего снеготаяния.

Научная новизна

В работе выявлены основные закономерности формирования гидрологического режима водосборов и его влияния на малые равнинные реки в основных природных зонах Русской равнины и разработана геосистемная концепция улучшения структуры их водного баланса. Получены следующие новые результаты:

установлена определяющая роль поверхностного весеннего склонового стока в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек и доказана устойчивость во времени связи средней многолетней величины этого процесса со средними многолетними значениями местного речного стока в период весеннего половодья.

выявлены основные закономерности и причины различной реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на совместное влияние колебаний регионального климата и хозяйственной деятельности в разных природных зонах Русской равнины.

разработана методика геоэкологического районирования антропогенных нагрузок на водосборы и установлена связь между геоэкологическим состоянием территории водосборов и качеством воды дренирующих их малых равнинных рек.

разработан ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения водных ресурсов малых равнинных рек, основанный на расчете средних многолетних значений весеннего склонового стока, эрозии почвы и потоков основных биогенных элементов - азота и фосфора с различных (лес, сельскохозяйственные угодья, урбанизированные территории, овражно-балочная сеть) геосистем, расположенных на их водосборах.

разработана динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока. В ней одновременно учитывается динамика определяющих его частных гидрометеорологических процессов (поступления воды из снега, впитывания ее в почву, стекания по склонам) и стохастический характер характеристик гидротермического режима водосбора (гидрофизические характеристики почвы, запасы воды в снеге, глубина промерзания и влажность почвы).

выявлена высокая гидрологическая эффективность таких нетрадиционных агротехнологий как создание с осени кулис из высокостебельных растений и мульчирование почвы растительными остатками в улучшении гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Практическая значимость

Результаты исследований направлены на решение важной народнохозяйственной проблемы - улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек за счет снижения интенсивности проявления негативных процессов, формирующихся на их водосборах под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.

Полученные в работе оценки гидрологической эффективности нетрадиционных агротехнологий дают основание рекомендовать их для более широкого использования с целью не только улучшения водного режима и качества воды малых равнинных рек, снижения интенсивности эрозии почвы, но и в сочетании с другими мероприятиями (оптимизация ландшафтной структуры, лесоразведение и др.) - оздоровлению социально - экологической обстановки на их водосборах.

Практическими приложениями исследований являются:

Методика геоэкологического районирования территории водосборов малых равнинных рек и зон влияния малых водохранилищ по видам антропогенной нагрузки и степени экологической опасности;

Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик потоков биогенных элементов, поступающих с различных геосистем и водосбора в целом в овражно-балочную и речную сеть малой равнинной реки;

Метод руслового баланса масс для независимой оценки потоков биогенных элементов с водосбора, по данным об общем потоке этих загрязняющих веществ в русловой сети;

Рекомендации по применению мульчирования почвы с осени растительными остатками (соломой) в разные по температурному режиму зимы.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели, задач и научных положений, руководстве и непосредственном участии во всех теоретических и экспериментальных исследованиях, в камеральной обработке данных наблюдений и теоретическом обобщении их результатов.

Реализация результатов диссертационной работы

Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные научно-технические отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемые Институтом географии РАН, по ФЦП «Возрождение Волги» по разделу Малые реки, ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России», проект №К - 0669, по Российско-американскому проекту «Управление малыми водосборами бассейна р. Истра», Программе Отделения наук о Земле РАН «Динамика поверхностных и подземных вод и ледников», по гранту РФФИ №05-05-64884 «Управление гидрологическими процессами на водосборах малых рек», по хозяйственным договорам по проблеме «Экологическая безопасность регионов АЭС» и ряду других проектов.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на следующих совещаниях, конференциях, конгрессах: Международном совещании по применению дистанционных методов в изучении гидрологического цикла (Москва, 1978), Всесоюзной школе-семинаре «Экспериментальные методы исследования геосистем (Звенигород, 1981), Всесоюзном совещании «Геосистемный мониторинг/принципы, пути организации» (Курск, 1986), на Х сессии Всесоюзной школе - семинаре «Математическое моделирование гидрологических процессов (Звенигород,1989), на I, II, III, IY Международных конгрессах Вода - Экология - Технология «Экватек» (Москва, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), семинарах российско-американского проекта «Управление малыми водосборами в бассейне р. Истра», (Москва, 1995-1997 гг.), Международной научной конференции «Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы» (Тольятти, 2001), XI съезде Русского географического общества (Архангельск, 2001), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы водохранилищ» (Борок, 2002), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003), V1 Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), II Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России (Москва, 2006), заседаниях Ученого совета Института географии РАН и гидрологической комиссии Московского центра Русского географического общества.

Публикации

Основные результаты исследований изложены в 43 печатных работах, 20 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы. Содержание работы изложено на 268 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и 42 таблиц. Список использованных источников включает 349 наименований.

Автор благодарен проф. д.г.н. А.М. Грину и проф. д.г.н. Н.И. Коронкевичу, под руководством которых он проводил исследования в Институте географии РАН, за всемерную поддержку всех его инициатив при выполнении данной работы. Сотрудничество с д.б.н. Е.М. Гусевым способствовало определению направлений научных исследований и поиску путей их решения. Совместные работы с д.с.-х.н. М.В. Кумани, к.г.н. Г.С. Шилькрот, к.г.н. Е.А. Кашутиной, Ф.Н. Гуровым, рядом сотрудников Института географии РАН и других учреждений ускорили решение ее отдельных задач, за что автор им очень признателен.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит актуальность темы, цель, задачи, объект и предмет исследования, его научную новизну и практическую значимость.

Глава 1. Современное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек

Малые равнинные реки являются природной основой гидрографической сети и начальным элементом более крупных гидрологических систем. К малым обычно относятся реки с водосбором не свыше 2000 км2 или имеющие длину не более 100 км (Концепция рационального…, М.:1991).

На малые реки длиной менее 100 км приходится около 99% общего числа рек и 92--93% их протяженности. В пределах территории Российской Федерации насчитывается 2,5 млн. малых равнинных рек.

1.1 Специфика малых равнинных рек в функционировании более крупных гидрологических систем

Основные отличия малой реки от средних и крупных заключаются не только в различиях их морфологических характеристик (площади водосбора и длины), но, прежде всего, в более тесной зависимости ее водного и гидрохимического режимов от физико-географических условий той или иной природной зоны, в которой расположен ее водосбор. Особенности взаимодействия в различных природных зонах процессов гидрологического цикла с рельефом, почвой, растительным покровом, животным миром, микроорганизмами и другими компонентами геосистем, слагающих водосборы малых рек, в сочетании с воздействием антропогенных нагрузок обусловливают специфику характеристик их водных, хемогенных и биогенных потоков. В то же время под влиянием местных факторов гидрологический режим и качество воды некоторых малых рек могут быть не характерны для данной природной зоны (например, карст).

Другой важной отличительной чертой малой реки является неполное дренирование подземных вод, что является одной из причин более тесной зависимости ее гидроэкологического состояния от степени освоенности водосбора и особенностей формирования на его территории гидрологических и других обусловленными ими процессов горизонтального перемещения вещества и энергии, в первую очередь поверхностного склонового стока. Гидрологический режим более крупных рек, дренирующих различные водоносные горизонты, в большей мере зависит от зональных условий изменения теплового и водного балансов их водосборов, в отличие от малых рек, на водосборы которых помимо зональных условий большое влияние оказывают местные факторы формирования стока и антропогенные нагрузки.

Еще одним важным отличием малых от средних и крупных рек является степень их изученности. Более крупные реки достаточно хорошо освещены данными гидрометрических наблюдений и водохозяйственной статистики. Для большинства малых рек такая информация отсутствует. Поэтому анализ гидроэкологического состояния малых равнинных рек и эффективности мероприятий по улучшению их водного режима и качества воды основан на использовании материалов многолетних наблюдений на воднобалансовых станциях (ВБС) и стационарах, расположенных на типичных для данной природной зоны малых водосборах, на реках - аналогах, а также картах различных гидролого-гидрохимических характеристик этих рек.

1.2 Малые равнинные реки в системе природных и хозяйственных связей и их основные проблемы

Изменения гидроэкологического состояния малых равнинных рек происходят под влиянием комплекса факторов естественного и антропогенного происхождения. Среди факторов естественного происхождения особо важную роль играют климатические, которые имеют циклический характер, выражающийся в сезонных и межгодовых колебаниях, в соответствии с законом географической зональности. Антропогенные изменения этих рек обусловлены хозяйственной деятельностью человека, как на водосборах, так и в руслах самих рек. Эти изменения могут быть не менее важны, чем климатические в связи с ярко выраженной зависимостью формирования стока и потоков других субстанций от ландшафтных условий и степени трансформации их водосборов [В.И. Данилов - Данильян и др., 2006].

Антропогенные нагрузки на малые и более крупные равнинные реки в целом определяются примерно одними и теми же видами воздействий на водосборы и источниками загрязнения водных ресурсов. Различия заключаются в интенсивности прямых и косвенных антропогенных воздействий на водосборы и масштабах изменения водных ресурсов этих водотоков. Водные ресурсы малых равнинных рек используются водопотребителями и водопользователями с обычно небольшими объемами производства, а на их водосборах выше доля косвенных нагрузок от сельского и лесного хозяйства, а также рекреации. Однако, учитывая высокую чувствительность и быструю реакцию этих рек на изменения антропогенных нагрузок, их суммарное влияние может быть очень велико и приводить к существенному ухудшению гидроэкологического состояния не только самих малых равнинных рек, но и в зонах их впадения в более крупные реки и водоемы.

Так же как и естественные факторы, вид и интенсивность антропогенных воздействий на водные ресурсы и гидроэкологическое состояние малых равнинных рек, зависят от зональности природной среды [Н.И. Коронкевич, 1972; И.С. Зайцева, 1981]. Все виды этих воздействий на эти реки и их водосборы можно разделить на две группы: общие, присущие всем природным зонам, и характерные только для каждой из этих зон. В работе дана характеристика влияния различных видов антропогенных воздействий на гидроэкологическое состояние малых равнинных рек.

1.3 Прямые и косвенные антропогенные нагрузки на водные ресурсы и водосборы малых равнинных рек

На примере р. Волги проведен анализ динамики водопотребления и водоотведения в малые реки ее бассейна и изменения таких косвенных антропогенных нагрузок как площадь пашни, дозы внесения минеральных и органических удобрений, урожайности сельскохозяйственных культур в постсоветский период. В течение этого периода произошло резкое уменьшение антропогенных нагрузок на водосборы и водные ресурсы, однако это не привело к адекватному улучшению качества воды и гидроэкологического состояния малых равнинных рек. Одной из важных причин неадекватной их реакции на снижение антропогенных нагрузок являлся поступление в реки значительного объема загрязняющих веществ, накопленных ранее в почве водосборов в результате неоптимального использования удобрений [Н.И. Алексеевский и др., 2000]. При анализе данных о прямых антропогенных нагрузках учтено, что водопотребление из них составляет 34%, а водоотведение - 46% от объемов забора свежей воды и сброса сточных вод во всем бассейне, соответственно [Малые реки Волжского бассейна, 1998]. Показана роль динамки косвенных антропогенных нагрузок в изменениях элементов водного баланса водосборов малых равнинных рек.

В целом современное состояние проблемы малых равнинных рек можно оценить как весьма неблагоприятное. Определенные перспективы ее решения связаны с новым Водным Кодексом РФ (2006 г.), в частности, на разработке предусмотренных законом схемах комплексного использования и охраны водных объектов, обязательных для органов государственной власти и местного самоуправления. При разработке таких схем для конкретного речного бассейна специфика малых рек может быть учтена путем определения приоритетов в осуществлении водоохранных мероприятий. Значительные возможности в улучшении гидроэкологического состояния малых равнинных рек во всех природных зонах имеет воссоздание малой гидроэнергетики, которая рассматривается не только как дополнение к действующим энергосистемам, но и способную обеспечить решение ряда экологических проблем этих рек и других социально-экономических вопросов жизнеобеспечения населения и развития отраслей хозяйства [Л.К. Малик, 2005].

В работе сформулированы предложения по организации исследований, призванных обеспечить научное обоснование решения проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек и других наиболее актуальных вопросов этой проблемы.

Глава 2. Поверхностный весенний склоновый сток и его роль в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек

Одним из важнейших гидрологических процессов, обеспечивающих тесную связь водосбора и малой реки, является поверхностный склоновый сток, особенно в период весеннего снеготаяния (ПВСС), играющего определяющую роль в формирования гидрологического режима рек на территории Русской равнины. Различные вопросы формирования ПВСС и его вклада в возникновение эрозии почвы исследовались в работах Н.И. Алексеевского, А.Т. Барабанова, Н.Н. Бобровицкой, Ю.В. Бондаренко Г.Г. Борисовой, В.Е. Водогрецкого, В.П. Герасименко, А.М. Грина, В.С. Дыгало, В.В. Демидова, С.А. Кондратьева, В.И. Корзуна, Н.И. Коронкевича, М.С. Кузнецова, М.В. Кумани, Г.А. Ларионова, Л.Ф. Литвина, М.И. Львовича, В.М. Мишона, Г.В. Назарова, А.И. Субботина, Г.П. Сурмача, Ю.П. Сухановского, Е.П. Чернышова, Р.С. Чалова, и других исследователей.

В работе рассмотрены вопросы терминологии и генезиса этого процесса, основные влияющие на него природные и антропогенные факторы, масштабы пространственно-временных изменений его характеристик, приведен обзор методов его изучения и расчета - экспериментальные стационарные и полустационарные полевые наблюдения на воднобалансовых станциях, в первую очередь на стоковых площадках и малых логах, картографирования, математического моделирования [Н.И. Коронкевич, 1990; А.Т. Барабанов, 1993; В.П. Герасименко,1993; Л.С. Кучмент и др, 1983; С.А. Кондратьев, 1990; Е.М. Гусев, 1993].

В практических расчетах широко используются физически обоснованные зависимости среднего многолетнего ПВСС от среднего многолетнего весеннего речного стока, полученные в Институте географии РАН при разработке метода элементной дифференциации водного баланса территории Русской равнины [Н.И. Коронкевич, 1973; Н.И. Коронкевич, 1990, Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов, 1993]. Такие зависимости получены для основных видов подстилающей поверхности на водосборах к моменту установления снежного покрова: зяби, уплотненной к осени почве и леса. В группу подстилающей поверхности с уплотненной почвой включались такие разные типы поверхности, как многолетние травы, озимые, пастбища, залежь, стерня, однако, обладающие сходным типом режима ПВСС [Н.И. Коронкевич, 1990]. При построении таких зависимостей использовались данные экспериментальных наблюдений только до 1970 года, и вопрос об их неизменности во времени оставался неизученным.

В этой связи в работе исследовался вопрос об устойчивости зависимостей У_вс = f (У_рс) во времени. Для этого имеющие ряды данных о ПВСС и среднемноголетних величинах речного стока весеннего половодья были продлены до 1988 для 15 воднобалансовых станций (ВБС) различной ведомственной принадлежности, расположенных на территории Русской равнины. Результаты обобщения этих данных приведены на рис. 1.

Рис. 1. 1 - зябь (до 1970), 2 - уплотненная почва (до 1970), 3 - зябь - объединенный ряд, 4 - уплотненная почва - объединенный ряд, 5 - зябь - зависимость до 1970 г., 6 -уплотненная почва - зависимость до 1970 г., 7 - зябь Yвс = f (Yрс) - для объединенного ряда, 8 - уплотненная почва; Yвс = f(Yрс) для объединенного ряда

Сопоставление зависимостей У_вс = f (У_рс) показывает, что для зяби они полностью совпадают, а для площадок с уплотненной почвой отклонение между ними довольно существенны. Это объясняется дифференциацией условий формирования ПВСС внутри группы, объединенной понятием, как «поля с уплотненной» к весне почвой. Практически полное совпадение зависимостей У_вс = f (У_рс) для зяби и общая их форма за разные периоды наблюдений для площадок с уплотненной почвой позволяет сделать вывод об их устойчивости во времени.

Для использования в практических приложениях эмпирические зависимости У_вс = f (У_рс) этих объединенных рядов были аппроксимированы степенными функциями:

Для зяби:

Y_всз = 0,07 x Y_рс.^1,47R² = 0.76 (1),

Для угодий с уплотненной почвой:

Y_{вс уп.} = 7,23 x Y_рс^0,53 R² = 0.48 (2),

Для леса, в связи с отсутствием новых данных использовалась информация, полученная до 1970 г. [Н.И. Коронкевич, 1992]:

Y_всл. = 10^-4 9.0 Y_р.^2.22 R² = 0.56 (3),

где - коэффициент детерминированности.

Объем и гидрограф ПВСС - основные характеристики этого процесса, обусловливающие один из важных факторов гидроэкологического состояния малых рек - их водоносность. Вклад ПВСС в формировании годового и весеннего стока на примере бассейна р. Волги, который расположен на большей части Русской равнины, показан в табл. 1.

Таблица 1

Структура речного стока в бассейне Волги [по Н.И. Коронкевичу, С.В. Ясинскому и др, 1996]

Составляющие речного стока	год	зимне-весенний период
	мм	%	мм	%
Полный речной сток	187	100	113	100
Поверхностная составляющая стока	136	73	92	81
Подземная составляющая стока	51	27	21	19
Сток по поверхности почвы	105	56	64	57
В том числе со склонов	37	20	35	31
С площади гидрографической сети	68	36	29	26
Сток инфильтрационного происхождения	82	44	49	43

Из приведенных данных видно, что поверхностным путем стекает примерно 20% годового стока Волги, практически только в весенний период со склонов. Вместе со стоком верховодки, который быстро улавливается первичной гидрографической сетью и включается в поверхностную составляющую, со склонов стекает 36% годового и более половины весеннего стока Волги. В разных природных зонах роль ПВСС в формировании водности малых рек меняется. В лесной зоне по сравнению с другими природными зонами выше увлажнение территории и доля стока инфильтрационного происхождения, обусловленная высокими инфильтрационными свойствами почв под лесом, способствующими формированию устойчивого подземного стока и стока верховодки. В лесостепной и степной зонах снижаются общая увлажненность территории и все виды стока, но увеличивается доля стока по поверхности почвы в годовом и весеннем речном стоке. Для лесостепи она составляет около 60-70%, в том числе со склонов - 30-40%, в степной зоне - 80-90%, в том числе со склонов 40-45%.

Другим важным фактором гидроэкологического состояния малых равнинных рек является качество их водных ресурсов, в формировании которого велика роль ПВСС, как основного процесса, обеспечивающего значительное поступление с жидким и твердым стоком в русла этих рек разнообразных загрязняющих веществ, в том числе ядохимикатов и радионуклидов. На пути от водосбора до русла происходит трансформация характеристик жидкого и твердого стока и содержащихся в них загрязняющих веществ. Если объем жидкого стока, сформированный на склонах, на этом пути увеличивается за счет поступления талых вод из гидрографической сети, то значительная часть твердого стока отлагается в ее нижних частях, в задернованных оврагах и балках, на поймах малых рек. По существующим оценкам только 10-20% продуктов эрозии почвы на малых водосборах достигает русла рек. При этом в многоводные годы полной промывки отложенного твердого материала не происходит. В маловодные годы мощность слоя этих отложений увеличивается. В результате во многих балках лесостепной зоны мощность балочного аллювия достигает в среднем 0.5-3.5 м, [Р.С. Чалов, А.В. Чернов, 1994]. В степной зоне толщина этих отложений достигает уже 8-10 м. Они заполняют все отвершки гидрографической сети, в том числе и устья боковых оврагов [Е.П. Чернышев, Н.А. Барымова, 1992]. Несмотря на аккумуляцию в начальных звеньях гидрографической сети значительного объема выносимого со склонов материала, не менее 1/3 всего объема загрязняющих веществ выносится в реки стоком с водосборов [Гос. доклад…, 1993]. Снижение водности, загрязнение водных ресурсов и заиление русел, ведущим фактором возникновения которых является формирование ПВСС - наиболее актуальные проблемы современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.

Глава 3. Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Неудовлетворительное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек, вызванное, в том числе, влиянием поверхностного склонового стока и обусловленных им гидролого-геохимическими процессами вызывает необходимость разработки и внедрения экологически безопасных и экономически выгодных технологий по улучшению гидрологического режима их водосборов. Наиболее эффективна организация мероприятий по применению таких технологий на геосистемной основе. Сущность геосистемной концепции заключается в представлении территории водосборов малых равнинных рек как природно-антропогенных геосистем локального уровня [Л.И. Мухина,1986]. В настоящее время они представляет собой мозаику, сложенную из набора элементарных природно-антропогенных геосистем: городов, поселков, деревень, сельскохозяйственных полей, лесов, болот и других. Основу этих геосистем составляет природный комплекс, трансформированный той или иной деятельностью человека. От степени трансформации этих геосистем зависит объем, интенсивность, качественный состав поверхностного и подземного стока, который через элементарную гидрографическую сеть поступает в малую равнинную реку. Именно все усиливающееся отклонение элементарных природно-антропогенных геосистем в речных бассейнах от своей естественной составляющей обусловило возникновение и необходимость решения “проблемы малых равнинных рек”.

Представление о водосборах малых равнинных реках как о природно-антропогенных геосистемах локального уровня позволяет осуществлять целенаправленные адаптивные мероприятия по улучшению их гидрологического режима [С.А. Пегов, П.М. Хомяков, 1991]. Сущность этих мероприятий основана на постоянном учете и согласовании природной и антропогенной составляющих геосистем, позволяющим оптимизировать их функционирование как целостных, саморегулирующихся систем.

Цель экологически безопасного улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек заключается в проведении на их территории комплекса природоохранных мероприятий, обеспечивающих оптимальное функционирование наземных геосистем, снижение интенсивности или ликвидация ряда негативных процессов и достижения за счет этого существенного улучшения водного режима и качества воды.

Достижение этой цели должно основываться на профилактическом принципе, согласно которому необходимо, прежде всего, не допускать и устранять причины возникновения и развития негативных процессов на водосборах и в речной сети малых рек, а не бороться с их последствиями. В каждом конкретном случае выбор методов будет зависеть от места расположения малого водосбора, интенсивности протекающих процессов, степени его трансформации под влиянием антропогенной деятельности. В большинстве случаев природно-антропогенные геосистемы малых равнинных рек характеризуются преобладанием природной составляющей, в отличие от крупных рек, в долинах которых расположены большие города и мощные промышленные предприятия. Основными видами хозяйственной деятельности на их водосборах являются сельское и лесное хозяйства. Часто эти виды хозяйственной деятельности рассматривают как одно сельскохозяйственное производство [Н.А. Воронков, 1989]. К этим видам хозяйственной деятельности нужно добавить жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) сельских населенных пунктов и рекреацию, которые раньше учитывались недостаточно.

Арсенал методов по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек достаточно велик. Они могут иметь чисто технологический характер: сооружение и правильная эксплуатация очистных сооружений для объектов сельского ЖКХ и рекреации, создание простейших противоэрозионных гидротехнических сооружений (валы - террасы и др.), воссоздание малых ГЭС, совершенствование и реконструкция мелиоративных систем, расчистка русел малых рек и др.

Другим важным комплексом этих методов является оптимизация ландшафтной структуры их территории в сочетании с применением современных почвозащитных и противоэрозионных агротехнологий. Под оптимизацией ландшафтной структуры понимается научно-обоснованное размещение на данной территории природно-антропогенных геосистем с различным функциональным назначением и режимом использования [А.Г. Исаченко, 1980]. Она предусматривает рациональное размещение на малых равнинных водосборах естественных и культурных угодий - лесных массивов, сельскохозяйственных полей, садовых и кустарниковых насаждений, лугов с естественной и культурной растительностью, водоемов и болот, а также искусственной инфраструктуры, обеспечивающей жизнедеятельность человека. К основным научным задачам оптимизации ландшафтной структуры водосборов относится обоснование размеров площадей и конфигурации этих природно-антропогенных геосистем, а также их взаимной расположенности на малом водосборе и оценка резко выраженных конфликтных ситуаций, например, между животноводческими фермами и водными объектами, различными коммуникациями и лесными насаждениями [В.М. Яцухно А.С. Помелов, 1990]. Наиболее перспективным направлением решения задач оптимизации структуры ландшафтов в улучшении гидроэкологического состояния водных ресурсов малых равнинных рек является совместное использование методов моделирования гидролого-геохимических процессов, формирующихся на их водосборах и ГИС - технологий. С использованием ГИС - технологий задаются несколько вариантов конфигурации и размещения на водосборе набора природно-антропогенных геосистем и для каждого из них производится расчет потоков исследуемых субстанций, поступающих и трансформирующихся в речной сети или в водном объекте, с использованием того или иного вида моделей. Выбор оптимального варианта пространственной структуры ландшафта может быть сделан при достижении рассчитанных характеристик, которые используются для оценки гидроэкологического состояния водных ресурсов их пороговых значений - критериев.

В научной и практической деятельности эти критерии относятся к трем основным группам. В первую группу входят экологические критерии. Как правило, они представляют собой заданные пороговые значения натуральных показателей того или иного процесса или явления, например, предельно допустимые концентрации элемента в воде (ПДК). Критерии ПДК для биогенных элементов использованы в работе при оценке качества воды р. Истры в период весеннего половодья (глава 6). Вторая группа критериев - экономические критерии. В основу этих критериев положен принцип минимизации затрат или максимума дохода при достижении запланированного результата, например, нормативного качества воды. Однако, как отмечают Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов (1993 г.), наиболее перспективно использование эколого-экономических критериев. Их необходимо применять при рассмотрении различных вариантов проведения водоохранных мероприятий, где на каждом этапе их проведения применяются сначала экологические критерии, а оптимальные варианты оцениваются по экономическим критериям. Именно эти критерии наиболее полно отвечают сущности адаптивного природопользования, при котором вся процедура принятия решений о проведении тех или иных мероприятий на водосборах включает в себя несколько этапов рассмотрения. Реализация изложенного выше подхода к оптимизации ландшафтной структуры водосборов сопряжена со значительными трудностями методического, технического и информационного характера. Поэтому и его практическое применение ограничено весьма немногочисленными примерами, показанными, например, в [Имитационное моделирование…, 1989; Н.А. Назаров, 1996].

На данном же этапе развития методов улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек практическое применение геосистемной концепции рекомендуется осуществляться в следующей последовательности:

1. Дается общая характеристика природных условий и хозяйственной деятельности в рассматриваемом бассейне малой реки;

2. Проводится оценка региональных изменений характеристик климата и реакции на них гидрологических процессов, формирующихся на этом водосборе (ПВСС, местного речного стока и др.);

3. Осуществляется геоэкологическое районирование водосбора по видам антропогенных воздействий, по степени экологической опасности, по интенсивности диффузного загрязнения;

4. Производится выбор малого водосбора, находящегося в «критическом» экологическом состоянии и определяется набор методов улучшения его гидрологического режима.

5. Для агросистем этого водосбора определяются вид и параметры различных агротехнологий, дается оценка гидрологической эффективности их применения по снижению ПВСС и изменению структуры водного баланса водосборов;

6. С использованием экологических критериев производится оценка гидрологической эффективности улучшения водного режима и качества воды малой реки «критического» водосбора;

7. Рассматриваются варианты применения различных методов улучшения гидрологического режима «критического» водосбора и осуществляется выбор оптимального варианта с использованием экономических критериев.

8. Даются оценки гидрологической эффективности применения комплекса мелиоративных мероприятий, разработанных для «критического» водосбора, по улучшению гидроэкологического состояния основной реки, структурным элементом которой он является.

Оценивая в целом состояние проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек необходимо отметить, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в решении ее основных наиболее актуальных вопросов, многие из них требуют своего дальнейшего более глубокого анализа. Проведение такого анализа возможно только на основе выявления новых закономерностей протекания как гидрологических, так и других природных и социально-экономических процессов, обусловливающих функционирование природно-антропогенных геосистем различных пространственных масштабов. Важным моментом такого анализа является разработка и использование моделей и методов, позволяющих все более адекватно описывать и прогнозировать наблюдаемые в реальности динамику и развитие этих процессов и самих природно-антропогенных геосистем водосборов малых равнинных рек.

Глава 4. Реакция гидрологических процессов, формирующихся на водосборах и речного стока малых равнинных рек на изменения регионального климата и хозяйственной деятельности

Одной из актуальных проблем современности, затрагивающей жизненно важные интересы всего человечества, является проблема глобальных изменений климата. Исследованию различных аспектов этой проблемы посвящено множество работ, выполненных в разных странах мира, которые в значительной степени обобщенны в трудах М.И. Будыко, Г.С. Голицина, Ю.А. Израэля, К.Я. Кондратьева, В.М. Котлякова и других исследователей, а также в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, IPCC) [Ю.А. Израэль и др., 2007].

Глобальные изменения климата неизбежно приводят к трансформации естественного хода многих природных процессов и изменениям во всех компонентах биосферы на глобальном, региональном и локальном уровнях [С.Г. Добровольский, 2002]. Оценка экологических, экономических и социальных последствий изменения климата является важным направлением исследований этой проблемы [Материалы Конференции по климату, 2004].

В диссертации приведен обзор основных работ, выполненных в рамках этого направления. Отмечено, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в исследовании реакции различных природных процессов и социально-экономических систем на колебания климата, малоизученным остается вопрос о влиянии этих изменений на ПВСС и речной сток малых равнинных рек и на факторы, определяющие условия формирования этих процессов и характеризующие гидротермическое состояние водосборов на начало снеготаяния (максимальные снегозапасы, влажность почвы, глубина ее промерзания). В тоже время его решение очень важно для выявления тенденций изменения водного режима водных объектов и территорий, а также разработки и осуществления адаптационных мероприятий [И.А. Шикломанов, В.А. Георгиевский, 2002]. Как отмечалось ранее (глава 1), на ПВСС и обусловленный им годовой и весенний речной сток малых рек помимо колебаний регионального климата существенное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека. Поэтому многолетние колебания этих гидрологических процессов необходимо рассматривать как результат их совместного влияния.

4.1 Основные задачи и исходные данные

Оценка реакции межгодовой изменчивости рассматриваемых гидрологических процессов на соответствующие колебания характеристик регионального климата в данной работе основана на решении нескольких частных задач с использованием различных статистических методов анализа временных рядов [А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев, 1974; В.М. Евстигнеев, 1990].

Такими задачами являлись:

1. Оценка репрезентативности данных наблюдений о многолетней и годовой изменчивости характеристик климата на опорных метеостанциях для других территорий в пределах рассматриваемых природных зон;

2. Оценка вклада изменчивости показателей климата в теплые (апрель-октябрь) и холодные (ноябрь - март) сезоны года в формирование многолетней изменчивости их средних годовых величин;

3. Выявление закономерностей в многолетних колебаниях средних годовых значений показателей климата, факторов гидротермического состояния водосборов, ПВСС и речного стока малых равнинных рек;

4. Оценка однородности рядов наблюдений;

5. Оценка времени запаздывания в наступлении маловодных и многоводных фаз в многолетних колебаниях гидрологических процессов на водосборах и речного малых равнинных рек по отношению к соответствующим многолетним колебаниям характеристик климата.

Исходными данными являлись длительные ряды ПВСС и факторов гидротермического состояния для экспериментальных водосборов трех опорных БВС (более 40 лет), средних месячных величин температуры воздуха и сумм осадков, годового стока на ближайших к ним метеостанциях и в замыкающих створах малых рек, расположенных в южной части лесной, лесостепной и степной зонах Русской равнины (от 60 до 75 лет). Ими являлись: лога «Лесной» и «Полевой» воднобалансового стационара «Малая Истра», м/с «Новый Иерусалим», р. Истра - п. Павловская Слобода; лог «Малютка» Нижнедевицкой ВБС с одноименной м/c, р. Хопер - п. Новохоперск; стоковые площадки с разным видом подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) Волгоградского стационара Всероссийского НИИ агролесомелиорации РАСХН (ВНИАЛМИ), м/c «Волгоград - СХИ», и р. Иловля - п. Александровка, соответственно. Особенностью использованных данных являлось то, что они охватывали современный период, вплоть до 2000-2004 годов. При этом исходили из того, что ПВСС, формирующийся в логах, включает в себя также сток верховодки и внутрипочвенный сток, доля которых в отдельные годы в его общем объеме может составлять 10-20%.

Для восстановления пропущенных данных о значениях факторов формирования ПВСС и речного стока использованы приведенные в работе уравнения регрессии между этими факторами и различными гидрометеорологическими характеристиками в зимние сезоны, коэффициент корреляции между которыми r > 0,4.

4.2 Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах природных зон

В работе рассматривается возможность распространения многолетних метеорологических данных наблюдений на опорных метеостанциях для территорий других регионов в пределах рассматриваемых природных зон.

В табл. 2 приведены осредненные величины средних многолетних характеристик показателей климата и их пространственной изменчивости, рассчитанные по данным для субъектов РФ и сопредельных государств (Белоруссия, Украина, страны Балтии), агрегированных по рассматриваемым природным зонам [Научно-прикладной справочник…, 1989].

Результаты расчетов показывают, что пространственная изменчивость средних многолетних годовых осадков и средней многолетней годовой температуры воздуха в каждой из природных зон в целом невелика. Это позволяет считать, что закономерности их многолетних изменений, полученные для рассматриваемых опорных метеостанций, могут быть распространены на территории других регионов, расположенных в пределах одной и той же природной зоны.

Таблица 2

Характеристики пространственной изменчивости средних многолетних значений показателей климата на территории Русской равнины

Показатели климата	Характеристики климата	Южная часть лесной зоны	Лесостепная зона	Степная зона	Для всех зон
Осадки, (мм)	Среднее	732	621	488	614
	у	51,2	55,9	83,0	63,0
	Сv	0,07	0,09	0,17	0,11
Температура годовая, t0C	Среднее	5,3	6,1	8,5	6,6
	у	1,3	1,8	1,7	1,6

Подтверждением этому являются достаточно высокие коэффициенты корреляции между средними годовыми характеристиками этих показателей климата для опорных метеостанций и метеостанциями, расположенными на других территориях в каждой из природных зон (табл. 3).