Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек
| Вид материала | Автореферат |
- Влияние антропогенных факторов на сток малых рек республики адыгея, 64.07kb.
- Стенограмма парламентских слушаний на тему "Экология малых рек России: проблемы и пути, 784.97kb.
- Литература: 29, 628.9kb.
- Тема урока: «Реки России», 305.26kb.
- Формирование, динамика и экологическое состояние аквальных комплексов равнинных водохранилищ, 627.96kb.
- Эколого-фаунистическая структура сообществ птиц долин малых рек севера Нижнего Поволжья, 174.49kb.
- Санитарно-гигиеническая оценка антропогенного загрязнения малых рек саратовской области, 402.67kb.
- Жуков Сергей Васильевич. Участники мероприятия с интересом выслушали выступления: Кандидата, 19.61kb.
- Урок биология и география (7 класс) Тема: Внутренние воды Евразии. Ареалы обитания., 76.59kb.
- Практические задания для формирования навыка применения знаний по темам, 680.29kb.
На правах рукописи
Ясинский Сергей Владимирович
ФОРМИРОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
ВОДОСБОРОВ МАЛЫХ РАВНИННЫХ РЕК
Специальность: 25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора географических наук
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.
Защита состоится « 11 » декабря 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.046.04 в Учреждении РАН Институте географии РАН по адресу: 119017, г. Москва, Старомонетный пер., 29.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный подписью и гербовой печатью просим направлять Ученому секретарю Диссертационного совета по адресу: 119017, г. Москва, Старомонетный пер.,29, Институт географии РАН. Факс 8 ( 495) 959 - 00 - 33, e-mail: direct@igras.geonet.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН. Текст объявления и автореферат размещены на сайте ВАК.
Автореферат разослан 02 ноября 2009 г.
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 - 1997гг), 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 гидроло – гидрохимических характеристик этих рек.
- 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 (2006г), 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.