Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

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:

1.           Анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.

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

3.           Разработки геосистемной концепции улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

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

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

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

7.           Разработки динамико–стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока.

8.           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: