Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

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  Увс = f (Урс) 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 Увс = f (Урс) 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 Увс = f (Урс) 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 Увс = f (Урс) этих объединенных рядов были аппроксимированы степенными функциями:

Для зяби :                           Yвсз = 0,07 x Yрс.1,47                            R2 = 0.76                      (1),

Для угодий с уплотненной почвой:       

                                            Yвс уп. = 7,23 x Yрс0,53                       R2 = 0.48                        (2),

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

Yвсл. = 10-4  9.0  Yр.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]

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 (1993г), 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].