Содержание к диссертации
Введение
1. Природные условия и хозяйственное использование бассейна основного русла Днепра на территории Смоленской области 7
1.1. Исторический очерк 7
1.2. Природные условия 9
1.2.1. Общая характеристика бассейна р. Днепр 9
1.2.2. Климат 14
1.2.3. Рельеф 24
1.2.4. Почвы 24
1.2.5. Растительность 25
1.2.6. Водные ресурсы 27
1.2.7. Полезные ископаемые 31
1.3. Хозяйственное использование 32
1.3.1. Особенности демографического и социального развития 32
1.3.2. Урбанизированные территории 35
1.3.3. Промышленность 38
1.3.4. Сельское хозяйство 41
2. Материалы и методика исследований 44
2.1. Материалы исследования 44
2.2. Концепция исследования 45
2.3. Методика исследований ...46
3. Гсоинформационная система 59
3.1. База данных 59
3.2. Программное обеспечение 61
3.2.1. Модуль «Осадки» 62
3.2.2. Модуль «Сток» 67
3.3.1. Модуль «Качество» 69
3.3.2. Модуль «Диаграммы» 72
3.3.3. Модуль «Карты-схемы» 72
4. Расчеты и анализ результатов 73
4.1. Пространственный анализ водосборной территории 73
4.2. Многолетние колебания речного стока 78
4.3. Сезонное распределение речного стока 83
4.4. Среднемесячное распределение речного стока 86
4.5. Среднесуточное распределение речного стока 88
4.6. Оценка качества речного стока 94
4.6.1. Характеристика качества речных вод поданным мониторинга 94
4.6.2. Использование речного стока 99
4.6.3. Характеристика качества сточных вод по данным статистической отчетности 102
4.6.4. Формирование железа общего в речных водах 109
4.7. Транзит речного стока и его качество на границе Российской Федерации и Республики Беларусь 118
4.8. Обсуждение результатов 120
Выводы „...124
Список литературы 125
- Общая характеристика бассейна р. Днепр
- Концепция исследования
- Модуль «Диаграммы»
- Характеристика качества речных вод поданным мониторинга
Общая характеристика бассейна р. Днепр
Начинается Днепр на северо-востоке Смоленской области [96]. Исток его обозначен в 1,5 км от д. Дудкино Сычевского района. Это место представляет собой избыточно увлажненную верхнюю часть лощины, которая постепенно переходит в слабо разработанную долину реки. Постоянное питание водоток получает из болота Алексинскии Мох. Именно от этого болота отмечается постоянное течение реки. В питании реки на самом верхнем его участке заметна роль и других болот - Лавровского Мха, Гавриловского болота, а также Ушинского Мха (Тверская область), из которого вытекает первый, практически одинаковый по водности приток Днепра — Днепрец. Таким образом, Днепр начинается от слияния нескольких небольших водотоков, вытекающих из болот, расположенных в пределах пологоволнистой, местами сильно заболоченной равнины. Территория вблизи начала Днепра представляет собой обширный, единый водораздельный узел (это самая высокая точка Смолепско-Московской возвышенности -320 м) истоков трех крупнейший рек Европы - Волги, Днепра и Западной Двины. Иных водораздельных территорий - мест стыковки этих рек нет. На площади в несколько квадратных километров здесь начинается Днепр, несколько небольших его притоков, река Обша - один из крупнейших притоков Западной Двины в ее верхнем течении и притоки Волги 4-5 порядка (бассейна Вазузы). Основная часть водораздела покрыта лесом и кустарником. Леса всегда преобладали на этой территории, неудобной па большей площади для сельскохозяйственного использования [105].
В самом начале Днепр представляет небольшой водоток, шириной до 1 м, реже более. Русло его лишь местами свободно от водной растительности. Берега в основномнизкие, полностью заросли кустарником. Населенных пунктов в самом верхнем течении реки возле ее берегов нет. Первый населенный пункт вблизи реки - д. Бочарово. Расположена деревня по левобережью, примерно в 2 км от реки. Первая деревня, расположенная непосредственно на берегу реки - Илыошино. Недалеко от этой деревни в двух километрах ниже по течению Днепр принимает справа первый относительно крупный приток - Днепрец. От места их слияния ширина русла реки увеличивается почти вдвое, но представляет собой по прежнему небольшой водоток, сильно заросший растительностью. От устья реки Днепрец, ниже по течению, вплоть до принятия слева вод еще одного крупного притока - реки Жердь, Днепр течет по хорошо выраженной низине. Берега здесь низкие, топкие, труднопроходимые [99].
Днепр и основные его притоки протекают в хорошо сформировавшихся долинах, строение которых характеризуется наличием поймы, двух-трех надпойменных террас. Долины основных притоков Днепра врезаны на глубину 20-50 м, долина самого Днепра на 15-20 м в верхнем течении и 80-90 м в районе Смоленска. Ширина реки от 20 - 50 м в верхнем участке, до 100 - 200 м вблизи границ с Республикой Беларусь, Глубина на середине реки изменяется от 1,5 до 3,5 м на плесах и в отдельных ямах достигает 6-8 м, Скорость течения составляет 0,2-0,4 м/с, на перекатах скорость течения увеличивается до 0,4-0,7 м/с. Дно реки чаще ровное в истоке глинистое, ниже - обычно песчаное, реже песчано-гравийиое и галечное. Характерная особенность Днепра - крутые берега, на излучинах часто обрывистые, иногда разрушаемые. Высота их от 4-9 м, местами до 12-15 м.
Длина Днепра от истока до устья составляет около 2,145 тыс. км., площадь бассейна - 509 тыс. км2. Бассейн простирается с севера на юг почти на 1000 км, с запада на восток-на 600 км (рис. 1.1.). Средний годовой сток в устье-53,9 км [46].
Из 509 тыс. км общей площади бассейна р. Днепр, на российскую территорию приходится пятая часть (бассейн Верхнего Днепра, рис. 1.2,). В бассейне Верхнего Днепра расположены (полностью или частично) семь областей Российской Федерации: Тверская, Смоленская, Калужская, Курская, Брянская, Орловская и Белгородская. Средний многолетний сток, формируемый в бассейне Верхнего Днепра, составляет 15,503 км3 в год, снижаясь в маловодный год (95%) до 10,724 км. Общая протяженность гидрографической сети составляет около 39,5 тыс. км.
Концепция исследования
Метеорологические, гидрологические и гидрохимические наблюдения за водными объектами на территории области, в том числе на исследуемом водосборном участке ведутся Смоленским центром гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды Росгидромета. Информация об использовании водных ресурсов формируется в Центре Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра и в акционерном обществе открытого типа «Водпииинформпроект» средствами специально разработанного программно-информационного комплекса.
Первые метеорологические наблюдения за гидрологическим режимом на р. Днепр у Смоленска были начаты в последней четверти XIX века. Информация публиковалась в гидрологических справочниках и ежегодниках. Режимный гидрохимический мониторинг начал проводиться существенно позже (с 1976 г.), и данные по концентрациям ряда химических веществ в воде р. Днепр у г. Смоленска публиковались в гидрохимических ежегодниках и водных кадастрах [19]. Таким образом, самые длинные ряды метеорологических и гидрологических наблюдений российской части Днепра существуют по г. Смоленску. Однако в рядах наблюдаются пропуски за годы Великой отечественной войны и нескольких послевоенных лет (с 1939-1948 гг.). В связи с этим в работах ряда исследователей средний многолетний сток Днепра у Смоленска варьирует от 3,06 до 3,12 км в год [32, 72].
В последние годы в ГГИ многолетние характеристики водных ресурсов России были пересчитаны за единый период с 1930-1980 гг., в том числе по основному руслу р. Днепр у г. .Смоленска. Расчет был выполнен с помощью метода линейных уравнений стока на основании данных о наблюденном среднегодовом стоке. Эти данные за многолетний период взяты из справочников, содержащих ежегодные и многолетние данные ГВК, изданных в Гидрометеоиздат. Ряды данных за конкретные годы получены от территориальных управлений по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета. При отсутствии наблюдений по отдельным створам использованы рассчитанные годовые значения. В многолетних рядах годового стока при наличии значительной хозяйственно деятельности на водосборе, как правило, использованы восстановленные значения. В результате средний многолетний сток за 50-летний период оценивается как 3 км /год. -45 В данном исследовании использовались следующие материалы: - данные режимного метеорологического (1945-2000 гг.), гидрологического (1963 2000 гг.) и гидрохимического (1976-2000 гг.) мониторинга Росгидромета в бассейне Верхнего Днепра с 1963 по 2000 гг. [52, 77]. данные Государственного Водного Кадастра с 1930 по 2000 гг. [5, 17, 52, 80]. - данные научных гидрологических и гидрохимических исследований в рамках проекта ПРООН-ГЭФ «Экологическое оздоровление бассейна Днепра» за период 1990-2000 гг. с участием автора [81, 90]. - данные статистической отчетности Госкомстата РФ [82, 83, 107]. Для расчетов был взят 38-летний ряд (1963-2000 г.), что удовлетворяло достаточной степени точности подсчета среднего многолетнего значения стока. Для подготовки электронной карты-основы водосборной территории российской части основного русла Днепра использовалась топографическая карта Смоленской области масштаба 1:200 000 [7,96]. 2.2. Концепция исследования В диссертации разработана методология исследования закономерностей формирования речного стока и его качества в современных условиях изменяющегося климата и антропогенной деятельности. Концептуально методология опирается на географо-гидрологический метод, предложенный В.Н. Глушковым (1934 г.), который при обосновании его сформулировал положение о зависимости речного стока и его химического состава от климата, геологии, геоморфологии почв и растительности [28]. В дальнейшем этот метод был развит отечественными учеными М.И. Львовичем, А.И. Субботиным, Н.И Коронкевичем, Е.Л. Чернышевым, Г.М. Черногаевой, О.А. Алекиным, Л.В. Бражниковой, П.П. Воропковым, Б.Г. Скакальским, И.А. Шикломановым, В.Ю. Георгиевским. Эти исследователи развили учение В.Н. Глушкова с более детальной проработкой региональных закономерностей и учетом негативных последствий антропогенной деятельности на водосборах. Принципиальными положениями методологии, использованной в данном исследовании, является комплексное рассмотрение водного стока, стока химических веществ и их генетических составляющих в рамках геосистемы «водосбор-река». — 46 — 2.3. Методика исследования Величина годового стока, зависящего от ряда метеорологических факторов и запаса влаги в бассейне, из меняется от года к году. Между тем, имеющиеся ряды наблюдений над стоком не на столько продолжительны, чтобы непосредственно из них можно было выбрать величины стока редкой повторяемости или вычислить их по зависимостям стока от влияния метеорологических факторов. Вероятность и размер возможных изменений величины среднего многолетнего значения стока зависят от степени изменчивости годового стока, характеризуемой коэффициентом вариации. Точность подсчета значения стока по гидрометрическим данным около ±5 % [67]. Коэффициент вариации 0,25 (рассчитанный для г. Смоленска) позволяет определить среднее многолетнее значение стока со средней квадратической ошибкой 4,22, что соответствует продолжительности ряда наблюдений, равной 38 годам. Расчитапное значение ошибки находится в пределах точности вычислений гидрометрических данных. Таким образом, за основу был взят 38-летний ряд данных (1963-2000 гг.).
Модуль «Диаграммы»
Для заполнения таблицы формы информация по концентрация железа общего выбирается из базы данных, рассчитываются неизвестные значения концентраций с помощью метода, описанного во 2 главе. Суточное содержание массы железа общего в речных водах (кг/сут) заносится в ячейки таблицы.
Кнопка «Диаграмма» отображает динамику выноса железа общего с речным стоком. Окно для вывода диаграммы распределения аналогично форме отображения гидрографов стока (см. рис. 3.8.). Также, как и для гидрографов стока, предусмотрена возможность полуавтоматического расчленения хемографов на подземную и поверхностную генетические составляющие.
Кнопка «Расчет транзита» окна «Диаграмма» выводит на экран дополнительное окно, где пользователь может указать расчетный период, площадь водосбора и модуль стока по которому будет рассчитан средний многолетний расход воды. В соответствии с указанным временным периодом на основе информации, хранящейся в базе данных, будет рассчитана средняя многолетняя концентрация железа общего. Расчет переноса железа выполняется по формуле, приведенной во второй главе.
Модуль «Диаграммы» представляет собой обобщение ряда графических результатов, таких как: гидрографы стока, комплексные гидрографы стока, хемографы, совмещенный график многолетнего хода осадков и расходов воды. Возможности модуля используются другими модулями системы и были рассмотрены выше.
Модуль «Карты-схемы» предназначен для совмещения картографической информации и результатов расчета на подготовленных электронных картах-основах. Результаты работы модуля могут быть экспортированы в буфер обмена Windows, документы Microsoft Word или распечатаны на принтере.
С помощью модуля «Карты-схемы» были подготовлены карты и карты-схемы, используемые в данной работе.
В данной главе представлены результаты расчетов значения водного стока на среднегодовом, сезонном, среднемесячном и среднесуточном уровнях для рассматриваемой водосборной территории, оценки его качества и транзита на территорию республики Беларусь. Расчет и анализ полученных результатов выполнены с использованием разработанного программного обеспечения и подготовленных электронных карт-схем. Выполнение исследования проводилось в соответствии с алгоритмом, описанным во второй главе. Полученные результаты сравнивались с результатами других исследователей.
Опираясь на методику, изложенную во второй главе, водосборная территория основного русла российской части р. Днепр была выделена на карте Смоленской области, и разбита на 4 водосборных участка с различной антропогенной нагрузкой (I-IV, рис. 4.1.). I. Исток р. Днепр - д. Болшево: Участок слабозаселен, около 80% территории занимают лесные массивы. Значительную часть оставшихся земель покрывают болота. Сельское хозяйство практически не ведется. Крупных населенных пунктов нет. Непосредственно на русле Днепра, кроме Болшево, располагаются еще 2 деревни. Гидрологический пост в д. Болшево открыт в 1932 г. Пост расположен в 2115 км от устья р. Днепр. Площадь водосбора составляет 247 км2. II. д. Болшево - г. Дорогобуж. В пределах водосбора II участка располагаются города Сафоново, Вязьма с общей численностью населения 111,8 тыс.чел. Сельскохозяйственные территории занимают четверть общей площади рассматриваемого участка. Гидрологический пост в г. Дорогобуж открыт в 1877 г. Пост расположен в 1931 км от устья р. Днепр. Площадь водосбора составляет 6390 км . III. г. Дорогобуж - г. Смоленск. На территории участка располагаются города Ярцево, Дорогобуж. Сельскохозяйственные угодья занимают чуть более четверти площади участка. Гидрологический пост в г. Смоленск открыт в 1876 г. Пост расположен в 1735 км от устья р. Днепр. Площадь водосбора составляет 14100 км2. IV. г. Смоленск - с. Красное (граница Российской Федерации и Республики Беларусь). Из крупных населенных пунктов по основному руслу реки на IV участке расположен только Смоленск. Площадь сельскохозяйственных земель составляет более 30% рассматриваемого водосборного участка. Гидрологический пост на границе Российской Федерации и Республики Беларусь отсутствует. Площадь водосбора составляет 16800 км2.
Характеристика качества речных вод поданным мониторинга
Для эффективной деятельности международной бассейновой системы управления трансграничными водными объектами требуется информационное обеспечение, отвечающее современным принципам интегрированного управления водными ресурсами. Существующая сегодня в бассейне сеть наблюдений за качеством поверхностных вод не адаптирована к требованиям проведения трансграничного мониторинга и не позволяет отслеживать истинную картину состояния рек в трансграничных створах. Пункты наблюдений слишком удалены от государственных границ, в частности, на границе РФ и Беларуси наблюдения по Днепру вообще отсутствуют, что не позволяет выполнить оценку трансграничного переноса с необходимым уровнем достоверности. Последний пункт гидрологического и гидрохимического мониторинга находится в г. Смоленск, расстояние от которого до границы с Республикой Беларусь составляет почти 90 км.
Все реки на территории Российской части бассейна Днепра, как уже отмечалось выше, отнесены к категории рыбохозяйственных водоёмов 2 категории. Это предполагает особый режим хозяйственного использования рек и их водоохранных зон. К сожалению, этот режим часто не соблюдается. В поймах рек ведется выпас скота, здесь располагаются многочисленные объекты, загрязняющие поверхностные водотоки, в основном животноводческие фермы и летние лагеря домашнего скота. Качество сбрасываемых в реки сточных вод в большинстве случаев не соответствует условиям рыбоохраны. Особенно это относится к неорганизованным стокам сельских населенных пунктов и небольших городов [9,49, 61].
Река Днепр на российской части водосборной территории относится в среднеширотнои равнинной реке Восточно-Европейской равнины с характерными для этого региона природными гидрохимическими характеристиками качества воды. Класс воды по классификации О.А. Алскина гидрокарбонатно-кальциевый. В минерализации больше 45% приходится на гидрокарбонатьт [4]. Минерализация в период наименьших расходов изменяется от 300-500 мг/л. Весной в половодье минерализация существенно снижается до 50-100 мг/л. Средняя годовая бихроматная окисляемость речных вод изменяется от 20-30 мг/л. В половодье она может снижаться на треть.
Подробные исследования, проведенные в ГХИ показали, что перманганатная окисляемость для Днепра у г. Смоленска составляет 8,2 мг/л. За год с территории рассматриваемого бассейна стекает в разные годы от 2-4 тонн органических веществ с I км2. В период половодья выносится до 65 % органических веществ от общегодового стока. Кроме того, в природных условиях с 1 км2 может выноситься примерно 3 кг цинка, до 2 кг марганца, и 0,5 кг меди [26, 72].
Анализ данных многолетнего гидрохимического мониторинга Росгидрометом показывает, что в 80-е и 90-е годы речной сток был значительно загрязнен нефтепродуктами (рис 4.11.), фенолами (рис 4.12.), органическими веществами, азотом, фосфатами, железом, медью, марганцем, пестицидами. По индексу загрязненности воды (ИЗВ) качество речных вод в этот период относилось к IV классу - «загрязненные» [32, 34,35].
В 1981-1985 гг. по сравнению с 1976-1980 гг. на участке от пгт. Верхнеднепровского до г. Смоленска произошло снижение содержания в водах реки нефтепродуктов, фенолов, а также аммонийного и нитритного азота, легкоокисляемых органических веществ (табл. 4.10.) [34, 35].
После 1990 г. в связи с падением производства во всех отраслях промышленности, введением платы и штрафных санкций за сброс сточных вод, тенденция снижения загрязнения речных вод продолжалась [14-16, 32]. В 1995 г. из 44 веществ, наблюдаемых в ходе мониторинга, только по шести (органические вещества, азот аммонийный, фосфаты, нефтепродукты, железо и медь) наблюдались превышения рыбохозяиственных ПДК на среднегодовом уровне. Качество воды оценивалось по ИЗВ как «умеренно-загрязненные» (Ш класс).
В 2000 году по данным мониторинга в целом на рассматриваемом водосборе наиболее загрязненным оставался участок пгт. Верхнеднепровский - г. Смоленск. Приоритетными загрязняющими веществами воды оставались также, как и в предшествующие годы, соединения железа и меди. В отдельных пробах воды -нитритпый, аммонийный азот и органические вещества, по которым наблюдалось превышение ПДКр/х. Во всех отобранных пробах концентрации железа общего превышали ПДК.
В целом за период 1985-2000 гг. произошло улучшение качества воды реки Днепр практически на всех участках. Однако качество воды по прежнему остается неудовлетворительным (с позиций рыбохозяиственных ПДК) ниже централизованных сбросов городов, варьируя на уровне III класса загрязненности по комплексному показателю ГХИ и по ИЗВ. Случаи высокого загрязнения и экстремально высокого загрязнения речных вод за период с 1990-2000 гг. не наблюдались [54].
