Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Водные ресурсы основных бассейнов южных рек 13
1.1. Общая характеристика 13
1.2 Антропогенное преобразование стока 21
Глава 2. Экологические особенности естественного воспроизводства проходных и полупроходных рыб 40
2.1. Современные изменения естественного размножения рыб в низовьях рек 41
2.2. Основы реконструкции естественного воспроизводства рыб в условиях регулируемого стока 74
Глава 3. Методические подходы к нормированию безвозвратного изъятия речного стока и установления экологического стока (попуска)... 113
3.1. Состояние изученности вопроса 115
3.2. Общие положения методики по нормированию предельно допустимого безвозвратного изъятия речного стока и установлению экологических стоков (попусков) 129
3.3. Выбор критериев и параметров 134
3.4. Методы определения «критического» расхода воды (объема стока) 139
3.5. Описание результатов применения предлагаемых методов 157
3.6. Оценка степени неблагополучия водных экосистем бассейнов Азовского и Каспийского морей 190
Глава 4. Экологические принципы управления водными ресурсами зарегулированных южных рек России 212
4.1. Оптимизация управления водными ресурсами водохранилищ 212
4.2. Возможные пути экономии воды 237
4.3. Перспективные направления повышения продуктивности и сохранения разнообразия водных биоресурсов 244
Глава 5. Основы политики и возможные пути решения проблемы использования водных ресурсов рек 260
Заключение и основные выводы 282
Список использованной литературы
- Антропогенное преобразование стока
- Основы реконструкции естественного воспроизводства рыб в условиях регулируемого стока
- Общие положения методики по нормированию предельно допустимого безвозвратного изъятия речного стока и установлению экологических стоков (попусков)
- Перспективные направления повышения продуктивности и сохранения разнообразия водных биоресурсов
Антропогенное преобразование стока
Коэффициент вариации стока (Cv) для Дона у станицы Раздорской равен 0,38, что значительно выше по сравнению с другими речными системами.
Водные ресурсы Донского бассейна разными авторами оцениваются по-разному в зависимости от выбранного для анализа гидрологического ряда. Среднемноголетний естественный сток Дона при естественном режиме реки у станицы Раздорской (на участке ниже станицы Раздорской до устья приточность уравновешивается испарением) по данным И.А.Шикломанова [1989] составляет 28,1 км3, по данным В.Г.Симова [1989] - 28,9 км3 (за пе-риод 1881-1951 гг.) и 27,9 км (за период 1891-1951 гг.), по оценкам Северо-Кавказского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов [Косолапов и др., 1999] - 27,6, в устье - 27,7 км3.
Река Кубань (F=57,9 тыс. км ), длина 870 км. Водосборный бассейн охватывает различные по орографическим и климатическим условиям районы Северного Кавказа. Речная система включает свыше 14 тыс. рек длиной более 10 км [Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973], основными из которых являются Теберда, Малый Зеленчук, Большой Зеленчук, Лаба, Пшеха, Пшиш. Особенностью строения гидрографической сети бассейна является ассиметрический характер ее развития. Почти все притоки впадают в Кубань с левой стороны. Правобережные притоки имеются лишь в ее верховье, но число их и протяженность невелики.
В верхнем течении, примерно до г. Черкесск это - типично горная река. Вершиной дельты является место отделения рукава. Протоки дельты представляют собой обширную (площадью примерно 3500 км ) низменность, изобилующую мелководными пресными и. солевыми лиманами и системой ериков.
Сток воды Кубани определяется главным образом дождевым и снеговым питанием, суммарная относительная роль которых составляет около 65%. Большую роль в формировании стока играют также воды от таяния высокогорных снегов и ледников (20%) и грунтовые воды (15%).
Во время интенсивного таяния снега (март-апрель) в бассейне Кубани сток заметно увеличивается. Позднее (май-июль) в результате таяния высокогорного снега и льда следует мощное и продолжительное половодье, обычно сопровождающееся обильными ливневыми осадками. Более 50% годового стока приходятся на период с мая по август. Наименьшие расходы воды в устьевой области наблюдаются в осенне-зимнюю межень, но для этого сезона характерны кратковременные снегодождевые паводки. Р.Кубань отличается стабильностью годового стока (Cv = 0,16-0,18), по сравнению с р.Дон.
На 111-ом км от устья, у х.Тиховского, река отделяет рукав Протоку, а в 16-ти км от устья еще разделяется на два рукава: левый - Казачий ерик, впадающий в Ахтанизовский лиман, и правый - Петрушин рукав (собственно р. Кубань), впадающий в Темрюкский залив Азовского моря.
В Азовское море Кубань впадает двумя рукавами - Протокой и Пет-рушиным, или собственно Кубанью, по которым сток распределяется следующим образом: многоводные и средние по водности годы по Кубани идет 56%, по Протоке - 44% общего стока [Симонов, 1958]; в маловодные годы, - соответственно, 60% и 40%.
Место отделения рукава Протока является вершиной дельты р. Кубань, представляющей собой обширную (площадью около 3500 км2) низменность, изобилующую мелководьями, пресными и солеными лиманами и системой ериков. Особенностью дельты является сложная система озер (лиманов), гидравлически взаимосвязанных между собой (в пределах отдельных групп) и с Азовским морем.
Водные ресурсы р. Кубань (1912-1948 гг.) вблизи вершины дельты, у Краснодара (более длительные наблюдения за стоком по сравнению с х.Тиховским) в годы 25%, 50%, 75% и 95%-ной обеспеченности стока, соответственно, составляли: 15,0; 13,4; 11,7 и 9,7 км3/год [Симов, 1989].
Среднемноголетний естественный сток у г. Краснодар составляет 13,5км3 [Симов, 1989; Шикломанов, 1989].
Малые реки Приазовья (F = 89,4 тыс. км2), их около 20, основные из которых: Берда, Кальмиус с Кальчиком, Миус, Обиточная, Молочная, Ка-гальник, Ея, Челбас, Бейсуг. Величины естественного стока малых рек северного и восточного Приазовья рассчитаны за 1912-1969гг. по эмпирическим связям с модулями годового стока Дона [Дубинина, 1979]. Средний суммарный сток этих рек в Азовском море за рассматриваемый период составил 1,89 км3, экстремумы - 0,5 и 4,1 км3. Среднемноголетний естественный сток рек, впадающих в Азовское море, составляет 41,1 км [Бочков, Иванова, 1972], по данным Шикломано-ва [1979] равен примерно 43 км3. Незарегулированный суммарный приток в море определялся на 68% р. Дон, на 27% - стоком р. Кубань и на 5% - стоком малых рек Приазовья [Иванова, 1976].
Каспийское море - крупнейший бессточный водоем планеты, все компоненты экосистемы которого в большей или меньшей степени отражают влияние речного стока.
Общие водные ресурсы бассейна моря складываются из стока рек: Волги, Урала, Куры, Терека, Сулака, Самура, малых кавказских и иранских рек. Волга, бассейн которой составляет примерно 40% территории водосборного бассейна Каспия, определяет основную часть поверхностного притока в море, составляющую 80% от него.
Основы реконструкции естественного воспроизводства рыб в условиях регулируемого стока
Эффективность нереста рыб в дельте Дона может быть значительно повышена путем устройства и расстановки искусственных гнезд, которые следует располагать на отметках минус 60-80 см (в створе Азова), т.е. на глубинах, имеющих малую вероятность (менее 1%) сгонных колебаний. Имеющийся в этом отношении небольшой опыт свидетельствует в пользу предлагаемого мероприятия.
Нерестилища осетровых в р. Дон общей площадью 1000 га размещались от х.Арпачин до г. Калач на протяжении 1000 км, причем наиболее продуктивные - выше г. Константиновск. В результате ввода в эксплуатацию Цимлянского водохранилища, как уже отмечалось, нерестовый фонд для осетра сократился до 80%, донской севрюги - до 50%, а для белуги - был утрачен полностью. В русле Нижнего Дона сохранились участки площадью 218,4 га, в том числе естественные нерестилища - 76,7%, искусственные - 17,6%, а пригодные для нереста участки, образовавшиеся в результате регулярных дноук-репительных работ, - 5,7% [Макаров, 2000]. Более того, строительство трех низконапорных плотин превратило реку в цепь водоемов водохранилищного типа с замедленной скоростью течения и предопределило значительное заиление водохранилищ. Строительство искусственных нерестилищ в обводных рыбоходно-нерестовых каналах при Константиновской и Николаевской низконапорных плотинах не дало ожидаемых результатов [Ковтун и др., 1987].
Естественное размножение осетра в современных условиях зарегулированного стока Дона четко прослеживается в многоводные и среднемноговод-ные годы [Корнеев, Баскакова, 1984].
Удельный вес естественного воспроизводства осетровых в бассейне Азовского моря после зарегулирования речного стока оценивается Э.В.Макаровым [2000] величиной не более 15%.
Функционирование Цимлянского гидроузла на Дону, контролирующего 70% стока всего бассейна, привело к коренной перестройке не только водного режима, но и существенно изменило термические условия Нижнего Дона. Если в период незарегулированного стока нерестовые температуры полупроходных рыб наступали в среднем в третьей декаде апреля, то в зарегулированных условиях они передвинулись на начало мая, т.е. сдвиг составил 5-Ю дней. В этих условиях массовый нерест полупроходных рыб, приходившийся обычно на конец апреля - начало мая на подъеме половодья, совершается теперь на его спаде. В то же время поздней осенью и зимой (октябрь - март) температура воды выше теперь, чем была до зарегулирования [Дубинина, 1978]. Как было показано выше, существующий водный режим Нижнего Дона, не обеспечивающий нормальных условий для размножения рыб, по-видимому, должен быть пересмотрен с учетом возможностей, открывающихся перед рыбным хозяйством значительной регулирующей емкостью Цимлянского водохранилища.
Азово-Кубанский район. Гидрологические основы воспроизводства проходных и полупроходных рыб в Азовско-Кубанском районе более полно представлены в работах А.Н.Бронфмана, В.Г.Дубининой, Г.Д.Макаровой, [1979], В.Т.Богучарсков, А.А.Иванов [1979], Ю.М.Гаргопы, В.Г.Дубининой, В.М.Шишкина [1981], М.С.Чебанова [1989, 1996]. Следует отметить высокую актуальность и сложность подобных исследований, которые определяются динамичным развитием орошаемого земледелия в бассейне с сопутствующим быстрым изменением водного баланса и режима дельтовых водоемов и водотоков Кубани.
Азово-Кубанский район наряду с Азово-Донским играет ведущую роль в воспроизводстве запасов наиболее ценных видов промысловых рыб Азовского моря. Здесь воспроизводится большая часть севрюги и судака, почти вся тарань и шемая.
Уловы ценных видов рыб в Азово-Кубанском районе с начала активного рыболовства и до начала 50-х годов были довольно стабильными и составляли около 30-50 тыс.т. В середине 30-х годов отмечались максимальные уловы -до 80 тыс.т. Современные уловы (1995 г.) снизились: судака - в 98 раз (560 т), тарани - в 110 раз (195 т). Уникальные популяции осетра и севрюги практически полностью сформированы за счет искусственного воспроизводства [Чеба-нов, 1996].
Основными причинами резкого снижения уловов ценных рыб в Азово-Кубанском районе являются нарушение условий их размножения и питания, изменение водного режима русловых и лиманных нерестилищ, значительный рост безвозвратного изъятия стока р. Кубань, а также загрязнение водных экосистем [Березовская и др., 1982, 1984;Чебанов, 1987, 1989].
Естественные нерестилища севрюги располагались на 200-километровом участке русловой сети среднего течения Кубани между станицами Старо-Корсунская и Кавказская. Их площадь составляла около 370 га. Основные нерестилища осетра находились в крупнейшем притоке р. Кубань -Лабе, водный режим которой больше соответствовал биологическим особенностям осетра [Мусатова, 1973].
Обводнение нерестилищ севрюги происходит за счет Верхней Кубани, формируемой преимущественно притоками: Теберда, Малый и Большой Зеленчуки, Уруп.
Анализ естественного стока Кубани у станицы Темижбекская, Г.Кропоткин за период 1927-1942, 1944-1948 гг. [Дубинина, Гаргопа, 1975; Гаргопа, 1979] показывает, что у станицы Темижбекская водность реки находилась на уровне 5,2 км3 при изменениях в отдельные годы от 3,8 (1930) до 6,4 км3 (1939). При этом во время нереста кубанской севрюги (май-август) сток составлял в среднем 3,5 (2,77-4,48) км или 67,8% годового стока. Максимальные расходы воды в период массового нереста осетровых (июнь-июль) пре-вышали 1400 м /с; средняя скорость течения у Г.Кропоткин в этот же период колебались в интервале 1,2-1,3 м/с. Это способствовало привлечению осетровых из моря на нерест, промывке и очистке русловых нерестилищ, формированию опресненной зоны на предустьевом взморье для адаптации молоди к морскому периоду жизни, благоприятному развитию русловых процессов, а также эффективному размножению полупроходньгх рыб на лиманных нерестилищах.
Общие положения методики по нормированию предельно допустимого безвозвратного изъятия речного стока и установлению экологических стоков (попусков)
Все перечисленные этапы размножения рыб находятся в большой зависимости от скорости течения воды в реке, сроков и продолжительности затопления нерестилищ, термического режима на них, их морфометрических параметров. Кроме того, на эффективность воспроизводства рыб оказывают влияние условия существования производителей и молоди рыб в местах нагула (в данном случае в Таганрогском заливе и Азовском море), а также состояние кормовой базы на местах развития молоди - займищах, лиманах и в море.
Как описано выше, рыбопродуктивность донских займищ зависит от их площади, продолжительности затопления и температурного режима весны. Было выявлено, что даже при благоприятных показателях обводнения займищ результаты нереста в значительной мере лимитируются термическими условиями. В связи с этим подробно исследовались закономерности изменения температуры воздуха и воды во времени и их влияние на урожайность полупроходных рыб [Дубинина, Спичак, 1967; Дубинина, 1968, 1969; Богучарсков, Иванов, 1979].
Для выяснения влияния термического режима на эффективность размножения донского судака были использованы такие имеющие определенную биологическую значимость показатели как: средняя температура воздуха за зимний период, даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 10С и минимальная температура воздуха - через 8С, рассмотрены суточные амплитуды колебания. Причем, анализировались только те годы, когда был обеспечен один из решающих факторов - нормальное обводнение поймы. В этих условиях эффективность размножения мало зависела от продолжительности затопления и определялась в основном температурным режимом весны.
В урожайные по судаку годы средняя температура воздуха в зимний период обычно ниже, чем в неурожайные, и, соответственно, составляет в сред нем - 4,6 и -2,5С. Первая и вторая декады апреля урожайных лет выделяются более низкой температурой, чем неурожайных. В эти годы устойчивый переход средней суточной температуры воздуха через 10С происходит, как правило, в первой, чаще - во второй декаде мая.
В неурожайные годы устойчивый переход температуры через 10С происходит в более ранние сроки - в третьей декаде апреля или в первой декаде мая. Переход же минимальной температуры через 8С может задерживаться даже до июня. Растянутый период теплонакопления является характерным для неурожайных лет.
При наступлении нереста судака (обычно третья декада апреля) особенно опасны резкие колебания температуры. По данным М.А.Полтавчука [1965] и О.Д.Романычевой [1966] оптимальная для размножения судака температура воды лежит в пределах 10-18С. В ранние и, как правило, продолжительные весны с неустойчивым термическим режимом и возвратами холодов наблюдаются резкие суточные колебания температуры воздуха, ее суточная амплитуда может превышать 15С. Такие годы обычно бывают неурожайными по судаку. Примером могут служить следующие после мягких зим весны 1947 и 1948 гг., когда в период нереста и на ранних стадиях развития личинок судака изменение температуры воздуха было скачкообразным, а ее минимальное значение снижалось до 1,6С (15 мая 1947г.)
Напротив, в урожайные годы в нерестовый период резких колебаний температуры воздуха не наблюдается, и накопление тепла происходит относительно равномерно. В отдельных случаях отмечается снижение температуры воздуха, но ее минимальное значение не выходит из оптимальных пределов и поэтому она не оказывает отрицательного влияния на естественное размножение рыб. К сожалению, надежные характеристики многих абиотических и биотических ингредиентов, влияющих на эффективность размножения рыб на Дону, кроме гидрометеорологических, отсутствуют, в связи с чем нами в большинстве случаев использовались косвенные показатели. Так, для оценки условий нагула рыб в Таганрогском заливе изучалась величина солености воды, которая определяет площади нагула молоди и взрослых рыб.
Для характеристики вертикального водообмена, во многом определяющего газовый режим, состояние грунтов, прозрачность и мутность воды, перенос материальных ресурсов в зону активного фотосинтеза и т.д., использовался такой показатель как число дней со скоростью ветра 8 м/с и более. Помимо этого, исходя из характера термического режима в зимне-весенний период, учитывалась также продолжительность преднерестового нагула рыб в море.
Зависимость величин промыслового возврата (Y) от выбранных абиотических и биотических параметров была представлена расширенным уравнением множественной корреляции вида: Y= а;и;+- bjXj + cn + a0, (i = l,2, 3; j = l,2, 3....9) где: Y - промысловый возврат судака; аІ5 bj, с - коэффициенты уравнения регрессии; ub u2, и3 - сток Дона, соответственно, во время захода производителей на нерест; во время нереста (при t = 9-19,5С); за время ската личинок и производителей, км3; Xi - время затопления поймы с учетом благоприятной для нереста температуры (t = 9-19,5C); х2,х3 -дата устойчивого перехода минимальной температуры воздуха через 8С и среднесуточной температуры - через 10С, соответственно; X4 - средняя температура за зиму; X5 - коэффициент вариации минимальной температуры воздуха за время нереста; хб - сумма среднесуточных температур в Дону оті0 до 9С (за время захода производителей на нерест); х7 - сумма среднесуточных температур воды в заливе за период осеннего их понижения от 9 до 1 С; х8 - соленость воды восточной части Таганрогского залива летом, %о; х9 - число дней со скоростью ветра 8 м/с за летний период над акваторией Азовского моря; п - количество производителей, идущих на нерест; а0 - свободный член. Величины її; в условиях зарегулированного режима Дона являются управляемыми, Xj - независимые случайные факторы с равномерным законом распределения в интервале [а; Ь;]. Информационный ряд получен по материалам наблюдений 1923-51 гг.
Средняя относительная ошибка аппроксимации эмпирического ряда составила 17,1%. Коэффициент множественной корреляции R = 0,85; стандартная ошибка коэффициента множественной корреляции aR = 0.074.
Полученная корреляционная связь и достаточно высокие частные коэффициенты корреляции подтвердили правильность построений и определили группу факторов, наиболее значимых для процесса формирования урожайности поколений судака.
Перспективные направления повышения продуктивности и сохранения разнообразия водных биоресурсов
Приоритетом пользуется первая группа, потребности которой удовлетворяются безоговорочно. Потребности второй группы удовлетворяются на основе технико-экономических расчетов.
И.С. Шахов [1980] рекомендует за основу расчета «объема экологического попуска» принимать руслоформирующий расход воды, т.е. «значение расхода воды, соответствующие наибольшему значению произведения удельной мощности потока на продолжительность ее воздействия на речное русло». Рассчитанные объемы экологических попусков для всех рек бассейна р. Урал (приведены расчеты по 21 реке и 24 створам) составляют в среднем 0,25 среднего многолетнего объема годового стока.
Впервые наиболее полно методологические основы расчета «экологического стока», резервируемого ниже створов регулирования и изъятия водных ресурсов в соответствии с требованиями охраны природы, приведены в работах Б.В. Фащевского [1984, 1986, 1989, 1996]. Предложенная процедура расчета экологического стока основана на использовании так называемых гомеостатических кривых (динамики численности организмов планктона и бентоса, воспроизводства рыбных запасов, динамики численности околоводных млекопитающих и птиц, кривых урожайности пойменных лугов и т.д.), полученных для основных рек страны. На основе анализа этих кривых обеспеченности речного стока сделан вывод, что по мере приближения к среднему по водности году количество водных и околоводных организмов нарастает и достигает максимума. В связи с этим верхний пре 121 дел экологического стока (обеспеченность 25%) может быть описан гидрографом естественного стока реки обеспеченностью 50%. Нижний предел экологического попуска (обеспеченность 95%) описывается гидрографом естественного стока 99%-ной обеспеченности, т.е. вековыми запасами водных ресурсов в речной системе. Эти кривые ограничивают диапазон расчетных значений экологического стока реки.
Для практических расчетов экологического стока Б.В.Фащевский рекомендует следующую процедуру.
Статистический диапазон колебаний характеристик стока определяется в области от 1,0% до 99,0% обеспеченности. При этом нижний предел экологического стока определяется гидрографом естественного стока 99%-ной обеспеченности. Верхний предел экологического стока описывается гидрографом естественного стока 50%-ной обеспеченности.
Затем рассчитываются значения естественного годового стока различной обеспеченности и производится выборка соответствующих значений стока расчетной обеспеченности (99% и 50% - для крупных и средних рек). Величина остаточного экологического стока в год 95%-ной обеспеченности принимается равной естественному стоку 99%-ной обеспеченности. Величина остаточного экологического стока в год 25%-ной обеспеченности принимается равной естественному стоку 50%-ной обеспеченности.
На основе матриц естественного среднемесячного стока рассчитывается внутригодовое распределения экологического стока в годы различной обеспеченности. Относительное (в долях от единицы) расчетное внутригодовое распределение экологического стока принимается равным распределению естественного стока той же самой смежной обеспеченности (95-99% и 85-95%, 75-85%о и т.д.). Путем умножения суммарной величины годового экологического стока на относительную величину месячного естественного стока можно получить внутригодовое распределение экологического стока в годы различной обеспеченности.
Параметры кривых обеспеченности годового, внутригодового распределения естественного стока и экологического стока рассчитываются в автоматизированном режиме по специально составленной программе, что значительно упрощает расчет гидрографа экологического стока для всех рек России.
Лежащее в основе метода положение о том, что по мере приближения к среднему по водности году воспроизводство всех организмов увеличивается и достигает максимума, недостаточно обоснованно, и вряд ли этот метод может быть использован в качестве единой методологической основы расчета экологического стока для всех рек. Результаты исследований [Бронфман, Дубинина, Макарова, 1979; Павлов, Катунин и др., 1989; Коз-литина и др., 1998] показали, что для рек, имеющих важное рыбохозяйст-венное значение, оптимум воспроизводства рыб приходится, как правило, на многоводные и среднемноговодные годы 25-40%-ной обеспеченности стока. В экстремально многоводные годы эффективность воспроизводства рыб уменьшается.
Определяя кривую 50%-ной обеспеченности экологического стока как кривую обеспеченности естественного стока со сдвигом на 25% и по сути допуская объемы изъятия до 25% речного стока, вряд ли можно обеспечить устойчивость системы, потому что такая величина для большинства рек может быть критической, а не экологически допустимой. Кроме того, этот метод не учитывает требования к водному стоку водного объекта, замыкающего речной бассейн.
