Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы и методика исследований 10
1.1 Картографические методы анализа трансформации речных бассейнов 10
1.2 Применение ГИС и ДДЗ в эрозионных исследованиях 18
1.3 Методы оценки интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов в речных бассейнах 23
1.4 Методы изучения гидрологических рядов на основе современных методов статистического анализа 26
ГЛАВА 2 Динамика протяженности и густоты флювиальной сети белгородской области 33
2.1 Современная структура речной сети Белгородской области 33
2.2 Деградация региональной речной сети с конца XVIII в. до конца ХХ в . 39
2.3 Развитие эрозионной сети с конца XVIII в. по конец XX в.
2.3.1 Развитие линейной эрозионной сети временных водотоков 46
2.3.2 Развитие русловых эрозионных форм с конца XVIII в. до конца ХХ в. 49
2.4 Природно-антропогенные факторы деградации речной сети и развития овражно-балочной
Белгородской области 57
2.4.1 Изменение климата с конца XVIII в. до настоящего времени 58
2.4.2 Динамика лесистости и распаханности бассейнов 59
ГЛАВА 3 Моделирование и прогнозирование параметров речного стока в изменяющихся климатических и ландшафтных условиях 71
3.1 Динамика стока рек Белгородской области 71
3.2 Моделирование и прогнозирование речного стока с помощью нейронных сетей 78
3.3 Оценка влияния климатических факторов на изменение стока воды в реках с помощью статистических методов 82
3.4 Оценка современной природно-хозяйственной ситуации в речных бассейнах
3.4.1 Ресурсы и использование подземных вод в условиях сильных антропогенных трансформаций 84
3.4.2 Хозяйственное использование и качество поверхностных водных объектов в связи со сбросом сточных вод 86
3.5 Анализ использования водоохранных зон рек Белгородской области 95
ГЛАВА 4 Формирование стока наносов на склонах и заиление водотоков 104
4.1 Изменения формирования стока наносов за последние два столетия 104
4.2 Оценка заиления рек Белгородской области 110
4.3 Аккумуляция наносов в руслах малых рек (на примере городской реки Везелка) 123
ГЛАВА 5 Устойчивость функционирования бассейнов основных рек белгородской области 127
5.1 Геоэкологическая оценка устойчивости бассейнов основных рек Белгородской области 129
5.2 Эколого-хозяйственная ситуация на водосборах основных рек Белгородской области 133 5.3 Мероприятия по улучшению экологической ситуации в бассейнах основных рек Белгородской
области 145
Заключение 152
Список использованных источников 155
- Применение ГИС и ДДЗ в эрозионных исследованиях
- Деградация региональной речной сети с конца XVIII в. до конца ХХ в
- Оценка влияния климатических факторов на изменение стока воды в реках с помощью статистических методов
- Аккумуляция наносов в руслах малых рек (на примере городской реки Везелка)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время при рассмотрении проблем деградации окружающей среды все больше внимания уделяется трансформации речных систем, которые являются, с одной стороны, «ресурсной базой», а с другой, – приемниками многочисленных видов загрязнений. Жизнь рек зависит от процессов, протекающих непосредственно в пределах их водосборов. Интенсивное использование территории речных бассейнов в хозяйственном комплексе напрямую или опосредованно приводит к деградации рек. Так, за последние 200 лет на территории европейской части России протяженность гидрографической сети сократилась на 30-40% (Чендев, 2008). Истоки многих рек начинаются гораздо ниже того положения, которое они занимали в XVIII веке.
Пространственные особенности формирования стока воды являются прямым следствием пространственной неоднородности поверхности суши и климатических условий (Виноградов, 2008). Вместе с тем гидрологическая ситуация в значительной мере определяется историей хозяйственного использования бассейнов рек и водных ресурсов. Решение существующих эколого-гидрологических проблем невозможно без учета пространственно-временных закономерностей функционирования речных бассейнов.
Научно-обоснованная оценка и моделирование речного стока являются важным условием определения происходящих в настоящее время и ожидаемых изменений водных ресурсов и водного режима рек, а также выявления закономерностей этих изменений.
Механизм самовосстановления природной среды, когда нарушения ее структуры и функционирования еще не стали необратимыми, во многом остается неясным (Нефедова, 1977; Дашкевич, 1984; Арманд, 1988). Это указывает на необходимость оценки геоэкологической устойчивости геосистем к антропогенным нагрузкам. При выделении геосистем на основе бассейнового подхода территория расчленяется на водосборы определенных порядков, каждый из которых рассматривается как самостоятельная природная система, включающая в качестве элементов водосборы более низкого порядка.
Решению многофакторных задач комплексной оценки и прогнозирования состояния геосистемы, пространственной и временной координации информации о ней, способствует использование ГИС-технологий и дистанционного зондирования Земли, а также методов математического моделирования.
Цель работы – установить пространственно-временные закономерности функционирования речных бассейнов Белгородской области для геоэкологической оценки их устойчивости к проявлению деградационных процессов.
Основные задачи исследования.
-
Выявить особенности изменения протяженности речной и овражно-балочной сети с конца XVIII в. до начала XX в. в меняющихся климатических и природно-хозяйственных условиях.
-
Ус т а н о в и т ь количественные связи между сложившейся структурной организацией водотоков и темпами изменения протяженности речной и флювиальной сети за двухсотлетний период в целях прогнозирования развития этих процессов.
-
Усовершенствовать методику моделирования и прогнозирования изменения речного стока в изменяющихся климатических и геоэкологических условиях с помощью нейро-технологий.
-
Разработать новую методику оценки заиления рек на основе анализа распределения стока наносов в их бассейнах и транспортирующей способности водотоков.
-
Создать типологию устойчивости функционирования речных бассейнов к проявлению деградационных процессов на основе ретроспективного анализа их функционирования и интегральной оценки сложившейся природно-хозяйственной обстановки.
-
Предложить комплекс природоохранных мероприятий для бассейнов рек VI и VII порядков, учитывающий выявленные пространственно-временные закономерности функционирования водосборов.
Материал и методика исследования.
Теоретическо-методологической основой диссертационного исследования определена бассейновая концепция природопользования (Р. Хортон, Н.И. Маккавеев, А.Д. Арманд, Ф.Н. Мильков, Ю.Г. Симонов, С.Я. Сергин, С.И. Зотов, Р.С. Чалов, Л.М. Корытный, И.П. Ковальчук, О.П. Ермолаев, В.М. Смольянинов и др.), с учетом бассейновой конфигурации ландшафтов (Ю.Г. Симонов, Т.Ю. Симонова, Р.С. Чалов, В.Н. Голосов, В.Н. Бевз, М.Д. Гродзин-ский и др.).
Методика оценки стока речных наносов представлена в работах как зарубежных ученых Milliman & Syvitski, 1992; Summerfield & Hulton, 1994; Harrison, 2000; Verstraeten & Poesen, 2001; Aalto, 2006; Molina, 2008; Yan, 2011; Wilkinson, 2014; Shi, 2014 и др.), так и отечественных (Лисицына, 1960; Бобровицкая, 1972 и др.). Методы расчета транспортирующей способности водотоков разрабатывали В.М. Маккавеев (1940), М.А. Великанов (1949), Е.А. Замарин (1951), В.Н. Гончаров (1954), А.Н. Гостунский (1954), А.В. Караушев (1961), И.Ф. Карасев (1965) и др.
В работе использованы методы геоинформационно-картографического отображения историко-географических ситуаций на разновременных срезах и ГИС-моделирования при-4
родно-антропогенных условий. Оценку интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов в речных бассейнах проводили на основе гидравлических расчетов, методик расчета смыва почвы и распределения стока речных наносов. Для создания математических моделей с целью прогнозирования изменений речного стока применяли методы линейного и нелинейного оценивания, анализ временных рядов, искусственных нейронных сетей.
В исследовании использованы фондовые материалы по климату, речному стоку, подземным водам, объемам водопотребления и водоотведения. Данные о загрязнении поверхностных вод получены из территориальных Отделов водных ресурсов Донского бассейнового водного управления, Центрально-Черноземного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Департамента природопользования и охраны окружающей среды, Управления Росприроднадзора по Белгородской области, Белгородского территориального центра государственного мониторинга геологической среды и водных объектов, Управления эксплуатации Белгородского водохранилища, справочников «Ресурсы поверхностных вод СССР». Данные дополнены авторскими материалами обследований водных объектов региона в 2007 - 2014 гг.
Ретроспективный анализ основан на фондовых материалах, военно-топографических картах 1880-х гг. (М 1:126 000), планах генерального межевания Курской и Воронежской губерний (М 1:84 000), специальной карте Европейской России (М 1:420 000), топографических картах (М 1:50 0000, 1:25 000 и 1:10 000), а также космических снимках высокого (2 м, Google Earth) и среднего (25 м, Landsat) разрешения, данных о лесопокрытых площадях Белгородской области (Терехин, 2013).
Научная новизна работы.
На основе анализа разнопорядковой организации речной сети Белгородской области по топографическим картам М 1: 100 000 и другим разновременным источникам, с учетом установленных фрактальных размерностей речной и эрозионной сети, выявлены закономерности изменения протяженности речной и овражно-балочной сетей на протяжении двухсотлетнего периода.
Аргументирована детерминированность современного геоэкологического состояния бассейнов этапами их хозяйственного освоения и историей трансформации бассейновых ландшафтных систем с точки зрения их гидрофункционирования. Выявлены пространственно-временные закономерности формирования стока рек Белгородской области с учетом иерархических уровней бассейновой организации территории.
С учетом рекомендаций зарубежных ученых об особенностях использования нейронных сетей в целях моделирования водных потоков (Thirumalaiah & Deo, 1998; Abrahart & See, 2000, 2002; See & Openshaw, 2000; Cameron et al., 2002; Pulido-Calvo & Portela, 2007; Makkeasorn et al., 2008) разработана методика нейросетевого прогнозирования среднегодовых расходов воды, учитывающая особенности прогнозирования для водотоков разных типов гидрофункционирования.
Предложена методика оценки заиления водотоков на основе расчета соотношения стока речных наносов и транспортирующей способности водотоков, базирующаяся на апробированных методах гидравлики, современных представлениях об эрозионно-аккумулятивных процессах и применимости дистанционных методов, методах анализа рельефа, позволяющая моделировать и прогнозировать экологическую напряженность на водосборах в зависимости от динамики речного стока.
Разработана типология устойчивости функционирования речных бассейнов к проявлению деградационных процессов, основанная на ретроспективном анализе их функционирования и интегральной оценке сложившейся природно-хозяйственной обстановки.
Предложены авторские рекомендации по почвоводоохранному обустройству бассейнов рек, учитывающие выявленные пространственно-временные закономерности их функционирования.
Практическая значимость работы.
Результаты исследования, включая созданные тематические карты, могут быть использованы при разработке программ по сохранению рек региона, подготовке материалов по проектированию противоэрозионных и лесомелиоративных мероприятий. Предпроектное обоснование водоохранных зон и прибрежных защитных полос передано Департаменту природопользования и охраны окружающей среды Белгородской области в качестве основы для контроля соблюдения водного законодательства.
Результаты исследований использованы в инновационных для территории Белгородской области проектах бассейнового природопользования, что подтверждается выданной автору справкой Департамента природопользования и охраны окружающей среды Белгородской области о внедрении научно-исследовательской работы.
Материалы диссертации вошли составной частью в отчеты по следующим научным проектам: Государственное задание «Космические и геоинформационные технологии мониторинга антропогенно преобразованных ландшафтов и разработка модели экологической оптимизации природопользования для обеспечения устойчивого развития региона» (№ гос. рег. 114062370006); грант РФФИ «Разработка региональных моделей бассейновой организации при-6
родопользования на основе оптимизационных методов и геоинформационного моделирования» (№ гос. рег. 01201265024); грант Президента РФ «Оценка состояния аграрно преобразованных ландшафтов на основе данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационного моделирования» (№ гос. рег. 114121070017); муниципальные контракты 2012-2014 гг. по разработке проектов бассейнового природопользования в муниципальных районах Белгородской области (пример проекта размещен на геопортале ЦКП ФРЦ НИУ «БелГУ» по адресу maps.bsu.edu.ru/baskra/); грант по мероприятию 1.3.2. в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Оценка пространственно-временных закономерностей функционирования речных бассейнов для экологически устойчивого управления окружающей средой» (соглашение № 14.132.21.1387); грант РФФИ «Пространственно-временное моделирование водной эрозии почв средствами ГИС-технологий и оценка ее влияния на состояние малых рек в сложных геоморфологических условиях ЦентральноЧерноземного региона» (№ 16-35-00226).
Положения, выносимые на защиту:
-
Пространственно-временные закономерности сокращения протяженности водотоков, позволяющие прогнозировать направленность и темпы деградации гидрографической сети.
-
Методика моделирования и долгосрочного прогнозирования изменения стока рек с использованием искусственных нейронных сетей.
-
Методика оценки заиления рек на основе анализа распределения стока наносов в их бассейнах и транспортирующей способности водотоков.
-
Типология устойчивости функционирования речных бассейнов к проявлению дегра-дационных процессов на основе ретроспективного анализа их функционирования и интегральной оценки сложившейся геоэкологической ситуации.
Достоверность и обоснованность. Методики опосредованы общепринятыми представлениями и построены на современных способах статистического анализа и геоинформационного моделирования, апробированы геоэкологической наукой. Идеи базируются на обобщении передового опыта отечественных и зарубежных ученых. Полученные в результате работы выводы подтверждаются результатами полевых исследований.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным трудом.
Научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Из научных трудов, опубликованных в соавторстве, в работе использованы лишь те идеи и положения, которые являются результатом личной работы соискателя.
Апробация работы.
Результаты исследования докладывались и обсуждались на научных и научно-практических мероприятиях: XXI пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Новочеркасск, 2007); VII и IХ семинарах молодых ученых вузов, объединяемых межвузовским координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2008; Волгоград, 2012); Всероссийском конкурсе студенческих PR-проектов (Волгоград, 2008), Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Регион социально-географические аспекты» (Харьков, 2009; 2010); Всеукраинских конференциях с международным участием «Молодые ученые - географической науке» (Киев, 2010; 2011); Международных научных конференциях студентов и аспирантов «Географические исследования: история, настоящее, перспективы», посвященной памяти проф. Г.П. Дубинского (Харьков, 2011; 2012); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика-2012»; V Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2013 г.), областном молодежном конкурсе «Молодость Белгородчины» (Белгород, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, индексируемых в международных базах данных Scopus и Web of Science, 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 монографии (в соавторстве). Получены 4 свидетельства о регистрации баз данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 352 наименований (из них 80 на английском языке). Основной текст диссертации изложен на 154 страницах машинописного текста и содержит 34 таблиц и 56 рисунков.
Благодарности. Автор выражает благодарность за научное руководство д.г.н., проф. Ф.Н. Лисецкому, а также всему коллективу Федерально регионального центра аэрокосмического и наземного мониторинга объектов и природных ресурсов НИУ «БелГУ».
Применение ГИС и ДДЗ в эрозионных исследованиях
Таким образом, для анализа гидрографических изменений во времени доступны карты: XVIII в. – Планы Генерального Межевания ((1: 84000), XIX в. – Специальная карта Европейской России (Стрельбицкого) (М 1:420 000). Для региональных ретроспективных исследований, по-нашему мнению, наиболее применим в качестве единой картографической основы масштаб современных карт 1: 100 000. На картах этого масштаба полностью отражена структура и протяженность гидросети. На картах более мелкого масштаба в результате генерализации происходит «потеря густоты» речной сети (Иванова, 1996). Карты конца XVIII в. имеют приблизительную масштабную основу (1:84 000). Карты конца XIX в. значительно отличаются по масштабу, что приводит к невозможности оценки изменения протяженности речной сети, т.к. разница длины водотоков, определенная по разновременным источникам может быть искажена различиями при генерализации.
Анализ одних и тех же участков реки на картах 1:100 000 и 1:500 000 масштабов показал, что потеря сведений о длине русла в случае обычного сопоставления масштабов составляет в среднем 2 %. Другие авторы (Мельник, 2007) установили при сопоставлении большого даипазона масштабов более высокие величины ошибки: «Анализ одного и того же участка реки на картах 1:50 000 и 1:200 000 масштабов показал, что потеря сведений о длине русла в случае обычного сопоставления масштабов составляет 15 %». Однако, оценка суммарной длины рек по разномасштабным картам показала, что при переходе от масштаба 100 000 к 155 000 протяженность речной сети изменяется на 16%, а – от 25 000 к 100 000 на 21%, от 1:100 000 к 1:500 000 на 35%, а от 25 000 к 500 000 на 50%. Согласно данным А.М. Комкова и И.Б. Кострицы (1945) протяженность речной сети на картах миллионного, пятисоттысячного и двухсоттысячного масштабов по сравнению с картами стотысячного масштаба сокращается на 51, 33 и 14 % соответственно. Таким образом, не корректна количественная оценка параметров речной сети по разномасштабным картам.
Нами была проведена оценка длины участков русел рек по старым картам и современным сходного масштаба. Она показала, что средняя относительная ошибка измерений составляет менее 1 %. Результаты измерений Н.И. Ивановой (1996) при сопоставлении точности отображения русел рек между фиксированными пунктами показали, что на картах 40-50 гг. ХХ в. протяженность русел на 2-3% выше, чем на картах прошлого века (сравнивались 3-х верстовая карта (М 1: 126 000) и топографическая карта М 1: 100 000)
Вполне рутинные топографические измерения на местности уже в XIX веке давали точность не хуже 0,1-0,2 угловых секунд. В ряде случаев авторы указывают координаты объектов с точностью до одной сотой секунды! (Исторический очерк…, 1972). Ошибка длины участков рек между разномасштабными старыми картами также не превышает 2%. Полученные результаты подтверждаются и другими авторами (Дегтярь, 2005): «При сравнении карт 3-х верстового (М 1:126 000) и 10-верстового (М 1:420 000) масштабов обнаруживается, что увеличение длины падает, преимущественно на верхнее течение, где 3-х верстовая карта дает длину на 10% больше, чем 10-ти верстовая (на 10-верстовой карте многие меандры генерализованы)».
При использовании фрактальной методики погрешность метода измерения и вычислений составляет 3 % (Мельник, 2007). Вычисление фрактальной размерности геоморфологических объектов позволяет сохранить неизменной информацию об их морфометрии и морфологии при произвольном изменении масштаба рассмотрения. Оценка измерений длины рек по одномасштабным старым и современным картам свидетельствует о возможности применения фрактальной размерности при переходе от одного масштаба на современной карте к другому на картографических источниках прошлых столетий.
Современные работы по оценке деградации речной сети Восточно-Европейской равнины выполнены А.П. Дедковым (1993), А.В. Черновым (1994), Н.Н. Ивановой, В.Н. Голосовым, А.В. Паниным (1996), А.В. Паниным, Н.Н. Ивановой, В.Н. Голосовым (1997), Ю.Г. Чендевым (2008), В.Г. Белеванцевым (2012) и др. Однако, основной проблемой анализа изменений протяженности речной сети более чем за столетний период с помощью картографических источников является отсутствие единой масштабной основы. Привлечение разновременных старых карт на одну территорию затрудняется отсутствием одномасштабных картографических источников. Возникает проблема масштабирования, т.е. перевода информации из одного масштаба в другой, – это прежде всего проблема нелинейности между процессами и переменными, а также гетерогенностью свойств, определяющих скорость процессов. Поэтому для привлечения картографических данных конца XIX в. (М 1: 420 000), которые значительно отличаются по масштабу от других используемых источников (М 1: 84 000; М 1: 100 00), нами была использована фрактальная размерность густоты речной сети.
Относительно простые степенные геометрические отношения, определяющие фрактальную размерность, предложены Б. Мандельбротом в 1967 г. (Мандельброт, 2002). Они позволяют получить диапазон масштабов в котором существует самоподобие явления. Методика фрактального описания формы речных систем впервые была предложена Л. Ричардсоном [цит. по: Мандельброт, 2002].
На сегодняшний день трудно однозначно охарактеризовать геолого-геоморфологический смысл фрактальной размерности большинства исследуемых извилистых и разветвленных структур. Однако фрактальный анализ становится содержательным только в том случае, когда хотя бы на общем уровне понята его не математическая, а физическая сущность (Мельник, 2007). Фрактальными свойствами обладают и отдельные водотоки русла, и разветвленные речные структуры. Основным свойством фрактальных структур является самоподобие. Общие закономерности, лежащие в основе меандрирования и бифуркации русла, действуют на всех уровнях речной системы, тем самым порождая её самоподобную морфометрию. Такая фрактальность сохраняет некое качество природных структур при изменении пространственных масштабов, это свойство автомодельности является существенным фактором в исследовании формы и, как следствие, динамики процессов их образования, поскольку упрощает математическое моделирование задачи (Мельник, 2009).
Величина фрактальной размерности определяет сложность структуры, это удобная количественная мера не идеальности объектов: извилистости контура, морщинистости поверхности, трещиноватости и пористости объёма. Анализ фрактальной извилистости и разветвлённости показывает очевидную связь образования и формы самоподобных структур с гидрологией русловых процессов. Однако неочевидна суть этой взаимосвязи, неясно, какие параметры определяют фрактальность речной сети.
Исследования фрактальных свойств русловой сети представлены во многих работах (Berquist, 1985; Snow, 1987; Поздняков, 1988; Пузаченко, 1997; Балханов, 2004; Яшков, 2005; Иванов, 2006; Короновский, 2006; Мельник, 2008; Чупикова, 2010). Предложены результаты фрактального анализа извилистости участков рек рассмотрены А.В. Дегтярем (2005), М.А. Мельник (2007). Анализ фрактальных размерностей речных сетей более чем 200 бассейнов крупных рек проведен Сидорчуком (2014). Установлено, что фрактальная размерность тесно связана с густотой речной сети. Фрактальная размерность эрозионной сети для разномасштабных карт определена А.Г. Нарожней (2012). Обосновано, что густота речной сети при разных масштабах обладает фрактальными свойствами. Фрактальная размерность густоты речной сети применена для обеспечения возможности оценки динамики густоты рек по разновременным разномасштабным источникам.
Деградация региональной речной сети с конца XVIII в. до конца ХХ в
Речные бассейны Белгородской области относятся к бассейнам Днепра и Дона. Речной системе Днепра принадлежит 221 река общей длиной 1464 км, а в речной системе Дона насчитывается 380 рек, имеющих суммарную длину 3100 км1 (Реки…, 2015).
В литературных источниках приводятся различные характеристики речной сети Белгородской области: 480 речек и ручьев (длиною более 3 километров) при общей протяженности речной сети 5000 км (Галимская, 1976, с. 33); 575 постоянных водотоков различной длины общей протяженностью 3923 км, у 97 водотоков длина превышает 10 км (Петин, Сердюкова, Шевченко, 2005); 458 водотоков, из них 105 длиною более 10 км, а суммарная протяженность речной сети – 4025 км.
В книге «Реки и водные объекты Белогорья» (2015 г.) показано, что на территории области в настоящее время насчитывается 601 водоток (постоянные и пересыхающие, включая безымянные) общей протяженностью 4564 км. Средняя густота речной сети оценивается в 0,176 км/км2. Всегда целесообразно отмечать на каком масштабном уровне выполнено исследование, т.к. такие оценки масштабнозависимые.
Нами была выделена речная сеть по топографической карте М 1:100000 (состояние местности на 1982 г.). На указанном уровне генерализации по территории Белгородской области протекает 754 постоянных и временных водотоков (без учета порядков) общей длиной 5004 км (включая старицы и рукава) (рисунок 2.1).
Направление течения рек к юго-западу и югу, с одной стороны, и к северу и северо-западу, с другой стороны определяет водораздел широтного направления протяженностью 231 км (до бассейна р. Оскол), который находится в северо-западной части Белгородской области. Он проходит по северной границе таких речных бассейнов, как Ворскла и Северский Донец.
Разделение поверхности водосбора на части по отношению к рекам различных порядков, входящим в бассейн, позволяет увидеть пространственную организацию стока внутри речного бассейна. Для этого достаточно разделить на порядки не только русла, но и склоны.
Эти результаты существенно отличаются от подсчетов воронежских гидрологов по картам масштаба 1:200 000 (Дмитриева, Казьмина, 2014): в речной системе Днепра – 256 водотоков, в бассейне Дона – 202 водотока. 91 61 Бассейны рек Белгородской области (VI, VII – их порядки) В области нет крупных рек, однако здесь либо находятся истоки, либо ее территорию пересекают крупные трансграничные реки: Северский Донец, Сейм, Псёл, Оскол, Ворскла, Айдар. Характерно, что все средние реки, за исключением Оскола и его притока Убля, берут начало на территории области. Нами была проанализирована разнопорядковая структура речной сети в бассейнах основных рек Белгородской области. Бассейн р. Ворскла
Площадь бассейна составляет 14,7 тыс. км2 (в пределах области – 2482 км2). Ворскла – река VI порядка, длина реки в пределах Белгородской области 118 км. Общая длина речной сети – 701,8 км. Средняя величина густоты речной сети (0,28 км/км2) довольно равномерно распределена по территории бассейна. Речная сеть до V порядка представлена водотоками менее 10 км. Порядковая структура водотоков свидетельствует о значительном расчленении среднего звена речной системы (прил. 1). В структуре речной сети преобладают водотоки III порядка, общая длина которых значительно больше протяженности водотоков всех других порядков. Также получили развитие водотоки II и IV порядка. При такой иерархической организации происходит оптимальное распределение наносов внутри речной системы, что предотвращает заиление русел водотоков среднего и нижнего звена.
Бассейн р. Псёл
Площадь водосборного бассейна – 22,8 тыс. км2 (10% на территории области). Река Псёл (VI порядка) является левым притоком р. Днепр. Длина реки – 717 км (из них 42,8 км по территории Белгородской области). Длина речной сети составляет 601,3 км. Средние значения густоты речной сети составляют 0,26 км/км2, при этом значительно отличаясь по территории бассейна. Северная часть менее водная, густота рек здесь колеблется в пределах 0,16-0,25 км/км2, в южной части бассейна – 0,26-0,35, в некоторых бассейновых структурах поднимаясь до 0,40 км/км2. Бассейн Псёла на территории области представлен малыми и самыми малыми реками. Ручейковая сеть не развита.
Обращает на себя внимание малое количество водотоков I порядка, что свидетельствует о деградации верхнего звена речной сети (прил. 2). Хотя соотношение длин II и III порядка соответствует закону Р. Хортона (Динамическая геоморфология, 1992), количество водотоков II звена почти в 2 раза меньше, чем в нормальном бассейне, что может способствовать углублению русел более низкого порядка.
Бассейн р. Сейм
Общая площадь бассейна составляет 27 500 км2, из которых лишь 3% приходится на территорию Белгородской области. Длина реки Сейм (река V порядка) составляет 748 км, из которых только 31,8 км приходится на территорию Белгородской области. На протяжении первых 25 км Сейм не имеет постоянного водотока. Общая длина речной сети в Белгородской части бассейна составляет 255,2 км. Средняя густота речной сети – 0,31 км/км2, причем по территории бассейна речная сеть распределена неравномерно: в северо-восточной части густота равна 0,16-0,25 км/км2, а в юго-западной – 0,36-0,5 км/км2. Длина речной сети не превышает 50 км.
На территории бассейна около 50% общего количества водотоков относятся к I порядку, хотя их длина не превышает 21% (прил. 3). Бассейн значительно расчленен в верхнем и среднем звене речной сети. Имеет место значительное развитие ручейковой сети (водотоки первого порядка). Такая организация территории увеличивает риск заиления русел, ввиду поступления избыточного количества наносов в малые реки.
Бассейн р. Северский Донец
Площадь бассейна р. Северский Донец (без бассейна р. Нежеголь) в пределах Белгородской области составляет 3706,5 км2. Северский Донец – самый крупный приток Дона (VII порядок на территории области). Хотя по своей протяженности в пределах области (110,7 км) эта река короче Ворсклы и своего левого притока Оскола, по народнохозяйственному значению она не уступает им. Общая длина речной сети равна 773,3 км. При средней густоте речной сети 0,21 км/км2 в верховьях она ниже и составляет около 0,18 км/км2.
Структура речной сети более чем на половину представлена водотоками II порядка длиною менее чем 10 км (прил. 4). Это объясняется в том числе тем, что на территории области находятся истоки реки. Речная система Северского Донца отличается значительным расчленением бассейна в среднем и верхнем звене. Таким образом, наносы, поступающие из верхнего звена могут быть переотложены в среднем, что позволяет говорить об устойчивости бассейна к проявлению антропогенной нагрузки.
Бассейн р. Нежеголь
Площадь бассейна р. Нежеголь в пределах области составляет 2846,6 км2. Нежеголь река VI порядка, приток Северского Донца. Длина реки составляет 85,4 км. Общая длина речной сети составляет 623,6 км. Средняя густота речной сети составляет 0,22 км/км2. Но если густота речной сети в бассейнах рек Корень и Короча не превышает 0,2 км/км2, то в бассейне р. Нежеголек превосходит 0,4 км/км2. Речная сеть в бассейне Нежеголи формируется преимущественно за счет водотоков длиной менее 10 км и малых рек в диапазоне длин 51-100 км.
Оценка влияния климатических факторов на изменение стока воды в реках с помощью статистических методов
Почвенный покров Белгородской области обладает благоприятными инфильтрационными свойствами для формирования подземного стока и равномерной его разгрузки в реки в течение года (Колмыков, 2008). Однако при ливневом характере осадков большее влияние на сток оказывает не инфильтрация, а поверхностное задержание воды атмосферных осадков в углублениях, создаваемых агротехническими приемами. Поверхностное задержание воды атмосферных осадков определяется во многом суммарным объемом микродепрессий на склонах (Будник, 2007).
Увеличение концентрации и объема склонового поверхностного стока, происходящее на распаханных землях речного бассейна от водораздела к днищу долины, обусловливает закономерную последовательную смену преобладающих видов поверхностного стока: микроручейковый – струйчатый – овражный, что создает набор характерных форм эрозии (Ермолаев, 1989). Расчет рельефной функции LS (Morgan, 1979) (Буряк, 2015), показал, что наибольшим эрозионным потенциалом рельефа обладают бассейны восточной части области, наименьшим – в северной и юго-западной (таблица 2.4).
Эродированность почв выступает как дополнительный усугубляющий эрозионный фактор, снижающий противоэрозионную устойчивость почв. По данным дешифрирования аэрофотоснимков в работе Ф.Н. Лисецкого и Л.В. Марциневской (2009) рассчитано, что за 30 лет площадь эродированных земель возросла не менее чем на 6% и к 2009 г. составила 59,7% общей площади региона. Распределение между площадями отдельных категорий эродированности: слабосмытыми – среднесмытыми – сильносмытыми отражает отношение 1:0,36:0,16 (Реки…, 2015). Наибольшие показатели эродированности наблюдаются в бассейнах Валуй, Нежеголь, Тихая Сосна, Северский Донец (45-51%). Наиболее низкие значения эродированности характерны для Псёла, Сейма, Черной Калитвы и Потудани (20-26%). Айдар, Ворскла и Оскол имеют средние показатели (33-39%).
Оценка корреляции по Спирмену показателей эрозионной ситуации свидетельствует о наличии связи (R2=0,54) между густотой эрозионной сети и рельефной функцией. Между другими показателями эрозионной ситуации корреляция не выявляется. Это может быть связано с мелкомасштабностью исследований по бассейнам VI-VII порядка, на этом уровне организации бассейны приобретают региональные черты природно-климатических условий. Отмечено (Шелякин, 1993), что тесная связь наиболее значимого фактора рельефа – уклона – с эродированностью почв проявляется при исследовании по крупномасштабным картам в условиях конкретных водосборов, а при переходе к более мелкому масштабу утрачивается. Отдельно можно выделить бассейн Черной Калитвы, для которой характерны как максимальная эрозионная опасность рельефа (LS), так и максимальная густота эрозионного расчленения. Однако эродированность данного бассейна при сравнении с другими бассейнами области минимальная. Бассейны Тихой Сосны и Валуя имеют высокие значения всех показателей эрозионной ситуации. Бассейны Псёла и Сейма характеризуются наиболее благоприятной обстановкой (по величинам рельефной функции и развитию эрозионных процессов).
На территории Белгородской области эрозионные формы чаще всего представлены оврагами, балками и речными долинами. Расчлененность территории области весьма неравномерна. Величина густоты эрозионного расчленения по данным разных авторов колеблется от 0,2 до 1,9 км/км2 (Очерки краеведения, 2000; Атлас природные ресурсы…, 2005; Белоусова, 2013.). В левобережной части Северского Донца, в средней части бассейна Оскола и на северо-востоке области, где поверхность покрыта ледниковой мореной и покровными суглинками, отмечается сильная расчлененность овражно-балочной сетью – от 1,6 до 1,9, иногда более 2,0 км/км2 (Очерки краеведения, 2000). Протяженность овражно-балочной сети (ОБС) оценивается в 18,5 тыс. км (Нечетова, Нарожняя, 2010), суммарная протяженность эрозионной сети, включающей также речные долины, – 22,5 тыс. км (Нарожняя, 2011). Длины тальвегов выделенных форм линейной эрозии колеблются от 0,060 до 197,8 км.
Важность ретроспективного анализа состояния флювиальных систем до начала нарушения человеком их динамического равновесия и на различных этапах хозяйственного освоения для оценки пространственных масштабов, выявления тенденций и установления темпов изменения состояния малых рек и их бассейнов, подчеркивает И.П. Ковальчук (2000). Пределы эрозионного расчленения, ограничение этого процесса, создаваемые естественными условиями и комплексом противоэрозионных мероприятий, рассматривалось многими исследователями (Швебс, 1974; Косов и др., 1975; Курдюмов, 1977; Рысин, 1998 и др.).
Нами рассчитана густота овражно-балочной сети в пределах водосборов IV порядка за последние 200 лет (рисунок 2.8, таблица 2.5). Она определялась без учёта протяжённости постоянных водотоков. На основе процедур геомоделирования отвекторизованные данные линейной эрозионной сети по картографическим источникам конца XVIII в. и конца ХХ в. были преобразованы в значения густоты овражно-балочной сети в бассейнах IV порядка на территорию области. Путем вычитания растров густоты овражно-балочной и речной сети на современном этапе и прошлых столетий в ArcGIS получена карта прироста эрозионной сети. Для количественной характеристики степени трансформации овражно-балочной сети полученные приведены к единому масштабу на основе коэффициентов фрактальности. Более подробно методика ретроспективного анализа представлена в главе 1. Рисунок 2.8 – Динамика густоты овражно-балочной сети Белгородской области за период с конца XVIII в. по конец XX в.
Установлено, что в конце XVIII в. длина эрозионной сети области составляла 15242 км, однако, к ХХ в. она увеличилась до 18064 км. Скорость прироста составила почти 13 км/год. Произошедшие изменения внутри бассейнов отражены в таблице 2.5. К настоящему времени густота овражно-балочной составляет 0,70 км/км2. Наиболее сильное эрозионное расчленение отмечено в бассейнах Черной Калитвы ((0,80 км/км2), Айдара (0,71 км/км2), Оскола (0,70 км/км2) (см. рисунок 3.4). Этот район характеризуется также максимально интенсивным оврагообразованием (Хрисанов, 2015). Наименьшие значения наблюдаются в бассейнах рек Сейм (0,4 км/км2), Псёл (0,5 км/км2) и Нежеголь (0,6 км/км2).
Исследования оврагообразования на территории этих бассейнов также подтверждает небольшую активность эрозионных процессов (Хрисанов, 2015). Остальные бассейны имеют сходные показатели густоты овражно-балочной сети. Проведенный анализ показал, что, несмотря на увеличение густоты горизонтального расчленения территории, характер ее пространственного распределения с конца ХVIII в. не изменился, несмотря на антропогенный прессинг. Самыми высокими темпами изменения протяжённости эрозионной сети характеризуются бассейны Черной Калитвы (33%) и Сейма (32%). Тихая Сосна, Северский Донец, Валуй, Потудань характеризуются изменениями ОБС 18-24%. Бассейны рек Айдар, Нежеголь, Оскол, Псёл, Ворскла имеют показатели изменения овражно-балочной сети в 14-16%. Таким образом, можно сделать вывод, что природные особенности территории определяют характер развития эрозионных процессов, в то время как антропогенная составляющая определяет их интенсивность.
Аккумуляция наносов в руслах малых рек (на примере городской реки Везелка)
В верховье реки класс загрязненности воды 3 «а», загрязненная. ПДК превышены по сульфатам, БПК5, незначительно – по нитритам. Ниже по течению в пределах города Белгород класс качества воды меняется на 3 «б», очень загрязненная. Ниже впадения реки Везёлка (городской реки, класс качества 4 «а»), в с. Пушкарное класс качества воды – 3 «б», очень загрязненная. В связи со сбросом сточных вод г. Белгорода качество воды не соответствует ПДК по сразу нескольким компонентам. Ниже по течению (с. Графовка), после принятия через приток р. Разумную сточных вод ГУП «Белводоканал», класс качества воды меняется на 4 «а», грязная. Состав воды не соответствует рыбохозяйственной категории по содержанию все большего количества веществ. Отсутствие промышленных предприятий и урбанизированных территории ниже по течению позволяет активизироваться процессам самоочищения воды в реке, и в с. Новая Таволжанка класс качества воды становится - 3 «б», очень загрязненная. Наиболее крупные промышленные предприятия по Северскому Донцу: филилал ОАО «Квадра» Белгородская ТЭЦ», МУП «Горводоканал» Белгородский», МУП «Городское ВКХ «Шебекинский», ООО «Дмитротарановский сахарный завод». Река Северский Донец принимает через приток р. Нежеголь сточные воды МУП «Горводоканал» г. Шебекино. Распаханность бассейна (53%) и большое сосредоточение животноводческих ферм 188 шт. (удельный показатель ферм на единицу площади – 0,050 ед/км2) также способствуют поступлению загрязнителей в реку.
Малые реки более остро реагируют на антропогенные нагрузки. В устьевом створе р. Везелка (Болховец) класс качества воды 4 «а», грязная, который не меняется в течение последних 5 лет. Состав воды не соответствует рыбохозяйственной категории по содержанию многих загрязнителей. Река Везелка, правый приток Северского Донца – типичная малая река V порядка. Она является основной рекой города Белгорода: на ее водосбор приходится 55% площади городских земель. Из общей длины реки – 27,4 км в границах города находится 10-километровый участок низовья (9,75 км). Здесь находится городской водозабор подземных вод №3 (водоотбор – 45-52 тыс. м3/сутки), а выше по течению – водозабор №5 (водоотбор – 30 тыс. м3/сутки). Основным загрязнителем реки является: ЗАО «Белгородский цемент»; ОАО «Белгородасбестоцемент»; ОАО «Завод лимонной кислоты «Цитробел»; водозабор №3; водозабор №5; карьер «Полигон»; отстойник комплекса КРС СХК «Новая жизнь»; сброс ливневой канализации г. Белгород; сброс очистных сооружений п. Майский. Поверхностные и подземные воды в бассейне Везелки загрязняются десяткой промышленных предприятий, несанкционированными свалками и т. д.
Река Волчья – приток 1 порядка реки Северский Донец, выходит за пределы Белгородской области в Харьковскую область (Украина) и впадает в реку Северский Донец на 909 км от устья. Класс качества воды 3 «а», загрязненная. Река Уды – приток 1 порядка реки Северский Донец. На границе Белгородской и Харьковской областей, в с. Щетиновка, класс качества воды - 4 «а», грязная. Река Лопань – приток 1 порядка реки Уды, течет по территории Белгородского района и впадает в реку Уды в Украине. В створе на границе Белгородской и Харьковской областей, в с. Красный Хутор, класс качества воды 4 «а», грязная. Другие реки бассейна также характеризуются превышениями ПДК: р. Харьков, р. Липовый Донец и р. Сажновский Донец.
Бассейн р. Нежеголь.
Класс качества воды – 3 «а», загрязненная. В донных отложениях повышенное содержание фенолов. В р. Нежеголек превышены нормы ПДК в 3 раза по фосфатам. В бассейне реки находится крупный населенный пункт Шебекино, сточные воды которого поступают в реку. Также крупным водопользователем в этом бассейне является ЗАО «Краски», ЗАО «Коммунальное предприятие «Логовое». Распаханность бассейна (56%) и наличие значительного количества животноводческих ферм (164 фермы, удельный показатель ферм на единицу площади – 0,058 ед/км2) также обуславливают неудовлетворительное состояние качества воды в реках.
Бассейн Тихой Сосны.
В бассейне реки класс качества воды в реке характеризуется как загрязненная (3 «а»). Превышения ПДК есть по сульфатам, БПК5, нитритам. Сульфат-ион может быть информативным индикатором антропогенного загрязнения, привносимого недостаточно очищенными промышленными (с использованием серной кислоты и ее производных), сельскохозяйственными и бытовыми стоками (от отходов органических веществ, содержащих серу). В реку поступают сточные воды: ООО «Красногвардейский водоканал», ЗАО «Сахарный комбинат «Алексеевский», ОАО «Эфирное», МУП «Горводоканал» Алексеевский. Высокая распаханность бассейна (53%) приводит к значительному поступлению азотсодержащих удобрений в реку, органических соединений. В бассейне Тихой Сосны находится 84 животноводческие фермы, удельный показатель ферм на единицу площади – 0,032 ед/км2.
Бассейн Ворсклы. В реке качество воды в створе на границе Белгородской и Сумской областей, в с. Козинка – 3 «б», очень загрязненная. Качество воды не соответствует рыбохозяйственной категории по содержанию ХПК, нитритов, фосфатов. Превышение ПДК по отдельным загрязнителям свидетельствует о преобладании сельскохозяйственной нагрузки на качество воды. Распаханность бассейна достигает 58%. Крупными промышленными предприятия являются ООО «Металл-Групп», ЗАО «Томаровский мясокомбинат», ЗАО «Сахарный комбинат «Большевик». Также в бассейне располагаются 95 животноводческие фермы. Неудовлетворительная очистка сточных вод ведется на: ООО ОС «Биосинтез» г. Строитель, ООО «Металл-Групп» Яковлевского района, ООО «Вода» п. Борисовка и др., что отрицательно сказывается на качестве воды поверхностных водных объектов.
Приток Ворсклы, малая река Ворсклица (длина на территории области 53 км) более остро реагирует на антропогенную нагрузку. Как следствие, класс качества воды в ней 4 «а», грязная, ухудшился с 3 «б», очень загрязненная за период 2010-2013 гг. Состав показателей не соответствующих ПДК, свидетельствует о значительном влиянии промышленных стоков на качество воды в реке. Основным водопользователем в бассейне малой реки является ОАО «Новопесчанское». Качество воды в притоках Ворсклы также не соответствует рыбохозяйственной категории.
Бассейны рек Псёл и Сейм.
Бассейны этих рек представлены верховьями. Однако влияние антропогенных факторов приводит к загрязнению воды даже их истоков. Река Псёл имеет 3 «а» класс качества, загрязненная. В сравнении с 2013 годом качество воды осталось прежним, но в сравнении с 2010-2012 годами – ухудшилось со 2 класса, слабо загрязненная. Река Сейм, класс качества воды 3 «а», загрязненная, не изменился в сравнении с 2013 годом, с 2010 по 2012 годы, класс качества воды соответствовал 2 классу, слабо загрязненная. Качество воды не отвечает установленным требованиям для водного объекта, имеющего рыбохозяйственное значение, по содержанию фенолов, нитритов. На качество воды влияют как сброс сточных вод в эти реки, так и высокая распаханность представленных водосборов (64% и 67% соответственно), наличие животноводческих ферм (удельный показатель ферм на единицу площади – 0,037 и 0,058 ед/км2 соответственно). Бассейн Валуя.
Наблюдения за качеством воды выполнены в притоке Валуя - р. Палатовка. Крупными водопользователями являются ОАО «Валуйский комбинат растительных масел», ОАО «Валуйки сахар» и др. Распаханность бассейна составляет 50%. Удельный показатель ферм на единицу площади - 0,035 ед/км2.
Таким образом, большинство рек Белгородской области относятся к 3 классу чистоты. К разряду «грязная», 4 класс относятся Белгородское водохранилище на реке Северский Донец, притоки Северского Донца: Болховец (Везелка), Уды, Лопань; Осколец, Ворсклица. В реках Оскол и Северский Донец загрязненность воды меняется от 3 до 4 класса чистоты.
Критическим показателем загрязненности в целом по бассейну признан азот нитритный. Характерными загрязняющими веществами водных объектов области являются легко и трудноокисляемые органические соединения по БПК5 и ХПК, азот нитритный, сульфаты. Продолжает оставаться устойчивой загрязненность азотом аммонийным, фосфатами.
Таким образом, наибольшему антропогенному воздействию подвержены бассейны: - р. Северский Донец с максимальными объемами потребления подземных и поверхностных вод, а также максимальным объемом сброса сточных вод. Для этого бассейна характерно самое большое по области количество очагов загрязнения подземных вод, а класс качества воды в реке - 4 «а», грязная; - р. Оскол, характеризующаяся немного меньшими, чем в Северском Донце, но значительными объемами потребления подземных и поверхностных вод, а также большим объемом сброса сточных вод. Для этого бассейна также характерно наличие очагов загрязнения подземных вод, в т.ч. превышающих 10 ПДК. Класс качества воды в реке - 4 «а», грязная.
Ворскла и Тихая Сосна характеризуются значительными объемами потребления подземных и поверхностных вод, а также большими объемами сброса сточных вод. Класс качества воды в реках 3 «б», очень загрязненная и загрязненная, 3 «а» - соответственно. Для Псёла характерно значительное потребление поверхностных вод, и сброс в них сточных. Однако, забор воды из подземных источников незначителен. Река имеет 3 «а» класс качества, загрязненная. Валуй и Нежеголь характеризуются небольшими объемами забора воды из подземных источников. Однако, для Нежеголи характерно загрязнение подземных вод. Класс качества воды Нежеголи - 3 «а», загрязненная. Для Валуя также обнаружены превышения ПДК качества воды. Черная Калитва, Айдар, Потудань, Сейм характеризуются минимальными антропогенными нагрузками. Водопотребление из подземных источников в этих бассейнах незначительно.