Введение к работе
Актуальность темы и состояние исследований. Проблема изучения закономерностей формирования и пространственно-временной изменчивости водных ресурсов и разработки методов их рационального использования, охраны и восстановления является одной из основных проблем гидрологии суши и геоэкологии.
В диссертационной работе исследуются динамические водные ресурсы, измеряемые стоком воды за конкретный интервал времени и непрерывно возобновляющиеся в гидрологическом цикле. Под поверхностным стоком автор понимает сток рек, объединяющий как поверхностную, так и подземную составляющие. Рассматривается, в основном, сток средних и малых рек, характеризующий ресурсы местного стока в Обском бассейне. В засушливых районах, где речная сеть отсутствует, ресурсы поверхностных вод представлены стоком временных водотоков.
Ресурсы поверхностного стока в бассейне Оби и, в частности, в пределах Западной Сибири (площадью 3 млн. км2), отличающейся большим разнообразием физико и экономико-географических особенностей, остаются слабоизученными. Проблема усугубляется сокращением сети гидрометрических и гидрохимических наблюдений в последнее десятилетие, происходящим на фоне потепления климата и антропогенных воздействий на водосборах и в речной сети, — с сопровождающими эти процессы изменениями состояния и режима водных объектов.
Научно-методические основы изучения природы и пространственно-временных закономерностей речного стока заложены и развиты в работах В.Г. Глушко-ва, С.Д. Муравейского, В.Д. Комарова, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, М.И. Львовича, ДЛ. Соколовского, ГА Алексеева, В.Г. Андреянова, М.И. Будыко, К.П. Воскресенского, И.П. Дружинина, Г.П. Калинина, П.С. Кузина, B.C. Мезенцева, Е.Г. Попова, ДЛ. Ратковича, А.А. Соколова, А.И. Субботина, В.И. Бабкина, Г.В. Белоненко, Д.А. Буракова, Ю.Б. Виноградова, A.M. Владимирова, В.Е. Водо-грецкого, В.М. Евстигнеева, И.В. Карнацевича, A.M. Комлева, Н.И. Коронкевича, Л.С. Кучмента, B.C. Ревякина, А.В. Рождественскогол ВА Семенова, ИА. Шик-ломанова, М.В. Болгова, Л.М. Корытного, ВА Лобанова, СП. Никитина, и др. Однако многолетняя изменчивость водности рек, особенно в свете изменений климата и усиления антропогенных воздействий, исследована недостаточно. Остается открытым и вопрос о влиянии геолого-геоморфологических и других факторов подстилающей поверхности на водные ресурсы как на зональном, так и, особенно, на локальном уровнях пространственной изменчивости. Данная проблематика актуальна и в международном плане: например, Международная ассоциация гидрологических наук (IAHS) с 2002 г. ведет научную программу по разработке методов расчетов и прогнозов стока
рек. нс охваченные наблюдениями. redC НАЦИОНАЛЬНАЯ1
"$№у.
СЛетерфург
Основы исследования географических и геохимических закономерностей формирования качества вод местного стока заложены трудами ОА Алекина, П.П. Воронкова, Б.Г. Скакальского, Г.М. Черногаевой, СЛ. Шварцева, К.К. Эделыптейна; по западносибирскому региону известны работы Н.М. Рассказова, Г.К. Парфеновой, О.Г. Савичева. Однако закономерности формирования качества вод местного стока под влиянием естественных и антропогенных факторов изучены в бассейне Оби еще меньше, чем водный режим рек. Все это касается, в первую очередь, малых и средних рек, сток которых отражает закономерности зонально-регионального уровня и индивидуальные особенности их бассейнов.
Помимо слабой изученности состояния и изменчивости водных ресурсов, не решена и проблема управления в сфере их изучения, рационального использования, восстановления и охраны. Она исследуется в работах СЛ. Вендрова, М.И. Львовича, Р.А. Нежиховского, Б.В. Фащевского, A.M. Черняева, О.Ф. Васильева, B.C. Вуглинского, В.М. Калинина, Л.М. Корытного, Л.К. Малик, А.Н. Подуста, Н.Б. Прохоровой, В.Г. Пряжинской, В.М. Савкина и др., а также, в контексте общего природопользования и геоэкологии, — В.М. Котлякова, Н.Ф. Реймерса, В.И. Булатова, Ю.И. Винокурова, А.Г. Исаченко, В.В. Козина, Б.И. Кочурова, В.Н. Потравного, Н.В.Чепурных и др. Экономика России и, в частности, ее водное хозяйство, находятся на переходе к новой модели развития, когда прежние схемы управления, сводящиеся, в основном, к государственному регулированию, оказываются неработоспособными. Здесь необходим интегрированный подход, учитывающий опыт зарубежных стран и схемы, применяемые в более широкой, чем водное хозяйство, сфере управления природопользованием.
Предметом исследования являются географические закономерности формирования и изменчивости местного поверхностного стока по количественным и качественным показателям под влиянием природных и антропогенных факторов, а также проблемы и механизмы управления рациональным использованием, восстановлением и охраной водных ресурсов на бассейновом и территориальном уровне.
Объект исследования — преимущественно малые, средние реки и речные водосборы, где формируются ресурсы местного стока в бассейне Оби в пределах Западно-Сибирской равнины и частично ее горного обрамления. Выбор данной территории обусловлен разнообразием географических условий формирования стока, видов и масштабов хозяйственной деятельности в разных ее частях наряду со слабым развитием сети гидрологических наблюдений, недостаточной изученностью водных ресурсов и нерешенностью водно-экологических проблем.
Цель и задачи исследований. Цель работы двоякая и включает: 1) исследование ресурсов местного поверхностного стока по количественным и качественным показателям и 2) анализ проблем, новых подходов и инструментов управления этими ресурсами в общем контексте природопользования, с учетом рамочных
условий и иерархии природно-социалыю-технических систем речных бассейнов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Выявление закономерностей временной изменчивости, включая долговременные направленные изменения характеристик водности рек, посредством анализа многолетних рядов гидрометеорологических наблюдений.
-
Изучение характеристик стока равнинных рек лесной зоны Западно-Сибирской равнины на зональном, региональном и локальном уровнях пространственной изменчивости, с учетом геоморфологии, геологических и ландшафтных особенностей подстилающей поверхности. Уточнение на основе полученных результатов способов определения характеристик стока неизученных средних и малых рек.
-
На основе исследования пространственно-временной изменчивости факторов формирования половодья в засушливых районах разработка физико-статистической модели для расчета ресурсов местного поверхностного стока.
-
Определение географических закономерностей качества вод местного стока, выделение экорегионов по комплексу гидрохимических показателей с оценкой фонового и реально достижимого в результате водоохранных мероприятий состояния вод в основные сезоны года.
-
Исследование принципов, методов, схем и инструментов управления водохозяйственной деятельностью в развитых странах (Великобритании, Нидерландах, Франции, США), с целью выработки предложений по повышению эффективности управления для решения водно-экологических проблем и обеспечения устойчивого водопользования в России и, в частности, в бассейне Оби.
-
Анализ типичных недостатков бассейновых и территориальных программ рационального использования, восстановления и охраны водных ресурсов, причин этих недостатков и возможных путей их преодоления.
Методы исследований. Исследование опирается на концепцию зонально-региональной дифференциации физико-географической среды, определяемой соотношением ресурсов тепла и влаги, модулируемым орографическими элементами разных порядков. В соответствии с гидролого-географический методом (В.Г. Глушкова), гидрологический режим изучается в конкретной природной обстановке путем выявления связей стока с обусловливающими его факторами. Реализуется также макрогенетический (по М.А. Великанову и А.В. Огиевскому) подход к исследованию водных ресурсов, смысл которого состоит в изучении интегральных характеристик стока в замыкающих створах речных бассейнов с помощью укрупненных показателей, описывающих режим стока, физико-географические особенности водосборных площадей, характер и масштабы хозяйственной деятельности.
Наиболее общим методом исследования является декомпозиция полей гидрологических и гидрохимических показателей во времени и пространстве, что
позволяет выявить соотношение разных уровней или типов временной (тренд, периодическая и шумовая составляющие) и пространственной (зональный, региональный, локальный уровни) изменчивости. Декомпозиция осуществляется по общей формуле вида
У (I, х,, х2, Хз) = ZY4 (t, х,, х2, X;) + ZYSJ (t, х,, хъ xj,
где Y (t, Xi, Хъ Xj) - исследуемая величина как функция времени t и пространственных координат jcj, Xj, х Уф (t, х/, xj, xj) и ZYtj (t, Xi, x^, xj) - соответственно суммы ее детерминированных (во времени - трендовой и периодических, в пространстве — зональных и региональных) и случайных (локальных) составляющих.
Обработка, анализ и географическое обобщение стандартной гидрометеорологической информации и собственной информации, полученной в результате полевых работ, осуществлялась статистическими методами с географическим контролем и методами физико-статистического моделирования процессов формирования стока.
При исследовании принципов, методов, моделей и инструментов управления природопользованием и водохозяйственной деятельностью применялся анализ литературных и фондовых источников, а также личные авторские наблюдения практических аспектов этой деятельности и ее обсуждение со специалистами в России, Великобритании и Нидерландах. Применение этих методов осуществляется в рамках общей концепции, направленной на создание и укрепление потенциала, необходимого для обеспечения устойчивого водопользования в Российской Федерации.
Исходными материалами являются стандартные гидрометеорологические и гидрохимические наблюдения Гидрометслужбы за многолетний период, данные полевых наблюдений, собранные под научным руководством и при непосредственном участии автора в ходе работ по грантам, программам НИР и хоздоговорам по исследованию ресурсов поверхностных вод и оценке воздействия на окружающую среду, фондовые и литературные материалы по оценке водных ресурсов и управлению водохозяйственной деятельностью, материалы, собранные автором в период стажировок в государственных организациях и частных фирмах стран Европейского Союза (Великобритания, Нидерланды). Литературные источники включают как материалы отечественных исследований, так и зарубежные публикации по вопросам управления природопользованием и водохозяйственной деятельностью.
Научная новизна:
разработан комплекс взаимосвязанных методик, с помощью которых впервые для Западно-Сибирской равнины и ее горного обрамления выявлены пространственно-временные закономерности многолетней изменчивости годовых и среднемесячных экстремальных и календарных расходов воды, включая авто- и
кросс-корреляцию рядов, характер и динамику цикличности колебаний, статистическую однородность рядов и направленность изменений характеристик стока во времени, влияние изменчивости климатических факторов на сток речных вод;
на примере лесной зоны Западно-Сибирской равнины совместно и по единой методике исследовано влияние зональных и местных физико-географических факторов на основные характеристики стока средних и малых рек, отражающие его внутригодовую зарегулированность и многолетние колебания и, в отличие от предшествующих исследований, выявлена роль геолого-геоморфологических факторов на зональном, региональном и локальном уровнях пространственной изменчивости стока;
построена физико-статистическая модель, обобщающая все имеющиеся эпизодические и режимные материалы наблюдений на малых временных водотоках, опирающаяся на территориально общую зависимость стока от основных факторов, определяющих его величину и многолетнюю изменчивость, и позволившая оценить ресурсы поверхностного стока водосборов засушливой равнинной территории юга Западной Сибири, где отсутствуют постоянные водотоки;
на примере бассейна Верхней и Средней Оби предложен и реализован алгоритм районирования территории по гидрохимическим характеристикам местного стока, определены границы экорегионов, отличающихся друг от друга особенностями формирования качества вод, и предложены методы определения целевых показателей качества по экорегионам;
показано, что для изучения и решения водно-экологических проблем в направлении достижения устойчивого водопользования необходимо: 1) исходить не из сравнительно ограниченных интересов водохозяйственного сектора, а с позиций природопользования в целом; 2) принимать во внимание культурный аспект и общественные отношения в сфере экологии и природопользования, в частности, водные отношения; 3) учитывать успешный зарубежный опыт, методы и инструменты управления природопользованием и водохозяйственной деятельностью; 4) реализовывать современную итеративную схему управления, отличительными чертами которой являются цикличность, иерархичность, участие заинтересованных сторон и направленность на последовательное снижение негативных воздействий на водные ресурсы; 5) предусматривать меры по созданию потенциала для разработки и реализации определенной политики (стратегии) природо- и водопользования;
определены основные характеристики результативного, эффективного и устойчивого управления водными ресурсами в контексте общего природопользования, показаны недостатки существующих подходов к бассейновому и территориальному управлению водохозяйственной деятельностью и намечены пути их преодоления.
Практическое значение работы и реализация результатов. Диссертационная работа выполнялась по госбюджетной теме «Гидрология Западной Сибири» (№ 79035305) НИР кафедры гидрологии Томского госуниверситета; хоздоговорной теме «Разработка методики расчета гидрологических характеристик поверхностных вод малых водосборов Омской области с учетом влияния хозяйственной деятельности» для УралНИИВХ (1987-1989 гг., № 01860066240); разделу темы «Разработка научных основ оценки антропогенного воздействия на болотные экосистемы» ВНИИ торфа. (№ ГР 0193 0002587. 6.2.23.1992); гранту РФФИ р98Сибирь 98-05-03152 «Исследование формирования качества речных вод в верхней и средней части бассейна Оби под влиянием естественных и антропогенных факторов, действующих на водосборе и в речной сети» (1998-2000 гг.); англо-голландско-российским проектам TEMPUS Tacis TJEP 10217-96 (1997-2000) и D-CP 20589-99 (2000-2001) Европейской Комиссии по разработке и распространению магистерской программы по экологическому менеджменту (управлению природопользованием и охраной окружающей среды); теме № 203Б «Разработка методов оценки ресурсов и экологического состояния природных вод (на примере бассейнов Томи и Средней Оби) и подготовка кадров нового уровня» программы «Интеграция»; темам по составлению ОВОС гидротехнических проектов в русле р. Томи по заказам Томской судоходной компании, и др.
Результаты работы применяются и могут найти применение при планировании и проведении мероприятий по изучению, рациональному использованию, восстановлению и охране вод, при геоэкологическом и гидрологическом обосновании проектов и программ, в гидрологических расчетах для строительного проектирования, проведении экологической экспертизы проектов.
Полученные результаты явились основой для подготовки и обновления курсов «гидрометеорологические основы охраны окружающей среды», «основы управления водными ресурсами», «экологическая и водохозяйственная экспертиза», «статистические методы обработки и анализа гидрометеорологической информации» на кафедре гидрологии Томского госуниверситета, курсов «экологический менеджмент», «политика и институты в области управления природопользованием», «экологический менеджмент и фирма» в рамках международной магистерской программы по экологическому менеджменту в Томском государственном университете и пилотных по указанной программе университетах Якутска, Омска и Сургута.
Личный вклад автора. Защищаемые результаты получены лично автором в процессе работы в Томском государственном университете. Существенное влияние на развитие научных представлений автора оказала совместная работа с докт. геогр. наук профессорами Д.А. Бураковым, А.А. Земцовым, СП. Никитиным, докт. с.-х. наук, проф., чл.-кор. РАСХН Л.И. Инишевой и другими учеными, с которыми имеются совместные публикации. Ряд результатов получен под науч-
ным руководством и при непосредственном участии автора в выполнении инициативных и хоздоговорных работ, исследований по фантам, в том числе совместно с канд. физ.-мат. наук доц. Л.И. Дубровской, канд. геогр. наукдоц. А.В. Мезенцевым, канд. хим. наукдоц. В.В. Хасановым, канд. экон. наукдоц. Л.В. Зем-цовой, канд. техн. наукдоц. В.Н. Извековым, Н.Г. Инишевым, аспирантами Б.ГГ. Ткачевым, В.В. Паромовым, А.О. Крутовским, Д.А. Вфшининым, которым автор выражает искреннюю признательность.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на V Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1986), Высших гидрологических курсах ЮНЕСКО (Москва, МГУ, 1988), семинаре разработчиков международной магистерской программы по экологическому менеджменту (Оксфорд, Великобритания, 1997), XXVII конгрессе Международной ассоциации гидрогеологов «Подземные воды в городской среде» (Ноттинген, Великобритания, 1997), школе-семинаре Центрально-Европейского университета «Оценка воздействия на окружающую среду и устойчивое развитие» (Будапешт, 1998), российских и международных научных и научно-практических семинарах, совещаниях, конференциях: «Перспективы развития осушительной мелиорации в Западной Сибири» (Тюмень, 1980), «Географические исследования восточных районов СССР» (Иркутск, 1981), «Водные ресурсы тайги» (Иркутск, 1984), «Гидрология естественных и преобразованных ландшафтов» (Иркутск, 1984), «Экологические и экономические аспекты мелиорации» (Таллинн, 1988), «Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности» (Новосибирск, 1993), «Субъекты Российской Федерации в условиях реформ» (Томск, 1995), «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), «Расчеты речного стока» (Санкт-Петербург, 1995), «Вода: экология и технология» (ЭКВАТЕК-96) (Москва, 1996), «Актуальные вопросы геологии и географии Сибири» (Томск, 1998), «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 1998), «Стохастические модели гидрологических процессов и их приложение к проблемам охраны окружающей среды» (Москва, 1998), «Динамика и термикарек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 1999), «Проблемы географии на рубеже XXI века» (Томск, 2000), «Управление производственно-финансовой и социальной сферами в регионе» (Томск, 2000), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), «Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000), «Экология развивающихся регионов и подготовка специалистов по экологическому менеджменту» (Томск, 2001), «Проблемы геологии и географии Сибири» (Томск, 2003), «Проблемы природопользования и охраны окружающей среды (Томск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 работ, в том числе 4 монографии (в соавторстве) и 3 учебных пособия.
Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения с таблицами. Работа изложена на 310 с. текста и иллюстрирована 34 рисунками и 24 таблицами. Список литературы содержит 392 наименования, в том числе 52 на иностранном языке.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту профессору ДА. Буракову, всем соавторам и сотрудникам кафедры гидрологии Томского государственного университета, оказавшим поддержку при выполнении работы.
