Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Динамика водопотребления и регулирование стока на основных речных системах России 6
Глава 2. Физико-географические и хозяйственно-экономические условия бассейнов рассматриваемых объектов . 20
2.1. Бассейн Каспийского моря 20
2.1.1. Природно-климатические условия рек Каспийского моря 20
2.1.2. Хозяйственно-экономические условия 28
2.2. Бассейн Азовского моря 29
2.2.1. Природно-климатические условия рек бассейна Азовского моря 29
2.2.2. Хозяйственно-экономические условия 33
2.3. Ангарский бассейн 35
2.3.1. Природно-климатические условия рек бассейна Ангары 35
2.3.2, Хозяйственно-экономические условия бассейна р.Ангары.. 39
Глава 3. Статистические характеристики речного стока рассматриваемых рек 41
3.1. Стационарность стока 41
3.2. Изменение режима речного стока при его регулировании 42
3.3. Режим стока озерной реки и изменение его при регулировании 55
Глава 4. Экологические последствия создания водохранилищ на реках 72
4.1. Влияние хозяйственной деятельности на экологические условия рассматриваемых рек 72
4.2. Предложения по уточненщк^ерестовых попусков в нижний бьеф Волгоградской ГЭС 75
4.2.1. Гидрологический режим в нижнем бьефе Волгоградской ГЭС 75
4.2.2. Функционирование ихтиофауны Нижней Волги 85
4.2.3. Воспроизводство Волго-Каспийского рыбного стада , 92
Заключение 106
Список литературы 112
- Динамика водопотребления и регулирование стока на основных речных системах России
- Природно-климатические условия рек Каспийского моря
- Стационарность стока
- Влияние хозяйственной деятельности на экологические условия рассматриваемых рек
Введение к работе
Природные воды всегда играли важную роль в развитии общества. Для удовлетворения возрастающих потребностей общества в пресной воде происходит интенсивное преобразование естественного режима водных объектов. Антропогенная деятельность оказывает влияние на природные воды в двух направлениях: изменение характеристик гидрологического режима водных объектов и качества природных вод.
Настоящая работа направлена на изучение первого из указанных направлений.
Территориальная неравномерность, большая временная изменчивость речного стока затрудняют обеспечение населения и экономики России необходимым количеством воды. Эта проблема решается за счет регулирования стока рек водохранилищами. Русловое регулирование является наиболее распространенным и эффективным способом устранения дефицита водных ресурсов в маловодные годы и лимитирующие периоды, в последние пятьдесят лет оно получило особенно интенсивное развитие в районах, имеющих в среднем вполне достаточные водные ресурсы, но характеризующиеся большой изменчивостью во времени. Регулирование речного стока водохранилищами осуществляется не только для водообеспечения населения, но и отвечает интересам гидроэнергетики, водного транспорта, промышленности и сельского хозяйства. Встречаются также случаи, требующие увеличения половодного стока, например в интересах рыбного хозяйства. Причем наиболее эффективное и многоцелевое использование водных ресурсов достигается в каскадно-расположенных водохранилищах, образующих единую водохозяйственную систему. В настоящее время на многих реках сооружены каскады водохранилищ, которые коренным образом преобразуют гидрологический режим, выравнивая внутригодовое распределение стока и увеличивая расходы воды в меженные периоды. Примером могут служить Волжско-Камский, Ангаро-Енисейский и др. каскады.
Сейчас в России насчитывается 103 крупнейших водохранилища, каждое объемом свыше 100 млн. м3. Их суммарный полезный объем превышает 330 км3.
В результате сооружения и эксплуатации водохранилищ существенно изменился гидрологический режим таких важнейших рек России, как Волга, Дон, Кама, Обь, Енисей, Ангара и др. Величины этих изменений определяются соотношением объемов полезной емкости водохранилищ и стока реки, и в значительной степени зависят от водности года и режима работы гидроузлов. Эффект регулирования особенно сильно сказывается в маловодные и средние по водности годы, в исключительно многоводные годы максимальные зарегулированные расходы снижаются незначительно, а в определенных условиях могут даже превысить величины максимумов в естественных условиях. Анализ изменений гидрологического режима за счет создания водохранилищ проводится посредством сопоставления характеристик стока в створе до и после регулирования. Сооружение водохранилищ на реках приводит к существенным изменениям естественных природных условий не только речных русел и пойм, но и в некоторой степени устьевых областей, дельт и даже режима внутренних морей, куда эти реки впадают. Сооружение водохранилищ влечет за собой уменьшение общих ресурсов пресной воды за счет дополнительных потерь на испарение, величина которых в отдельных районах составляет немалую долю в общем объеме безвозвратного водопотребления.
Для эффективного использования водных ресурсов в будущем необходимо иметь надежное представление о тех изменениях в гидрологическом режиме, которые уже произошли под влиянием хозяйственной деятельности, и о тех последствиях, к которым могут привести планируемые на реках мероприятия, преобразующие режим речного стока, В связи с этим проблема оценки влияния хозяйственной деятельности на гидрологический режим, водные ресурсы и водный баланс стоит в центре внимания современной гидрологической науки.
Объем информации, доступной на современном уровне, позволяет дополнить проведенные ранее работы, получить надежные оценки водного режима, охарактеризовать его особенности.
Строительство плотин на реках нарушает условия существования водных экосистем, как в верхних, так и в нижних бьефах. Исследование по данному вопросу весьма сложная и многоплановая задача, поэтому в диссертации рассматривается только вопрос о влиянии регулирования стока на условия существования проходных и полупроходных видов рыб в нижних бьефах гидроузлов.
Внутренние моря, реки, озера, водохранилища России богаты ценными породами рыб. Строительство гидротехнических сооружений на реках страны, являющихся традиционными путями миграции рыб, резко изменило условия воспроизводства проходных и полупроходных видов рыб, затруднило или вообще прекратило пропуск производителей к нерестилищам, сократились ареалы их обитания. А также повлияло на затопление русел и пойм и их хозяйственное использование, на распределение воды между рукавами дельты, режим ее заливания и процессы дельтообразования.
Изменившиеся условия воспроизводства рыб, заставили принять ряд мер по искусственному воспроизводству рыбных запасов, Однако теория и практика рыбного хозяйства показали, что без сохранения естественного нереста невозможно обеспечение качественного воспроизводства большинства видов рыб.
В качестве объектов исследования в данной работе было выбрано пять водохранилищ (охватывающие основные типы крупнейших равнинных водохранилищ России): Волгоградское на Волге, Цимлянское на Дону, Ириклинское на Урале, Иркутское и Братское на Ангаре. Проблема изменения режима речного стока актуальна для каждого из назван ных объектов, но наиболее остро она стоит для Волгоградского и Цимлянского водохранилищ, расположенных на основных нерестовых реках.
Большинство крупных систем характеризуются наличием водохранилищ, искажающих естественный режим стока. На некоторых реках на режим стока оказывают влияние озерность и заболоченность водосборного бассейна (естественное регулирование). Цель работы — изучение гидрологического режима рек в створах указанных водохранилищ до и после их создания, а также оценка влияния зарегулированных условий на нерест проходных и полупроходных видов рыб на Нижней Волге.
Задачи диссертации, В соответствии с целью работы, ставятся следующие задачи:
1) установить, соответствует ли фактический режим эксплуатации водохранилищ проектному;
2) исследовать особенности режима стока озерных рек; определить возможность применения стохастической модели на основе корреляционной теории случайных процессов для изучения режима стока озерных рек;
3) выявить статистические зависимости между половодным стоком Нижней Волги и эффективностью размножения проходных и полупроходных видов рыб.
В основу работы положен анализ материалов «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши», «Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши» и данные, рассчитанные Гидропроектом. Также использованы материалы, опубликованные в сборниках работ.
Научная новизна работы:
- проведен анализ стоковых рядов (фактических и расчетных) за почти вековой период наблюдений для основных водохозяйственных систем России (Н.Волга, Дон, Урал, Ангара);
- проведен анализ соответствия фактического режима эксплуатации водохранилищ проектному;
- за счет использования последних данных, уточнен режим речного стока под влиянием естественных и антропогенных воздействий на него;
- выполнено исследование гидрологического режима Нижней Волги после создания Волгоградского водохранилища с оценкой влияния регулирования стока и естественных процессов;
- сформулированы предложения по минимизации отрицательных последствий регулирования стока для проходных и полупроходных видов каспийских рыб, которые можно использовать при уточнении режима эксплуатации Волжско-Камского каскада ГЭС.
Практическая значимость. Уточненные характеристики режима речного стока позволяют с большей достоверностью оценить влияние хозяйственной деятельности, а также могут использоваться в решении практических задач.
Разработанные предложения по режиму нерестовых попусков могут быть использованы для рекомендаций по эксплуатации Волжско-Камского каскада ГЭС.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и один доклад. Одна статья находится в печати. Научные результаты работы докладывались на конференции «Современные проблемы стохастической гидрологии» (Москва, 2001 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 главы и выводов. Работа изложена на 118 стр. текста и включает в себя 35 рисунков, 19 таблиц и список литературы, состоящий из 82 наименования.
Работа выполнена в Институте водных проблем РАН. Научным руководителем настоящей работы является доктор технических наук Раткович Д.Я., которому автор выражает благодарность за ценные советы и рекомендации.
Автор выражает признательность доктору технических наук Асарину А.Е. и Бестужевой К.Н. за предоставленные материалы и консультации.
Динамика водопотребления и регулирование стока на основных речных системах России
Функционирование практически всех отраслей экономики связано в той или иной степени с поверхностными водами и их режимом. Обеспечение населения водой - одна из основных задач. В промышленности вода участвует в технологических процессах, входит в состав продукции; применяется для отвода всякого рода отходов; в широких масштабах используется для охлаждения в атомной и тепловой энергетике; обеспечивает влагой сельскохозяйственное производство, вращение турбин ГЭС; поддерживает гарантированные глубины водных путей для судоходства. Все эти функции предполагают создание сложных водноресурсных и водноэнергетических систем.
Прогнозные ресурсы пресных и, частично, слабосолоноватых подземных вод оцениваются в 350 км3 в год. Выявленные 4 тысячи месторождений подземных вод содержат суммарные эксплуатационные запасы, составляющие около 31,5 км3 в год. Разведано 630 месторождений различных типов минеральных лечебных вод с эксплуатационными запасами около 0,1 кубического километра в год.
В целом по России из поверхностных водных объектов забирается относительно небольшая часть водных ресурсов (около 2 процентов), однако в отдельных бассейнах (Дон, Кубань, Терек, Урал, Иртыш, Тобол, Ишим) отмечается напряженная водохозяйственная обстановка, усугубляющаяся неудовлетворительным качеством воды.
Для обеспечения потребности в воде населения, промышленности, энергетики, сельского хозяйства, судоходства, рыбного хозяйства, рекреации; для очистки сточных вод, защиты от наводнений и предотвращения вредного воздействия вод в России создан и функционирует мощный водохозяйственный комплекс, стоимость основных производственных фондов которого оценивается примерно в 350 миллиардов рублей.
Для регулирования речного стока построено около 30 тысяч водохранилищ и прудов общей вместимостью более 800 км3, в том числе 2290 водохранилищ с объемом свы-ше 1 млн. м каждое, из них 110 крупнейших с объемом свыше 100 млн. м .
Для межбассейнового перераспределения стока рек из районов с избытком речного стока в районы с их дефицитом используется 37 водохозяйственных систем с суммарной протяженностью каналов переброски 3 тыс. км и объемом перебрасываемого стока 17 км в год.
Всего в составе водохозяйственного комплекса насчитывается около 65 тыс. водохозяйственных объектов, из которых большинство составляют напорные сооружения малых и средних водохранилищ, находящиеся в эксплуатации 30 и более лет.
Водный режим рек отличается большой изменчивостью во времени. Наиболее распространенным средством преобразования естественного водного режима рек с целью ис пользования водных и энергетических ресурсов речных систем в XX столетии было регулирование речного стока водохранилищами.
Урал Каспийское море 0,36 220 2530 По данным А.Б. Авакяна [1] и др., обыщи объем водохранилищ на земном шаре на рубеже XIX и XX веков составлял 15 км3, а в настоящее время он превышает 6 тыс. км3, то есть увеличился в 400 раз. На территории бывшего СССР общий объем водохранилищ к 1987 году составил 1195 км3. Их полезный объем - 587 км3, а площадь водного зеркала 8,66 млн га. Речной сток, зарегулированный водохранилищами, составлял в СССР энергетический потенциал, равный 3338 млрд кВт/ч.
Водохранилища и пруды (малые водохранилища) играют большую положительную роль в водообеспечении населения (особенно сельского), рыбоводстве, при использовании в рекреационных целях. Они предоставляют возможность решить многие хозяйственные проблемы, но и одновременно вызывают противоречие как между целью их создания и негативными последствиями в природе и хозяйстве, так и между водопользователями и водопотребителями.
Создание водохранилищ обусловлено необходимостью: - уменьшения или полной ликвидации вредных явлений природы; наводнений, маловодья, селей; - перераспределения стока между сезонами года и годами различной водности, между днями недели и часами суток в интересах гидроэнергетики, ирригации, водоснабжения и создания акваторий в целях обводнения городов, развития рекреации, водного транспорта и др.; - вовлечения в хозяйственное использование непродуктивных земель путем аккумуляции на них водных ресурсов, а также создания в ряде случаев более продуктивной водной среды (рыболовство и рыбоводство); - улучшение природных условий прилегающих территорий: смягчение климата, водное благоустройство и т.п.
В гидролого-экологическом аспекте строительство водохранилищ часто имеет отрицательные последствия. При заполнении водой чаши водохранилищ в зонах постоянного или периодического затопления оказалось большое количество населенных пунктов, ценных сельскохозяйственных земель, лесных угодий. При строительстве водохранилищ на территории СНГ пришлось создать свыше 150 крупных инженерных узлов. Ими защищено 180 населенных пунктов, в том числе города Кинешма, Кострома и Ульяновск на Волге, Абакан на Енисее, Киев на Днепре. Всего предотвращено затопление около 200 тыс. га сельскохозяйственных угодий. Но это составляет лишь 6% использовавшихся в сельском хозяйстве земель, ушедших под воду.
При эксплуатации водохранилищ значительная часть воды теряется на дополнительное испарение с их поверхности, что приводит к уменьшению речного стока. Но если на реках Сибири (Енисей, Обь) это уменьшение не превышает 5-8%, то на реках южных районов оно достигает 25-30%. Отрицательное влияние больших водохранилищ сказывается и на экологии околоводных природных систем в результате подтопления водохранилищами. В равнинных районах площадь подтопления обычно изменяется от 10-15 до 30-40% площади самого водохранилища. В районах избыточного увлажнения основное отрицательное влияние подтопления выражается в заболачивании местности. В засушливых районах подтопление сопряжено с опасностью засоления почв. Создание крупных водохранилищ приводит и к изменению микроклимата в прибрежных районах.
Природно-климатические условия рек Каспийского моря
Каспийское море - уникальный бессточный водоем планеты. Площадь его водосбора насчитывает около 3 млн. км2. Объем моря в настоящее время оценивается в 78 тыс. км% средняя глубина - 210 м, максимальная - 1025 м, Каспийское море - море пяти государств: России, Азербайджана, Казахстана, Туркменистана, Ирана. Питается Каспий в основном волжскими водами (бассейн Волги занимает почти половину бассейна Каспия), а также водами таких рек, как Урал, Кура, Самур, Сулак, Терек. Почти все из перечисленных рек, кроме Куры и частично Урала (нижний участок реки находится на территории Казахстана), протекают по территории России. Рассмотрим природные условия двух наиболее крупных рек.
Волга является одной из самых больших рек Европы (рис, 2.1). Среди рек РФ она занимает шестое место, уступая по площади водосбора лишь сибирским рекам - Оби, Енисею, Лене, Амуру и Иртышу. Свое начало она берет на Валдайской возвышенности, где за исток принимают ключ, крепленный деревянным срубом у д. Волговерховье. Отметка истока 225 м над уровнем моря. Длина реки - 3690 км, площадь бассейна 1380 тыс. км2.
Широко разветвленная речная сеть в верхней части бассейна образуется из двух систем: Верхней Волги и Камы, ниже впадения Камы, в лесостепной и степной частях бассейна, Волга принимает лишь небольшие маловодные реки, а ниже Волгограда вообще не имеет притоков.
Протекая в пределах Восточно-Европейской равнины, Волга представляет собой классический пример равнинной реки. Продольный профиль ее близок к так называемому профилю равновесия. По величине и характеру течения Волгу принято делить на три части: верхнее течение (Верхняя Волга) - от истока до г. Щербакова, среднее течение (Средняя Волга) - от г. Щербакова до устья Камы и нижнее течение (Нижняя Волга) - от впадения Камы до устья,
В верхнем течении, в пределах Валдайской возвышенности, Волга проходит через цепь Верхневолжских озер - Верхит, Стерж, Вселуг, Пено и Волго. В истоке из оз. Волго была сооружена плотина - Верхневолжский бейшлот, - предназначенная для усиления питания реки в межень и поддержания судоходных глубин. Главнейшие притоки Верхней Волги - Селижаровка, Тверда, Молога и Шексна. Здесь были сооружены водохранилища:
Иваньковское, Угличское, Рыбинское и Горьковское. Плотины этих гидроэлектростанций превратили Верхнюю Волгу в цепочку озер-водохранилищ.
В среднем течении река становится еще более полноводной; здесь впадает в нее ряд крупных притоков, главнейшими из которых являются Ока, Унжа, Ветлуга и Сура. Режим среднего течения реки значительно изменился и в сильной степени зависит от попусков из Рыбинского водохранилища. Ниже впадения Камы, которая по своей водности почти не уступает самой Волге, последняя становится особенно полноводной. Ширина долины достигает 20-30 км. В районе г. Самары Волга, огибая Жигулевские горы, образует гигантскую излучину - Самарскую луку, где долина суживается до 2-3 км. Характерно асимметричное строение долины: правый берег всюду высокий и крутой, а левый - пологий и низменный. Особенно сильно долина расширяется ниже Волгограда. Здесь Волга слева отделяет первый рукав - р. Ахтубу, которая дальше течет как самостоятельный поток параллельно основному руслу Волги.
Обширное пространство между Волгой и Ахтубой, изрезанное многочисленными протоками и староречьями, носит название Волго-Ахтубинской поймы. Разливы в пределах Волго-Ахтубинской поймы достигают 20-30 км. Нижняя Волга принимает лишь сравнительно небольшие притоки: Самару, Большой Иргиз и Еруслан.
Место отделения рукава Ахтуба иногда принимается за начало волжской дельты. Правильнее, однако, начало дельты считать от места отделения рукава Бузан. Отсюда Волга дробится на густую сеть рукавов и проток. Волжская дельта - одна из самых больших дельт в нашей стране. Многочисленные рукава, протоки, острова, озера (называемые здесь ильменями и полоями) и песчаные гряды (Бэровские бугры) занимают в общей сложности пространство свыше 13000 км2.
Основная часть бассейна Волги расположена в лесной зоне (зоне избыточного увлажнения), поэтому река отличается относительно высокой водностью. Средний годовой расход воды ее у Волгограда равен 8150 м3/сек, что соответствует среднему модулю стока 5,9 л/сек км2. Ниже Волгограда Волга не только не получает дополнительного питания, но теряет часть своего расхода (около 2%). Суммарный объем стока Волги в Каспийское море составляет в среднем около 250 км3 в год.
В питании Волги основную роль играют талые снеговые воды, которые формируют в среднем около 65% ее годового стока, остальные 35% идут за счет дождевого и грунтового питания. Водный режим реки является типичным для рек лесной зоны Восточно-Европейской равнины. Его основные черты до создания водохранилищ таковы: весной наблюдалось высокое половодье, а летом устанавливалась относительно низкая межень, изредка прерываемая паводками от дождей, осенью был отчетливо выражен ежегодно наблюдаемый осенний паводок и, наконец, зимой снова наступало меженное состояние. Наличие наряду с весенним половодьем осеннего паводка, обусловленного обычно обложными дождями, являлось одной из характерных особенностей режима реки.
Максимальные расходы воды Волги в нижнем течении в период половодья превышали 50000 м3/сек. Большое регулирующее влияние оказывала широкая пойма реки, которая в период нарастания половодья задерживала большое количество воды, а в последующем, при спаде, вновь отдавала эту воду реке. В результате этого в нижнем течении Волги наблюдалось характерное явление, когда максимальный расход воды не увеличивается, а уменьшается по мере движения вниз основной волны половодья. В периоды летней и зимней межени расход воды Волги даже в нижнем течении уменьшался почти до 1000 м3/сек.
Амплитуда колебания уровня Волги велика и за многолетний период наблюдений в отдельных ее пунктах достигала следующих величин: у г. Ржева - 6,9 м, у г. Ниж. Новгорода - 14 м, у устья Камы - 17 м, у г. Волгограда - 10,4 м. Особенно велика амплитуда колебания уровня воды в среднем ее течении. Столь высокие подъемы воды объясняются в основном строением долины и русла, направлением течения реки и характером половодья. Половодье, сформировавшееся в верховьях, по мере его продвижения вниз по течению усиливалось за счет местного снеготаяния. В нижнем течении под влиянием регулирующего воздействия поймы амплитуда колебания уровня уменьшались и в устье, у г. Астрахани, она уже не превышали 4,0 м. Весеннее половодье по мере движения вниз по реке распластывалось, и продолжительность его с 1-1,5 месяца в верховьях к Волгограду увеличивалась до 3 месяцев.
В настоящее время на Волге сооружено 9 крупных гидроузлов: Верхневолжский бейшлот, достроенный еще в 1843 г., Иваньковский, Угличский, Рыбинский, Горьковский, Чебоксарский, Куйбышевский, Саратовский и Волгоградский с гидростанциями. Три крупных гидроузла с ГЭС на реке Каме - Камский, Ннжне-Камский и Боткинский. Всего же в бассейне Волги действуют в настоящее время более 120 крупных гидроузлов с плотинами, водохранилищами и каналами. После создания волжских водохранилищ, особенно Рыбинского и Куйбышевского, водный режим Волги в среднем и нижнем ее течениях сильно изменился и амплитуда колебания уровня воды резко уменьшилась; весеннее половодье теперь выражено слабо, так как весенний сток почти полностью аккумулируется водохранилищами.
Стационарность стока
Вопрос о стационарности естественной изменчивости стоковых рядов обсуждается давно. Ответы на него давались самые разные, но общепринятого взгляда так и не существует.
Почти тридцать лет назад, Раткович Д.Я. в монографии [61] произвел анализ по всем имеющимся на тот момент в мире материалам длительных непрерывных наблюдений за речным стоком и осадками. Вывод был таков, «при любом признаке группирования данных ни по одному из континентов не бьши обнаружены статистические отклонения от стационарности осадков и речного стока». В настоящее время, в условиях существования гипотез «глобального изменения климата» и «парникового эффекта», многие авторы находят в стоковых рядах и тренды, и периодичности.
До настоящего времени изучению изменения гидрологического режима рек было посвящено достаточно много работ, но большинство из них охватывали сравнительно короткие расчетные периоды (в основном 5-7 лет, максимально 20-30 лет). Важной вехой в исследованиях стал выпуск серии «Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР» [23-27], где подробно, с учетом имеющихся на тот момент материалов, освещались вопросы влияния водохранилищ на гидрологический режим, сток наносов и русло вые процессы в нижних бьефах и др. Также необходимо упомянуть следующие работа в у этой области Авакяна А.Б. [1], Афанасьева А.Н. и Гета Р.И. [8, 17, 22], Коронкевича Н.И. [44], Пряжинской В.Г. [56], Шикломанова И.А. [73], Эделынтейна П.П. [76] и др. [18, 60-61]. К последним работам в этой области можно отнести статьи Авакяна А.Б. и соавторов [2], Синюкевича В.Н. и др. [12, 66-67], Эделынтейна П.П. [77], а также монографию Ату-товаА.А. и др. [28].
На территории России подавляющая часть крупных рек освоена и соответственно режим их искажен изъятиями и регулированием. Сложившиеся в пределах речных систем водные и околоводные экосистемы попадают в условия нового гидрологического режима, к которым они не приспособлены. Изменение скоростей течения, обусловленное указанными причинами и созданием подпертых бьефов, трансформирует внутриводоемные процессы, нарушают условия размножения и нагула рыбного стада. С целью оптимального управления указанными процессами необходимо предвидеть изменения закономерностей колебания стока в результате его многолетнего и сезонного регулирования. Искомые закономерности (характеристика изменений естественных колебаний стока) зависят от его естественного режима, характера потребностей в воде, типа и степени зарегулирования стока.
Календарное предвидение режима колебаний речного стока невозможно, за исключением прогноза сезонных изменений режима на реках снегового, ледникового и, в меньшей мере, озерного питания. Стохастические модели колебаний стока рек неозерного питания разработаны Д.Я. Ратковичем в [49,61], а его сезонного хода при снеговом питании совместно с М.В. Болтовым в [62].
Что касается трансформации стохастических моделей при естественном его регулировании, в первую очередь озерами, то подходы к решению задачи заложены А.В. Фро- \/ лов [49, 69-71]. Данная проблема для стока, режим которого зарегулирован водохранилищами и искажен изъятиями, вообще не освещалась в печати. Для ее решения в первую очередь, необходимо выявить наблюдаемые закономерности соответствующих изменений режима колебаний стока.
Результаты/проведенных автором работавши изложены в ряде публикаций [19-20, \, 63-64, 71] и обобщаются в данной диссертации.
В целях предварительного установления выше обозначенных закономерностей ниже рассмотрен характер трансформации естественного стока в результате его регулирования на примере нескольких типовых водохранилищ России, осуществляющих многолетнее (Цимлянское на Дону, Братское и Иркутское на Ангаре, Ириклинское на р. Урал) и сезонное регулирование стока (Волгоградское на Волге). Рассматриваемые реки характеризуются разными типами питания (в том числе озерным на водохранилищах Ангары), широким диапазонами водности и изменчивости годового стока. Изменение режима стока озерной реки при его регулировании, на примере Ангары, рассматривается в п. 3.2.1.
Необходимо отметить, что эффект регулирования стока определяется воздействием всего каскада водохранилищ, расположенных выше рассматриваемого створа. Соответственно, характеристикой естественного режима может служить лишь период, предшествующий созданию вышележащих водохранилищ, заметно влияющих на режим стока в рассматриваемом створе, либо же восстановленные (приведенные к естественному режиму) стоковые ряды.
Здесь представлены естественный (I) и зарегулированный (II) сток до создания водохранилищ, и восстановленный естественный (ПІ) и зарегулированный (IV) сток после наполнения водохранилищ. Режим II - это проектный режим эксплуатации водохранилищ, рассчитанный по «Основным положениям правил эксплуатации водохранилищ». Таблица 3.2.
Восстановление естественного стока (III) проводилось с помощью метода, заключающегося в расчете неустановившегося движения воды, где в качестве исходной данных принимаются естественные гидрографы стока по входным створам как на основной реке, так и на ее главных притоках. Ниже этих створов река делится на отдельные участки, по которым последовательно производится трансформация стока одним из способов неустановившегося движения воды [7, 48], Выбор методы расчета неустановившегося движения воды зависит от наличия исходной информации по морфометрическим и гидравлическим характеристикам русла. В основном, расчет производится по суточным интервалам времени, но допускается, в отдельных случаях, выполнять расчеты неустановившегося движения воды в русле за пятидневки, декады.
Восстановление естественных гидрографов стока производится по следующим основным этапам [48]: - выбирается метод расчета трансформации стока; - на рассматриваемой речной системе выделяются расчетные участки; - за год с естественным режимом производится определение необходимых зависимостей и параметров, расчет неустановившегося движения воды и оценки его точности; - выполняются расчеты по восстановления стока, т.е. расчет трансформации гидрографов по всем участкам за годы с зарегулированным режимом стока.
Для определения боковой приточности на участках используются данные, опубликованные в «Материалах наблюдений на озерах и водохранилищах» и «Ежегодных данных о режиме и ресурсах поверхностных вод суши». Сток с площадей, не освещенных наблюдениями, определяется по стоку рек-аналогов. Таким образом, исходными данными для расчета служат гидрографы стока по всем входным створам реки и ее главным притокам, а также гидрографы боковой приточности.
Влияние хозяйственной деятельности на экологические условия рассматриваемых рек
Изменениям, которые произошли с момента зарегулирования Нижней Волги, посвящен п. 4.2. А здесь остановимся подробнее на Доне, Урале и Ангаре.
Режим Азовского моря до 40-х годов, в основном, определялся естественными колебаниями элементов водного баланса. С зарегулированием стока Дона и Кубани и ростом безвозвратного водопотребления в бассейне, приток к морю начал заметно сокращаться. Из-за уменьшения речного притока увеличилось поступление в Азовское море соленых вод через Керченский пролив, что привело к повышению солености моря. В период естественного режима материкового стока (до 1951 г.) средняя многолетняя соленость моря составляла 10,6 %о, при колебаниях от 9,1 до 12, 5%о [11]. После создания водохранилищ и увлечения безвозвратных изъятий среднемноголетняя соленость Азовского моря возросла до 11,5 %о при колебаниях от 10,7 до 13,8 %о [11, 39, 47, 65]. И в годы с неблагоприятными условиями (высокое испарение) пресный баланс моря оказывался отрицательным, и приток черноморских вод превосходил отток азовских через прилив. В естественных условиях среднемноголетняя соленость Таганрогского залива составляла 6 %о [11], в условиях регулирования и изъятий стока она увеличилась до 7-7,3 %о [39, 47, 65]. На 1999 г. влияние стока р.Дон на состояние ограничивалось, как правило, соленостью не более 7%о [38].
Азовское море в естественных условиях характеризовалось высокой продуктивностью, обусловленной поступлением значительного объема пресных вод и биогенных элементов. Формирование рыбопродуктивности происходило на базе двух дополняющих друг друга экологических систем - генеративно пресноводной, характерной для солоноватых вод, и морской. Основные промысловые виды рыб - судак, лещ, тарань, осетровые, сазан, сельдь и др. - представители генеративно-пресноводного комплекса. Эти виды размножаются и нагуливаются непосредственно в Азове.
За последние полвека продукция ряда важных в промысловом отношении видов рыб значительно уменьшилась, а добыча некоторых ценных видов существенно сократилась [10-11, 16]. Это связано с многими причинами. Создание водохранилищ отрицательно сказалось на условиях естественного воспроизводства рыб: часть нерестилищ затоплена и отрезана от мест нагула, остальные затопляются на более короткое время и не во все годы. Немаловажную роль играют ухудшение условий нагула генеративно-пресноводных рыб из-за увеличения средней солености Азовского моря и ее выравнивания по акватории; снижение первичной биопродукции из-за уменьшения стока биогенных элементов; нерациональный в прошлом характер лова; сильная загрязненность вод Дона и Кубани [33,37-38].
Также к числу важнейших условий следует отнести режим Таганрогского залива. До зарегулирования рек в половодье залив промывался и, отделенный двумя косами от моря, он имел меньшую соленость, которая медленно нарастала в направлении Керченского пролива. В этих условиях группы рыб, разные по возрасту, располагались обширными ареалами соответственно своим требованиям к солености. На данный момент генеративно-пресноводные виды оказались отодвинуты в восточную (верхнюю) часть Таганрогского залива. В результате произошло сокращение, а иногда и отсутствие в заливе молоди и молодых возрастных групп леща, судака и др. видов рыб [16, 75].
В настоящее время 90% улова в Азово-Донском районе составляют лещ и судак. Продолжается наблюдаемый с начала 90 гг. процесс сокращения численности осетровых рыб в уловах в реке, причем в последние годы отмечено его ускорение. Так, подход нерестовой части осетра в 1998 г. в р. Дон оказался исключительно слабым - всего за весеннюю путину было поймано 1,0 т осетровых: 72 экземпляра осетра, один экземпляр белуги и ни одной севрюги [37]. В 1999 г. весенняя нерестовая миграция осетра также характеризовалась исключительно слабым его ходом как в р. Дон, так и в Таганрогском заливе на подступах к реке. По официальной статистике в Азово-Донском районе поймано 2,3 т осетра, в 1998 г.-9,2 т [38].
В 1999 г. в Дону молоди осетра практически не было обнаружено [38]. Условия низкого стока реки и дефицит производителей на местах размножения являются основными факторами, сдерживающими эффективный нерест осетра.
Помимо неблагоприятных гидрологических условий, сокращение уловов заключается в непрекращающемся росте браконьерства в Азовском море на местах нагула и зимовки осетровых. Однако, это не единственный фактор, влияющий на сокращение их численности. В настоящее время промысловое стадо на 90% состоит из рыб "искусственного" происхождения, полученных преимущественно на кубанских осетровых заводах. Донская часть популяции, по причине непригодности нерестилищ в р. Дон и малоэффективной работы рыбоводных заводов в предшествующие годы, находится на грани исчезновения. Следует все же отметить, что в 1998 г. было выпущено донскими рыбоводными заводами 3,5 млн шт. молоди осетровых и эта рыба, находясь в хорошем состоянии, распределилась по Таганрогскому заливу и восточной части Азовского моря [37],
Влияние Ириклинского гидроузла на звенья экосистемы не так значительно как Цимлянского. В литературных источниках почти не встречается информации о воздействии водохранилища на режим бьефов гидроузла. Поэтому остановимся на влиянии водного режима на среднее и нижнее течения Урала, где осуществляется нерест проходных и полупроходных видов каспийских рыб. В естественных условиях гидрологический режим реки характеризовался мощным половодьем (до 75% нормы стока) и большой изменчивостью по годам. В меженные месяцы маловодных лет река почти пересыхала. В результате регулирования сток половодья сократился почти в 2 раза, а расходы меженных месяцев выросли (в ряде случаев до 10 раз).
Ниже Ириклинского водохранилища Урал принимает такие крупные свои притоки как Орь, Сакмара и Илек. Норма годового стока Урала у г.Оренбурга до впадения Сакма-ры и Илека увеличивается в 2 раза, ниже впадения р.Илек почти в 6,5 раз. Срезка половодья Ириклинским водохранилищем не вносит значительных изменений в половодный режим среднего и нижнего течения Урала. В то же время, увеличившиеся расходы меженных месяцев отражаются в гидрографе реки до ее впадения в Каспийское моря и, следовательно, улучшают условия нереста.
Создание Ангарского каскада водохранилищ привело к изменению всех основных звеньев единой байкальской экосистемы - от низших до высших. Нарушение естественного гидрологического режима Байкала, прежде всего изменение уровня воды и естественной сезонной динамики его колебания, а также загрязненность рек впадающих в озеро, негативно влияет на сообщества мелководий прибрежной зоны и «ленточные» популяции. За последние 35 лет биомасса зоопланктона в Байкале уменьшилась примерно в 2,4 раза [55].
В Байкале обитает 52 вида рыб, и только около трети имеют промысловое значение. К числу промысловых относятся омуль, сиг, хариус, ленок, таймень, осетр, налим, окунь, щука, плотва, елец, язь, карась, желтокрылый и длиннокрылый бычки, и акклиматизированные в Байкале амурский сазан и лещ. В промысловых целях вылавливаются всего 12-13 видов, в том числе 7-8 малоценных пород рыб: плотва, щука, окунь, елец, карась, бычки, и др. [42].
