Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек 15
1.1 Специфика малых равнинных рек в функционировании более крупных гидрологических систем 15
1.2 Малые равнинные реки в системе природных и хозяйственных связей и их основные проблемы 16
1.2.1 Краткая характеристика некоторых общих факторов антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек 18
1.3 Прямые и косвенные антропогенные нагрузки на водные ресурсы и водосборы малых равнинных рек 23
1.3.1 Динамика использования водных ресурсов в бассейне Волги в конце XX — начале XXI веков 25
1.3.2 Динамика косвенных антропогенных нагрузок в бассейне Волги в конце XX - начале XXI веков 32
1.4 Влияние динамики косвенных антропогенных нагрузок на структуру водного баланса малых равнинных водосборов 41
1.5 Предложения по организации научных исследований по решению наиболее актуальных задач проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек 46
Глава 2. Поверхностный весенний склоновый сток и его роль в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек 52
2.1 Вопросы терминологии и генезиса 52
2.2 О факторах формирования поверхностного стока 54
2.3 Методические подходы к количественной оценке поверхностного весеннего склонового стока 56
2.4 Оценка вклада поверхностного стока в формирование гидроэкологического состояния малых равнинных рек 65
Глава 3. Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек 69
Глава 4. Реакция гидрологических процессов, формирующихся на водосборах и речного стока малых равнинных рек на изменения регионального климата и хозяйственной деятельности 82
4.1 Основные задачи и исходные данные 82
4.2 Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах природных зон 87
4.3 Вклад изменчивости характеристик климата в холодный и теплый сезоны в изменчивость их средних годовых величин 90
4.4 Многолетняя изменчивость показателей регионального климата по данным опорных метеостанций 95
4.5 Влияние региональных изменений характеристик климата на многолетнюю изменчивость факторов гидротермического состояния малых водосборов на начало снеготаяния и ПВСС 98
4.6 Реакция речного стока малых рек на изменения показателей регионального климата и хозяйственной деятельности 101
4.6.1 Влияние изменений климата и хозяйственной деятельности на весенний речной сток 108
Глава 5. Геоэкологический анализ антропогенных воздействий на водосборы малых равнинных рек 112
5.1 Современные представления о геоэкологии и геоэкологическом анализе 112
5.2 Методика геоэкологического анализа антропогенных воздействий на водосборы малых рек (на примере бассейна р. Истра) 115
5.2.1 Природные условия и деятельность человека в бассейне р. Истра 116
5.1.1 Характеристика геоэкологического состояния водосборов малых рек в бассейне р. Истры 120
5.2 Геоэкологическое районирование антропогенных нагрузок в бассейне р. Истра 130
5.3 Геоэкологический анализ зоны взаимовлияния Истринского водохранилища 138
5.3.1 Методика геоэкологического районирования зоны наибольшего взаимовлияния (на примере Истринского водохранилища) 140
Глава 6. Ландшафтно-гидрологическии метод оценки средних многолетних характеристик выноса биогенных элементов в овражно-балочную и речную сеть малой равнинной реки 157
6.1 Концептуальная и методическая основы ЛГМ оценки выноса БЭ с водосбора в овражно-балочную и речную сеть 157
6.2 Методика расчета средних многолетних характеристик гидролого -эрозионных процессов, формирующихся на водосборе и выноса БЭ в овражно-балочную и речную сеть . 158
6.3 Оценка точности ЛГМ расчета характеристик гидролого -эрозионных процессов и потоков БЭ, поступающих в овражно -балочную и речную сеть. 172
6.4 Оценка вклада диффузного поступления БЭ в формирование биогенного загрязнения р. Истры 185
Глава 7. Эффективность мероприятий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек 188
7.1 Оценка эффективности использования тепла и влаги геосистемами Центральной лесостепи 188
7.2 Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока 195
7.2.1 Объекты экспериментальных исследований, состав и методы наблюдений 195
7.2.2 Процессы и факторы формирования поверхностного весеннего склонового стока 197
7.2.3 Статистические закономерности распределения снежного покрова на склоне 200
7.2.4 Оценка водоотдачи снежного покрова на элементарном участке склона 202
7.2.5 Оценка аккумуляции талых вод за счет впитывания и поверхностного задержания 204
7.2.6 Методы расчета глубины промерзания и влажности почвы перед снеготаянием 213
7.2.7 Динамико-стохастическое моделирование весеннего склонового стока 215
7.3 Гидрологическая эффективность регулирования ПВСС на основе применения нетрадиционных сельскохозяйственных технологий 220
7.3.1 Оценка эффективности создания кулис из высокостебельных растений на изменение элементов водного баланса склонов малых водосборов в период снеготаяния 220
7.3.2 Гидрологическая эффективность мульчирования почвы растительными остатками 223
Заключение 240
Список литературы 246
- Краткая характеристика некоторых общих факторов антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек
- Основные задачи и исходные данные
- Методика расчета средних многолетних характеристик гидролого -эрозионных процессов, формирующихся на водосборе и выноса БЭ в овражно-балочную и речную сеть
- Гидрологическая эффективность мульчирования почвы растительными остатками
Введение к работе
Актуальность темы
Улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек - одна из ключевых проблем гидрологии, водного хозяйства и других отраслей, связанных с использованием водных ресурсов. На берегах этих рек проживает большая часть населения России, а водохозяйственная и экологическая ситуация на большинстве из них неудовлетворительна.
Неблагоприятные ситуации проявляются, прежде всего, в их загрязнении отходами от различных видов хозяйственной деятельности, особенно хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. В последние десятилетия все большую угрозу для малых равнинных рек представляют вынос со склонов удобрений и ядохимикатов, продуктов эрозии с территории сельскохозяйственных угодий, загрязненный сток с урбанизированных площадей, а также неочищенные сточные воды, поступающие от сельских населенных пунктов и особенно животноводческих ферм. Массовое загрязнение рек послужило основной причиной потери ими рыбопродуктивности.
Усиленная эрозия почвы на водосборах этих рек, особенно в лесостепной и степной зонах, привела к сокращению длины их речной сети, заилению родников, способствовала подъему уровня грунтовых вод, миграции значительного количества питательных веществ из почвы и явилась одной из причин антропогенной эвтрофикации водных объектов.
В то же время, малые равнинные реки являются начальным звеном формирования водных ресурсов страны, и от их состояния во многом зависит количественное и качественное состояние средних и крупных рек и водоемов. Поэтому неблагополучие, наблюдаемое в настоящее время на крупных реках и водоемах Российской Федерации, является в значительной мере следствием положения на малых равнинных реках. Эти реки являются не только источником питания средних и крупных рек. Они сами и их водосборы интенсивно используются в хозяйственной деятельности человека для производства различных видов продукции, энергии, а также для удовлетворения рекреационных и эстетических потребностей населения.
На водосборе реки формируется основная часть ресурсов речного стока. Однако гидрологический режим водосборов, как правило, находятся вне внимания водного хозяйства, и в значительной мере традиционной гидрологии поскольку использование воды имеет неявный, рассредоточенный по территории характер в интересах преимущественно сельского и лесного хозяйства, непосредственно не регистрируется гидрометрической сетью, что во многом определяет и недостаточную его изученность.
Под гидрологическим режимом водосборов малых равнинных рек понимается закономерные изменения структуры их водного баланса и обусловливающих ее гидротермических, гидрологических и геохимических процессов во времени и пространстве под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.
Изучению различных аспектов формирования водных ресурсов и качества воды малых равнинных рек посвящено много исследований, в значительной степени обобщенных в ряде монографий [Малые реки. Вопросы географии. Сб.118, М.: 1981; Малые реки России, М.: 1994; Малые реки Волжского бассейна. М.: 1998; Вода России. Малые реки. Екатеринбург, 2001] и во многих статьях. В них рассмотрен ряд общих и региональных закономерностей формирования и методов расчета жидкого, твердого и химического стока, характеристик их хозяйственного использования, намечены пути оздоровления малых рек страны.
Однако до настоящего времени многие актуальные задачи формирования гидрологического режима на водосборах малых равнинных рек либо не нашли своего достаточно полного решения, либо вообще не рассматривались, особенно применительно к современным, достаточно специфическим условиям климата и хозяйственной деятельности на территории значительной части РФ. Прежде всего, не полностью раскрыта роль водосборов и поверхностного склонового стока, формирующегося на них, в гидроэкологическом состоянии малых равнинных рек. Недостаточно изучено влияние происходящих и особенно ожидаемых изменений климата на гидрологический режим водосборов и местный речной сток. Не в полной мере разработаны методы комплексной оценки антропогенной нагрузки на водосборы и влияния диффузного (рассеянного) загрязнения на качество водных ресурсов этих рек. Не развиты должным образом расчетные методы оценки гидрологической эффективности мероприятий по улучшению структуры водного баланса малых водосборов, направленных, прежде всего, на снижение поверхностного склонового стока, как фактора эрозии почвы и источника пополнения ресурсов почвенной влаги в засушливых регионах.
Целью данной работы является выявление пространственных и временных закономерностей формирования гидрологического режима водосборов малых равнинных рек под влиянием региональных колебаний климата и хозяйственной деятельности, в том числе мероприятий по улучшению структуры их водного баланса.
Достижение этой цели потребовало решения следующих научных задач:
-
Анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.
-
Выявления роли водосбора и поверхностного склонового стока в формировании гидроэкологического состояния этих рек.
-
Разработки геосистемной концепции улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.
-
Оценки реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на многолетние колебания регионального климата.
-
Разработки методики геоэкологического анализа антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек.
-
Разработки ландшафтно–гидрологического метода оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения и его вклада в формирование качества водных ресурсов малых равнинных рек.
-
Разработки динамико–стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока.
-
Проведения сравнительного анализа гидрологической эффективности применения современных агротехнологий по улучшению структуры водного баланса водосборов малых равнинных рек на основе динамико– стохастического моделирования.
Методологическая основа и методы исследования
Методологической основой работы является бассейновый подход. Согласно этому подходу водосбор и сама малая река рассматриваются как единая целостная автономная геосистема, все компоненты которой связаны между собой вертикальными и горизонтальными потоками вещества и энергии. При этом водосбор и малая равнинная река представляют собой каскадную ландшафтно-геохимическую систему, состоящую из водосборов притоков n-порядка, объединенных между собой поверхностным, почвенным и грунтовым стоком [М.А. Глазовская, 1981; Л.М.Корытный, 2001; В.Н.Голосов, 2003].
При проведении исследований использовался комплекс гидролого-географических методов анализа процессов взаимодействия в системе «водосбор - малая река», испытывающих интенсивное воздействие антропогенных факторов, накладывающихся на меняющиеся в последние десятилетия климатические условия.
Он включал в себя:
- многолетние экспериментальные гидрологические исследования на воднобалансовых объектах Курской биосферной станции ИГРАН в лесостепной зоне, обобщение полученных данных в динамико-стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока и ее использование для оценки гидрологической эффективности современных, в том числе нетрадиционных агротехнологий.
- статистический анализ данных о многолетней изменчивости характеристик климата, гидрологического режима водосборов и стока малых рек по данным опорных воднобалансовых и гидрометрических станций для разных (южной части лесной, лесостепной и степной) природных зон Русской равнины.
- полевые экспедиционные обследования малых водосборов бассейна р. Истры, расположенного в южной части лесной зоны Русской равнины и обобщение полученных данных путем разработки методики геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы и ландшафтно-гидрологического метода оценки характеристик диффузного загрязнения малых рек;
Достоверность полученных результатов расчетов подтверждена хорошим совпадением экспериментальных и расчетных данных с использованием принятых в гидрометеорологии критериев, а также при сравнении результатов расчетов, полученных разными методами.
Объектом исследования являются малые равнинные реки, природные и природно-антропогенные геосистемы их водосборов, расположенные в основных природных зонах Русской равнины.
Предмет исследования - гидрологический режим малых равнинных рек и их водосборов, преимущественно, в зимнее-весенний период года и его реакция на колебания регионального климата и антропогенные воздействия, в том числе - применение различных агротехнологий.
На защиту выносятся:
Результаты анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек и роли поверхностного весеннего склонового стока как основного фактора, обусловливающего их гидроэкологическое состояние.
Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.
Закономерности реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на региональные колебания климата в разных природных зонах Русской равнины.
Методика геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы малых равнинных рек.
Ландшафтно–гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения, поступающего с водосбора и его вклада в формирование качества воды малой равнинной реки.
Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока.
Результаты сравнительного анализа гидрологической эффективности комплекса агротехнологий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек в период весеннего снеготаяния.
Научная новизна
В работе выявлены основные закономерности формирования гидрологического режима водосборов и его влияния на малые равнинные реки в основных природных зонах Русской равнины и разработана геосистемная концепция улучшения структуры их водного баланса. Получены следующие новые результаты:
установлена определяющая роль поверхностного весеннего склонового стока в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек и доказана устойчивость во времени связи средней многолетней величины этого процесса со средними многолетними значениями местного речного стока в период весеннего половодья.
выявлены основные закономерности и причины различной реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на совместное влияние колебаний регионального климата и хозяйственной деятельности в разных природных зонах Русской равнины.
разработана методика геоэкологического районирования антропогенных нагрузок на водосборы и установлена связь между геоэкологическим состоянием территории водосборов и качеством воды дренирующих их малых равнинных рек.
разработан ландшафтно–гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения водных ресурсов малых равнинных рек, основанный на расчете средних многолетних значений весеннего склонового стока, эрозии почвы и потоков основных биогенных элементов – азота и фосфора с различных (лес, сельскохозяйственные угодья, урбанизированные территории, овражно–балочная сеть) геосистем, расположенных на их водосборах.
разработана динамико–стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока. В ней одновременно учитывается динамика определяющих его частных гидрометеорологических процессов (поступления воды из снега, впитывания ее в почву, стекания по склонам) и стохастический характер характеристик гидротермического режима водосбора (гидрофизические характеристики почвы, запасы воды в снеге, глубина промерзания и влажность почвы).
выявлена высокая гидрологическая эффективность таких нетрадиционных агротехнологий как создание с осени кулис из высокостебельных растений и мульчирование почвы растительными остатками в улучшении гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.
Практическая значимость
Результаты исследований направлены на решение важной народнохозяйственной проблемы – улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек за счет снижения интенсивности проявления негативных процессов, формирующихся на их водосборах под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.
Полученные в работе оценки гидрологической эффективности нетрадиционных агротехнологий дают основание рекомендовать их для более широкого использования с целью не только улучшения водного режима и качества воды малых равнинных рек, снижения интенсивности эрозии почвы, но и в сочетании с другими мероприятиями (оптимизация ландшафтной структуры, лесоразведение и др.) – оздоровлению социально – экологической обстановки на их водосборах.
Практическими приложениями исследований являются:
Методика геоэкологического районирования территории водосборов малых равнинных рек и зон влияния малых водохранилищ по видам антропогенной нагрузки и степени экологической опасности;
Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик потоков биогенных элементов, поступающих с различных геосистем и водосбора в целом в овражно-балочную и речную сеть малой равнинной реки;
Метод руслового баланса масс для независимой оценки потоков биогенных элементов с водосбора, по данным об общем потоке этих загрязняющих веществ в русловой сети;
Рекомендации по применению мульчирования почвы с осени растительными остатками (соломой) в разные по температурному режиму зимы.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели, задач и научных положений, руководстве и непосредственном участии во всех теоретических и экспериментальных исследованиях, в камеральной обработке данных наблюдений и теоретическом обобщении их результатов.
Реализация результатов диссертационной работы
Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные научно – технические отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемые Институтом географии РАН, по ФЦП «Возрождение Волги» по разделу Малые реки, ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России», проект № К - 0669, по Российско-американскому проекту «Управление малыми водосборами бассейна р. Истра», Программе Отделения наук о Земле РАН «Динамика поверхностных и подземных вод и ледников», по гранту РФФИ № 05-05-64884 «Управление гидрологическими процессами на водосборах малых рек», по хозяйственным договорам по проблеме «Экологическая безопасность регионов АЭС» и ряду других проектов.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на следующих совещаниях, конференциях, конгрессах: Международном совещании по применению дистанционных методов в изучении гидрологического цикла (Москва, 1978), Всесоюзной школе-семинаре «Экспериментальные методы исследования геосистем (Звенигород, 1981), Всесоюзном совещании «Геосистемный мониторинг/принципы, пути организации» (Курск,1986), на Х сессии Всесоюзной школе – семинаре «Математическое моделирование гидрологических процессов (Звенигород,1989), на I, II, III, IY Международных конгрессах Вода – Экология - Технология «Экватек» (Москва, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), семинарах российско-американского проекта «Управление малыми водосборами в бассейне р. Истра», (Москва, 1995 - 1997гг), Международной научной конференции «Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы» (Тольятти, 2001), XI съезде Русского географического общества (Архангельск, 2001), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы водохранилищ» (Борок, 2002), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003), V1 Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), II Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России (Москва, 2006), заседаниях Ученого совета Института географии РАН и гидрологической комиссии Московского центра Русского географического общества.
Публикации
Основные результаты исследований изложены в 43 печатных работах, 20 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Объем и структура работы
Краткая характеристика некоторых общих факторов антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек
Современный этап природопользования в РФ, совпавший с концом XX -началом XXI века, характеризуется резкой сменой социально-экономического строя общественной жизни в России, приведшей к крупномасштабной трансформации условий ведения и интенсивности хозяйственной деятельности на водосборах водных объектов страны. Основной тенденцией природопользования на этом этапе развития общества является опережение темпов снижения производства по- сравнению с темпами сокращения его воздействия5 на окружающую природную среду [Клюев, 2000]. Усиление экологической деградации хозяйственной структуры реального сектора экономики -промышленности и сельского хозяйства, главными сферами материального производства, влияющими на природную среду, заключается в следующем. В промышленности - в увеличении роли экологически опасных производств (топливных предприятий, электроэнергетики, металлургии) и снижении доли экологически более приемлемых производств (легкой промышленности и машиностроения). В сельском хозяйстве - перемещение производства продукции из крупных предприятий (колхозов и совхозов) в индивидуальные хозяйства населения, сконцентрированных в компактных ареалах проживания, масштабный вывод из оборота посевных площадей и зарастание этих территорий кустарником и мелколиственным лесом, массовый перевод лесных и сельскохозяйственных угодий в другие категории земель под дачное и коттеджное строительство, обвальное сокращение поголовья скота - источника ценного органического удобрения (навоза), резкое сокращение объемов внесения минеральных и органических удобрений и средств защиты растений, снижение парка сельскохозяйственной техники. В целом, в стране отмечается "аграризация" регионов, при которой одни из них усиливают сельскохозяйственный потенциал, другие - индустриальный. При этом в связи с износом основных фондов усиливаются риски загрязнения окружающей среды от экологически опасных производств в промышленности. В сельском хозяйстве - увеличивается доля примитивных агротехнологий при производстве продукции, растет специализация по выращиванию монокультур, особенно, в личных хозяйствах, происходит территориальное перераспределение антропогенных нагрузок с концентрацией их в селах и пригородах городов и других населенных пунктов [Клюев, 2000, 2004]. Деэкологизация реального сектора экономики страны является одной из причин того, что геоэкологическое состояние водных ресурсов страны и, особенно малых равнинных рек, существенно не улучшается, а в некоторых регионах и ухудшается [Коронкевич, Зайцева, 2003, Черногаева и др., 2004]. Одной из важных причин неадекватной реакции малых рек на снижение антропогенных нагрузок является поступление в реки значительных объемов загрязняющих веществ, накопленных ранее в почве в результате неоптимального использования удобрений [Алексеевский и др., 2000].
К одному из важных и, в целом недостаточно учитываемых факторов общей антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек, относится загрязнение их поверхности разнообразными загрязняющими веществами в результате вымывания их осадками из атмосферы. Эти вещества попадают в нее из газодымовых выбросов предприятий теплоэнергетики, металлургии, нефтехимии, горнорудной промышленности, а также от сельского хозяйства, как источника поступления метана от животноводства. По данным [Паулюкявичюс, 1990] от одной коровы выделяется в сутки в атмосферу 1м3 метана (СН4) и аммиака (NH3). Кроме того, значительный объем солей поступает в атмосферу с поверхности океана, морей и других водных объектов, а также в результате дефляции почвы. Общий вынос солей в атмосферу (мигрирующих за пределы областей выноса) составляет около 12 млн. т /год, а с учетом выноса из солончаков - 24 - 132 млн. т/год [Эдельштейн, 2005; Глазовский, 2006]. Состав ингредиентов, поступающих с атмосферными выпадениями на водосбор достаточно велик и включает в себя твердые минеральные частицы, органические вещества (в т.ч. пестициды и гербициды), а также соединения аммония, фосфора, металлов, окислы азота, серы, а также радиоактивные элементы [Вода России. Малые реки, 2001]. Все эти вещества взаимодействуют с растительным и почвенным покровами и, в конечном итоге, в растворенном виде попадают в малые реки и другие водные объекты, усиливая их загрязнение и эвтрофирование. Сводки о концентрациях и общих объемах поступления этих веществ с техногенными выбросами в атмосферу приведены в [Возрождение Волги..., 1996; Малые реки..., 1998; Россия..., 2001; Антропогенные..., 2003]. Отметим только, что в среднем в атмосферу, например, бассейна Волги поступает в год с этими выбросами около 7.2 млн. тонн вредных веществ со степенью очистки 65 - 70%. Максимальные объемы выбросов отмечены для Тульской, Челябинской, Свердловской областей и Республики Коми, минимальные - для Республики Калмыкии и Республики Марий Эл [Возрождение Волги..., 1996]. При этом, как в теплый, так и в холодный сезоны года основной вклад в формирование средних сезонных концентраций массовых загрязняющих веществ вносит дальний перенос, преимущественно из стран Западной Европы [Парамонов,. 1994]. Вторым по значимости является, перенос загрязняющих веществ от внутри региональных источников (крупные предприятия и города). Локальные источники вносят относительно небольшой вклад в общее загрязнение атмосферы. С атмосферными осадкам в РФ на поверхность водосборов в сельской местности поступает в среднем 5-15 т/год растворимых веществ, в городах - 20 -30 т/год [Скакальский, 1995].
Животноводческая отрасль сельского хозяйства на территории Русской равнины развита повсеместно и оказывает разнообразное негативное влияние на гидроэкологическое состояние малых рек. Выпас скота на естественных и культурных пастбищах приводит к вытаптыванию растительности и изменению состава биоты, а также к существенному уплотнению почвы. Это является причиной ухудшения ее физико-химических свойств и, как следствие, к увеличению на этих угодьях склонового стока в 1.5-2.0 раза и выноса органического вещества в растворенной форме в 4.5 - 6.0 раз по сравнению с естественными геосистемами не испытывающих воздействия выпаса и угодьями, распаханными с осени под зябь. В тоже время эрозия почвы с этих угодий не высока в связи с высокой противоэрозионной устойчивостью почвы и в 5.0 -7.0 раз меньше ее величины на зяби [Природно- антропогенные..., 1989]. Помимо изменения состава биоты, интенсивное потребление кормов на пастбищах приводит к снижению количества фитомассы, поступающей в биологический оборот, а, следовательно, - к уменьшению поступления питательных веществ в почву и ухудшению ее плодородия.
Расположение животноводческих, свиноводческих и птицеводческих ферм и комплексов непосредственно в долинах малых рек оказывает большое влияние на режим и качество их водных ресурсов. Как правило, почва территорий и в непосредственной близости от этих предприятий буквально пропитана отходами животноводства и птицеводства, которые, фильтруясь, создают постоянный поток загрязняющих веществ в грунтовые воды. Во время сильных дождей и в период весеннего снеготаяния велики утечки навоза из переполненных навозо - и пометохранилищ прямо в реки. Излишки навоза складируются непосредственно на их берегах. Например, объем складированного навоза по берегам рек в Московской области в 1993 году оценивался в 2 млн. тонн [Малые реки..., 1998]. Сточные воды животноводческих комплексов содержат не только большое количество биогенных и органических веществ, концентрация которых превышает аналогичные показатели в промышленных и коммунально - бытовых стоках, но и пестициды, антибиотики, патогенные микробы. Поэтому они не могут сбрасываться непосредственно в водные объекты даже после очистки на очистных сооружениях, а проходят доочистку на полях фильтрации и орошения, после чего они в строго регламентируемых нормах используются как удобрения. Однако довольно часто уже доочищенные стоки вносятся на поля в зимний период на замерзшую почву, и в период снеготаяния значительная их часть смывается с полей и поступают в малые реки, усиливая их эвтрофирование. Таким образом загрязнение малых равнинных рек отходами животноводства представляет одну из самых серьезных угроз их гидроэкологическому состоянию. Снижение ее опасности требует организации первоочередных мероприятий по оптимизации функционирования самих этих предприятий, внедрения современных методов очистки, обеззараживания и утилизации этих отходов, предотвращения поступления навозосодержащих вод с их территории в эти водные объекты [Вода России..., 2001].
Одним из результатов отмеченной выше деэкологизации реального сектора экономики является с одной стороны усиленная урбанизация пригородов, как мегаполисов, так и других крупных городов страны, с другой - обезлюдивание и стагнация окраинных территорий субъектов РФ. Каждый из этих процессов негативно влияет на гидроэкологическое состояние малых рек. О степени урбанизации свидетельствуют данные о том, что только в 1996 -1997 гг. 38 тыс. га экологически ценных лесов в РФ отведено под дачное и коттеджное строительство, в том числе в Подмосковье 2200 га [Россия..., 2001]. Урбанизация территории обусловливает увеличение доли слабо и водонепроницаемых площадей. За счет этого усиливается склоновый сток, эрозия почвы и вынос загрязняющих веществ с водосбора в реки, нарушается водообмен с подземными водами и в целом -ухудшается структура водного баланса, характерная для слабонарушенных этим видом антропогенной деятельности водосборов.
Основные задачи и исходные данные
Оценка реакции межгодовой изменчивости рассматриваемых гидрологических процессов на соответствующие колебания характеристик климата в даннойработе основана на, решении нескольких частных задач с использованием различных статистических методов анализа временных рядов (Рождественский, Чеботарев, 1974; Рождественский и др., 1990; Евстигнеев, 1990). Такими задачами являлись: 1-оценка репрезентативности данных наблюдений о многолетней изменчивости характеристик климата на опорных метеостанциях для других территорий в пределах рассматриваемых природных зон; 2 - оценка вклада колебаний показателей климата в теплые (апрель-октябрь) и холодные (ноябрь- март) сезоны года в формирование многолетней изменчивости их средних годовых величин; 3 -выявление закономерностей в многолетней изменчивости средних годовых значений показателей климата, факторов гидротермического состояния водосборов, ПВСС и речного стока малых рек; 4 - оценка однородности рядов наблюдений; 5. - оценка времени запаздывания в наступлении маловодных и многоводных фаз в многолетних изменениях гидрологических процессов на водосборах и речного стока малых рек по отношению к соответствующим многолетним изменениям характеристик климата.
Исходными данными являлись длительные ряды ПВСС и факторов гидротермического состояния водосборов для экспериментальных водосборов трех опорных БВС (более 40 лет), средних месячных величин температуры воздуха и сумм осадков, годового стока на ближайших к ним метеостанциях и в замыкающих створах малых рек, расположенных в южной части лесной, лесостепной и степной зонах Русской равнины (от 60 до 75 лет). Ими являлись: воднобалансовый стационар "Малая Истра", м/с "Новый Иерусалим", р. Истра - п. Павловская Слобода; Нижнедевицкая ВБС с одноименной м/с, р. Хопер - п. Новохоперск; Волгоградский стационар Всероссийского НИИ агролесомелиорации РАСХН (ВНИАЛМИ), м/с "Волгоград - СХИ", и р. Иловля - п. Александровка, соответственно. Особенностью использованных данных являлось то, что они охватывали весь современный период, вплоть до 2000 - 2004 годов. Расположение опорных БВС на территории Русской равнины приведено на рис. 4.1.
Состав и длительность наблюдений на опорных воднобалансовых станциях приведены в табл.4.1.
Для- восстановления пропущенных данных о значениях факторов гидротермического состояния водосборов и ПВСС использованы уравнения регрессии между этими факторами и различными метеорологическими характеристиками в зимние сезоны, коэффициент корреляции между которыми г 0.4 (рис. 4.2). Из приведенных на рис.4.2 графиков видно, что наиболее тесные связи существуют между средней температурой воздуха за холодный период года и тремя показателями: глубиной промерзания почвы, максимальным запасом вольт в снеге (снегозапасами) и величиной ПВСС. Глубина промерзания Прямо пропорциональна зимним температурам - чем холоднее зима, тем гду ж промерзает почва. Эта зависимость во многом определяет и величину склонового стока. После холодной зимы, когда почва глубоко промерзла, нужно значительное количество тепла и продолжительное время для того, чтобы земля оттаяла. ГХВгг начинается раньше, чем оттаивает почва. Мерзлая почва служит водоупором pj _ талые воды стекают вниз по склонам в местные водотоки, не просачиваясь в noxiBv При этом величина ПВСС оказывается максимальной (прямо пропорциональна температуре холодного периода). Такая же прямо пропорциональная зависимость существует между зимней температурой воздуха и максимальными снегозапасами - чем ниже зимние температуры, тем больше снега. Этим можно объяснить то, что в теплые зимы в степных и лесостепных районах снег часто тает и запас воды в снеге оказывается небольшим. Хорошая связь глубины промерзания и влажности объясняется тем, что во влажной почве, из-за высокой теплоемкости воды тепла на промерзание тратится больше, следовательно, меньше глубина промерзания (сухая почва промерзает глубже). На основе полученных уравнений проводился расчет значений этих факторов и ПВСС в те годы, когда информация о них отсутствовала и сформированы ряды экспериментальных данных за весь многолетний период наблюдений.
Методика расчета средних многолетних характеристик гидролого -эрозионных процессов, формирующихся на водосборе и выноса БЭ в овражно-балочную и речную сеть
Объектами, на примере которых проводилось разработка ЛГМ оценки выноса БЭ, является водосбор р. Истры, F = 2050 км , расположенный на северо-западе Московской области и 16 малых речных бассейнов, образующих его гидрографическую сеть. Физико-географические и хозяйственные условия водосбора р. Истры освещены в главе 5. Отметим только, что исследуемый водосбор достаточно хорошо изучен по условиям проявления эрозионных процессов. По данным проектных материалов Росгипроводхоза (1992 г.) в отдельные годы эрозия почвы в этом речном бассейне составляет от долей до 15 т/га в год. По черному пару величина эрозии почвы может достигать до 80-90 т/га в год. В среднем для большей части территории бассейна величина- эрозии определена в 10 т/га, при критерии допустимого смыва равного 2,5 т/га в год. Наиболее эрозионно-опасны земли, расположенные вдоль рек и дорог. Доля эрозионно-опасных земель в бассейне р. Истры составляет 50-70%. Густота овражно-балочной сети -1,5-2,0 км/км .
Основным периодом года, для которого проводилась разработка ЛГМ, является весеннее снеготаяние. Поскольку именно в весенний период года происходит формирование основного объема ПВСС и речного стока, он выбран в качестве расчетного для оценки среднемноголетних годовых характеристик гидролого-гидрохимических процессов и диффузного загрязнения водных ресурсов в бассейне р. Истры.
Для оценки пространственной дифференциации ландшафтных условий в бассейне р. Истры по топографической карте М 1:100 000 были выделены границы и гидрографическая сеть 16 водосборов малых рек, впадающих либо в Истринское водохранилище, либо в р. Истру и ее наиболее крупный приток - р. Малую Истру. Для каждого их этих водосборов с помощью палетки были определены площади лесных (F,,), сельскохозяйственных (Fc/x) и урбанизированных (Fy-) геосистем. При этом, для сельскохозяйственных геосистем, по данным Администрации Истринского района, были также определены площади полей, отводимые под зябь (F3)H С уплотненной почвой (FyiI), т. е. основные виды подстилающей поверхности агрогеосистем, остающиеся на водосборах к моменту установления снежного покрова. В группу агрогеосистем с уплотненной почвой включались такие разные типы подстилающей поверхности, как многолетние травы, озимые, пастбища, залежь, стерня [Коронкевич, 1990].
Оценка площади ОБС для каждого из выделенных малых водосборов определялась исходя из следующих соображений. Известно, что площадь этого типа ландшафта практически линейно связана с ее густотой. В свою очередь густота ОБС закономерно увеличивается от верховьев водосборов к их устью [Грин, 1965]. В рамках бассейна р. Истры густота ОБС у изменяется от 1,5 до 2,0 км/км", а площадь - от 6% до 10,34% от площади водосборов малых рек. Перечень водосборов малых рек и значения площадей каждого типа рассматриваемых.геосистем в бассейне р. Истры приведены в табл. 6.1.
Для каждого выделенного вида подстилающей поверхности оценка среднемноголетней величины ПВСС получена следующим путем. Для лесных и сельскохозяйственных геосистем (агрогеосистем) всех малых водосборов бассейна р. Истры значения ПВСС определялись расчетом по зональным связям с величиной среднемноголетнего речного стока за период половодья (в мм): Увс= / (Ypu) [Коронкевич, 1990; Хрисанов, Осипов, 1993]. Аналитические аппроксимации этих зависимостей приведены в главе 2.
Для определения величины среднего многолетнего стока малых рек в этот период сначала рассчитывался средний многолетний годовой,речной сток (Ург) по зависимости от средней высоты водосбора Ург = g (Яср). Для, малых рек.У- района схемы гидрологического районирования Московского региона, в котором находится бассейн р. Истры, расчетное выражение имеет следующий вид [Оценка, 1989]
Что касается величины ПВСС с урбанизированных геосистем, то следует отметить, что, несмотря на большую потребность в методах, позволяющих рассчитывать характеристики ПВСС, также как и других процессов, определяющих объем формирующихся в этих геосистемах диффузного загрязнения, то к настоящему времени они всё еще не разработаны. В связи с отсутствием каких-либо достоверных данных или расчетных зависимостей для исследуемого или расположенного в южной части лесной зоны водосбора-аналога, в данной работе величина ПВСС для его урбанизированных территорий определялась приближенно, как пропорция с использованием соотношения между коэффициентами стока с урбанизированных (rjyp. = 0,75) и сельскохозяйственных Olcx= 0,58) геосистем: d= тур /гсч [Черногаева, 1976; Черногаева, 1982; Куприянов, 1977; Субботин, Дыгало1991].
Оценки ПВСС в ОБС в данной работе получены по величине снегозапасов, сложенных с осадками за период снеготаяния в этом типе ландшафта (SoGc мм) и его козффициенту(ті):
Изучению эрозии почвы посвящено большое число экспериментальных и теоретических исследований, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом и разработан ряд полуэмпирических методов ее оценки. [Герсименко, Кумани, 1980; Сурмач, 1992; Барабанов, 1993; Ларионов, 1993; Кузнецов, Демидов, 2002]. Однако, применение этих методов во многих случаях требует использования большого объема данных натурных наблюдений за определяющими этот процесс факторами. Поэтому на практике, при отсутствии необходимой информации, широко применяются эмпирические, близкие к линейному виду или степенные зависимости смыва почвы от величины ПВСС. [Кузнецов, Глазунов, 1996]. В данной работе была использована зависимость смыва распаханной под зябь почвы (М, т/га) от слоя ПВСС (YBC,MM): М = aYBC п, где - а, п - эмпирические параметры. Конкретные числовые значения эмпирических параметров ранее были получены для различных почв, для трех типов строения ручейковой сети, формирующейся на склонах с разной подстилающей поверхностью в период снеготаяния [Бобровицкая, 1977; 1977]. В бассейне р. Истра в этот период преобладают одновременно II и III типы ручейковой сети. Значения входящих в зависимость M=f(YBC) параметров для зяби на дерново — подзолистых почвах были определены следующими: а=10-1 0,42; п= 1.3
Результаты расчета среднемноголетних характеристик гидролого-эрозионных процессов в период весеннего снеготаяния в различных типах геосистем для малых водосборах бассейна р. Истры приведены в табл. 6.2
Гидрологическая эффективность мульчирования почвы растительными остатками
Мульчирование почвы растительными остатками в настоящее время рассматривается как одна из перспективных почво и водоохранных агротехнологий земледелия, получающих все большее распространие во многих странах (США, Канада, ФРГ, Китай, Россия и др.). Научному обоснованию применения этой агротехнологии посвящено много экспериментальных исследований, в которых показана достаточно высокая эффективность их использования в увеличении урожайности сельскохозяйственных культур, улучшении структуры, плодородия и режима влажности почвы, уменьшения непродуктивного испарения, снижения эрозии почвы [Ален, 1985; Бараев, 1975; Будаговский, Григорьева, 1991; Джеке и др., 1958; Сельскохозяйственные, 1978; Моргун и др, 1988; Эрозия почвы, 1984; Кума-ни, 2003]. Однако результаты этих исследований получены для конкретных физико-географических условий, при разных схемах постановки и проведения опытов, часто весьма непродолжительных, не охватывающих всего возможного диапазона изменения гидрометеорологических воздействий. Поэтому, эти обстоятельства не позволяют использовать их для прогноза эффективности применения этой агроех-нологии для территорий, находящихся в других почвенных и гидрометеорологических условиях. В этой связи в последние годы предприняты новые исследования, направленные на разработку достаточно универсальных расчетных методов оценок и прогноза эффективности различных технологий земледелия, в том числе и мульчирования почвы, основанных как на теоретических моделях тепло и влагоперено-са в агрогеосистемах, так и методологии эколого- энергетического или биоэнергетического анализа. При этом основное внимание уделялось разработке методов расчета влагообеспеченности агрогеосистем и их урожайности в теплый период года, а также дождевой эрозии почвы [Володин, 2000, Бровкин и др, 1991; Гусев, 1993; Гусев, Джоган, 2000; Гусев, Бусарова, 2001; Сухановский, 2000;Методика..., 1999; Bussiere, Celier,1994; Sui and all, 1992]. Однако, не менее важна разработка таких методик для холодного периода и, особенно для периода весеннего снеготаяния.
Для иллюстрации эффективности мульчирования почвы из соломы на изменение гидротермического режима почвы в холодный период года приведем результаты экспериментальных исследований, выполненных на КБС ИГРАН в зимнее -весенний период 1987/ 1988 гг. Сущность этих работ заключалась в следующем: на трех небольших участках, площадью 1.5 х 1.5 м - паровом участке без растительности, аналогичном участке, покрытом мульчей из соломы высотой 8-10 см и на участке с ecTecTBeHHbiMtтравяным, покровом, по постоянным снегомерным рейкам проводились ежедекадные наблюдения за высотой»снежного покровами глубиной промерзания почвы по мерзлотомеру Данилина. Результаты наблюдений приведены на рис.7.10
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при однородных метеорологических условиях над участками (данные о высоте снега усреднены для всех участков), мульча из соломы примерно в два раза уменьшает глубину промерзания почвы по сравнению с оголенным паровым участком. В то же время термический режим почвы на участке под мульчей оказался близким к участку с естественной растительностью. Это еще раз свидетельствует во - первых, о близком подобии мульчирующего слоя из соломы отмершим остаткам естественного растительного покрова, во - вторых о существенном ее влиянии на уменьшение глубины промерзания почвы - одного из важных факторов водопроницаемости мерзлых почв. Отметим, что в весенний период оттаивание верхних слоев почвы на открытом пару происходит на 5-10 дней быстрее, чем под мульчей и естественной растительностью. Поэтому применение с осени мульчирующих покрытий может несколько сдвинуть сроки сева яровых культур. Учитывая, однако, что мульча из соломы является эффективным средством уменьшения непродуктивного испарения, сдвиг сроков сева на 5 - 10 дней не может существенно повлиять на величину конечного урожая. Более того, слой мульчи, оставленный с осени на поверхности почвы, обладает положительным h, см длительным эффектом. Он заключается в том, что мульчирующий покров ослабляет действие солнечной радиации на поверхность почвы, что приводит к снижению ее температуры и за счет этого замедлению распада органических веществ, их минерализации и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов и сохранению их в почве.
Результаты приведенных выше экспериментальных исследований были использованы при физико- математическом моделировании изменений гидротермического режима почвы под влиянием мульчи из соломы в холодный период и уже после снеготаяния и не охватывал период формирования самого ПВСС непосредственно на склонах водосборов малых рек [Гусев, Ясинский, 1990; Гусев и др., 1992; Ye.M.Gusev and all, 1993]. В этой связи проведем, используя Д - С - М, сравнительный анализ гидрологической эффективности мульчирования почвы соломой и комплекса других традиционных агротехнических приемов осенней обработки почвы по управлению процессами гидрологического цикла на малых водосборах в период весеннего снеготаяния.
Влияние осеннего мульчирования почвы соломой с применением Д-С-М на изменение структуры водного баланса в период снеготаяния исследовалось на примере рассмотренных в разделе 7. 2 воднобалансовых объектов КБС ИГРАН, за период 1979-1985 гг. В эти же годы и в том же районе Всероссийский НИИ земледелия и защиты почв от эрозии РАСХН (ВНИИЗ и ЗПЭ) осуществлял крупномасштабный эксперимент на большом числе стоковых площадок по изучению влияния различных агротехнических приемов обработки почвы на изменение ПВСС, эрозии почвы и обусловливающих их факторов. Одним из таких приемов являлось мульчирование с осени одной из стоковых площадок. Результаты этих исследований в значительной степени обобщены М.М.Ломакиным [Ломакин, 1988]. В этой работе приведена информация о ПВСС и обусловливающих его формирования факторах, практически аналогичная той, которая получена для объектов КБС ИГРАН, что позволило создать единую базу данных для-56 годопунктов: Перечень-экспериментальных объектов; данные наблюдений, на которых использованы-в данной работе, приведены в табл. 7.3.
Длина склона на объектах КБС ИГРАН составляла 200 м, на объектах ВНИИЗ- и ЗПЭ - 170м. Водосбор «Панинский» был представлен в виде большой стоковой площадки с длиной склона - 450 м. Для каждого из объектов имелась экспериментально полученная информация о максимальных снегозапасах, глубине промерзания, влажности почвы и объеме ПВСС. Для объектов КБС ИГРАН имелись также данные об изменении высоты снежного покрова (по декадам) в течение холодного периода и суточной водоотдаче из снега в период снеготаяния, полученные путем наблюдений по постоянным снегомерным рейкам, а также об ежедневных значениях ПВСС (гидрограф). Данные о метеорологических характеристиках были получены на м /с «Петринка», расположенной в нескольких километрах от рассматриваемых экспериментальных объектов. Ими являлись средние декадные значения температуры воздуха за холодный период, а также ежедневные данные о температуре воздуха и осадках в период снеготаяния.
Поскольку все-экспериментальные объекты, были расположены-вблизи-друг от друга, эти метеорологические характеристики за каждый год принималось одними и теми же для всех объектов, за исключением декадных значений высоты снежного покрова. Для каждого из объектов ВНИИЗ и ЗПЭ значение этой характеристики рассчитывалось путем использования поправочных коэффициентов, полученных для каждого года наблюдений, как отношение между значениями высоты снега на объектах КБС ИГРАН и на всех остальных на момент установления максимальных снегозапасов. В каждый год общими для всех объектов являлись также значения пористости почвы п , = 0.60 и коэффициентов теплопроводности снега Х{, мерзлой Х2 и талой Х,3 почвы, используемые в (7.23) при расчете глубины ее промерзания. Коэффициент теплопроводности снега ц(кал/(см-страд)) зависит от его плотности рсн, которая менялась по годам от 0.25 до 0.40 г/см" и рассчитывался по формуле Абельса: X., = 6.77 10 3 pj (7.30).
Коэффициенты Х,2 и Х-з задавались по данным из работы [Калюжный, Павлова,1981] и приняты равными 1.8-10"3 и 1.4-10"3кал/(см-страд), соответственно .
Что касается коэффициента фильтрации талой почвы К0 в формуле (7.15), то для черноземов мощных, тяжелосуглинистых, на примере которых разрабатывалась Д - С - М, он был определен экспериментально только для пашни и косимой целины и оказался равным соответственно 2.4мм/мин и 13.3 мм/мин. [Ясинский, 1982]. Для других видов подстилающей поверхности значения этого важнейшего гидрофизического параметра почвы были неизвестны и были определены по результатам оптимизации, сущность которой будет освещена ниже. При этом уточнялись его экспериментально установленные значения и для указанных выше геосистем.
Обобщение данных многолетних экспериментальных исследований ИГРАН и ВНИИЗ и ЗПЭ, по оценке степени влияния различных приемов обработки почвы на снижение водопроницаемости почвы и ПВСС, приведенных в [Ломакин, 1988; Ясинский, 1994], привело к следующим выводам. На рис. 7.11 приведен график связи ПВСС (У) от интегрального показателя водопроницаемости почвы В: У = f (В) за каждый год наблюдений.
Из него видно, что точки в поле графика, несмотря на их значительный разброс, образуют три группы. В первую группу входят экологически благоприятные виды агротехнологий- стерня:, мульчирование почвы без ее обработкии плоскорезная обработка с мульчированием. Эти виды обработки почвы, обеспечивая хорошую водопроницаемость мерзлых почв, тем не менее, приводят к наиболее высоким значениям ПВСС. Третью группу составляют, наоборот, наименее экологически благоприятные виды обработки почвы, связанные с механическим воздействием на нее - плоскорезная обработка почвы и вспашка на глубину 20-22 см. Промежуточное положение занимает вторая группа агротехнологий, в большей степени тяготеющая к третьей, основанных на перемешивании верхнего слоя почвы механическими орудиями ее обработки.
