Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия лесостепной и степной вон СССР и общие сведения о малых водохранилищах 14
1.1. Принятые понятия 14
1.2. Природные условия 16
1.3. Краткая история строительства малых водохранилищ и их хозяйственное значение 28
1.4. Динамика регулирования местного стока 33
Выводы. 39
Глава 2. Изученность осадконакопления в малых водохранилищах 40
2.1. Общая схема осадкообразования в водохранилищах как основа его комплексного изучения 40
2.2. Основные этапы и направления исследований осадконакопления в малых водохранилищах 50
2.3. Методы и результаты обобщения данных по осадкоиа-коплению в малых водохранилищах 70
Выводы 95
Глаза 3. Морфометрические характеристики и гидрологический режим малых водохранилищ 96
3.1. Морфометрические характеристики водосборов 96
3.2. Морфометрические характеристики водоемов 113
3.3. Соотношения между морфометрическими характеристиками водоемов и водосборов 126
3.4. Водный баланс каскада прудов 132
3.4.1. Методика определения элементов водного баланса 132
3.4.2. Водный баланс каскада прудов 136
3.4.3. Особенности водного баланса малых водохранилищ 142
3.5. Уровенный режим малых водохранилищ 147
3.6. Термический режим водоемов 155
3.7. Ледовый режим водоемов 158
3.8. Ветровое волнение, течения в водоемах 162
Выводы 163
Глава 4. Источники седиментационного материала 166
4.1. Сток наносов малых водотоков 166
4.2. Источники осадконакопления в прудах каскада 189
4.2.1. Методика изучения источников седиментационного материала прудов 190
4.2.2. Приток наносов с водосбора 193
4.2.3. Продукты эолового переноса 199
4.2.4. Размыв берегов, начального ложа, плотины 200
4.2.5. Продукты внутренней жизни водоема 213
4.2.6. Общее поступление седиментационного материала в пруды каскада 217
Выводы 219
Глава 5, Взвешенное вещество и донные отложения малых водохранилищ 222
5.1. Методика изучения взвесей и донных отложений прудов 223
5.2. Взвеси прудов на б. Каракубанской 226
5.3. Донные отложения прудов на б. Каракубанской 234
5.4. Средняя плотность отложений в прудах 248
5.5. Зональные и внутризональные изменения состава донных отложений малых водохранилищ 252
Выводы 264
Глава 6. Седиментационный баланс и наносоудерживающая способность малых водохранилищ 267
6.1. Седиментационный баланс каскада прудов на б. Караку-банской 267
6.2. Наносоудерживающая способность водохранилищ и ее расчет 273
Выводы 284
Глава 7. Географические закономерности осадконакопления в малых водохранилищах 286
7.1. Методика исследований 286
7.2. Оценка влияния факторов на осадконакопление 291
7.2.1. Влияние осадков 292
7.2.2. Влияние размера водосбора и водоема 302
7.2.3. Влияние продолжительности эксплуатации 312
7.2.4. Влияние характеристик подстилающей поверхности 319
7.3. Районирование территории по условиям осадконакопления в прудах 330
7.4. Зональные и внутризональные изменения показателей осадконакопления в прудах 340
7.5. Характеристика седиментационных районов 354
7.5.1. Пруды лесостепной зоны 354
7.5.2. Пруды степной зоны 363
7.5.3. Пруды горных областей Урала и Предкавказья 375
Выводы 378
Глава 8. Расчет осадконакопления в малых водохранилищах 381
8.1. Схема построения расчетной зависимости для определения показателей осадконакопления 382
8.2. Расчетные зависимости для определения показателей осадконакопления в прудах 387
8.3. Оценка эффективности мер защиты прудов от заиления продуктами эрозии 402
8.4. Проверка методов расчета заиления прудов 409
Выводы 415
Глава 9. Сток наносов малых водотоков как элемент седиментационного баланса прудов 417
9.1. Методика оценки склонового смыва и стока наносов малых водотоков по данным заиления прудов 417
9.2. Зональные и внутризональные изменения стока наносов малых водотоков 419
9.3. Расчетные зависимости для определения стока наносов малых водотоков 424
9.4. Влияние прудов на сток наносов рек 429
Выводы 431
Заключение 433
Литература 438
- Краткая история строительства малых водохранилищ и их хозяйственное значение
- Основные этапы и направления исследований осадконакопления в малых водохранилищах
- Соотношения между морфометрическими характеристиками водоемов и водосборов
- Методика изучения источников седиментационного материала прудов
Введение к работе
Осуществление намеченной ХХУІ съездом КПСС на I98I-I985 годы и на период до 1990 года широкой программы мер, направленных на дальнейший подъем народного хозяйства, в зоне недостаточного увлажнения в значительной степени связано с улучшением и наиболее полным использованием прежде всего вод местного стока, издавна аккумулируемого в многочисленных небольших водохранилищах /прудах/» создаваемых на малых речках, ручьях, оврагах, балках. Пруды, являясь источником сельскохозяйственного водоснабжения, развития орошаемого земледелия, высокопродуктивных орошаемых пастбищ и сенокосов, прудового рыбоводства, в то же время имеют огромное водоохранное значение,,способствуя пополнению запасов грунтовых вод, защите рек и других водных объектов от заиления.
В СССР насчитывается около 130-150 тысяч прудов /Мильков, 1978; Вендров, 1979/, половина которых расположена в лесостепной и степной зонах, занимающих всего 12 % площади страны. В среднем на каждую 1000 км2 площади СССР приходится 7 водоемов, в указанных зонах - 25, а в отдельных районах - до 40-50 и более. Большая насыщенность территории прудами и небольшими водохранилищами /рис. I / послужила для отдельных исследователей основанием, чтобы называть лесостепь и степь Русской равнины "страной тысячи прудов" /Мильков, 1978/, вводить понятие о "коэффициенте запруженности" территории /Любивая, Михно, 1974/, выделять "прудовые районы" /Се-менцов, 1973а/ и раздел гидрологии суши - прудоведение /Срибный, 1967/. Это огромное водное хозяйство еще недостаточно изучено в гидрологическом отношении, слабо организован учет водоемов, необходимый для надежной оценки их влияния на гидрологический режим
- z-
Рис. I. Размещение прудов в Поволжье /по О.М» Зубченко, 1971 /.
водотоков.
Пруды отличаются высокой интенсивностью заиления, снижающей эффективность использования водоемов в народном хозяйстве и требующей разработки наиболее обоснованных методов прогноза /расчета/ срока службы проектируемых водоемов и мер охраны их от заиления. По ориентировочным подсчетам, в прудах СССР ежегодно откладывается
столько же продуктов эрозии /225-300 млн. м /, что и во всех крупных водохранилищах страны, хотя общий объем прудов не превышает объема одного Куйбышевского водохранилища.
В последние 40-50 лет в нашей стране, особенно в лесостепной и степной зонах, выполнен большой объем исследований заиления небольших водохранилищ и прудов с целью разработки методов расчета заиления этих водоемов и оценки стока наносов неизученных малых водотоков. Однако работы носили преимущественно маршрутный характер, отсутствовал комплексный подход к изучению осадконакопления, в основе которого лежит исследование баланса вещества водоема. Это обусловило слабую изученность эрозионных характеристик малых водосборов, гидрологического режима водоемов, источников седиментаци-онного материала, наносоудерживающей способности водоемов, физико-механических и химических свойств донных отложений, отсутствие методического обоснования способа оценки стока наносов малых водотоков по данным заиления прудов. Оставались невыявленными пространственные закономерности осадконакопления в прудах.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена слабой изученностью географических и гидрологических закономерностей осадконакопления в малых водохранилищах и необходимостью их познания для решения задач, имеющих важное научное и практическое значение.
Основная цель исследований - выявить географические /зональное и внутризональное изменение/ закономерности осадконакопления в
прудах лесостепной и степной зон СССР и на их основе построить расчетные зависимости для определения показателей осадконакопления в проектируемых водоемах, обосновать способ оценки стока наносов малых водотоков по данным заиления прудов и разработать расчетные зависимости для его определения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи;
организовать и провести комплексные маршрутные и балансовые исследования осадконакопления в верховых прудах, каскадах прудов и водохранилищах Предкавказья; разработать методику полевых, особенно балансовых, исследований осадконакопления;
изучить морфометрические характеристики прудов и их водосборов, гидрологический режим водоемов и особенности их водного баланса, источники седиментационного материала и их роль в общем поступлении материала в водоем, взвеси и наносоудерживающую способность водоемов, особенности их седиментационного баланса, химический состав донных отложений;
выполнить районирование территории лесостепной и степной зон СССР по условиям осадконакопления в прудах с целью выявления зональных и внутризональных изменений показателей осадконакопления и построения расчетных зависимостей для определения последних;
разработать расчетные зависимости для определения средней плотности отложений в прудах и наносоудерживающей способности водоемов;
оценить сток наносов малых водотоков лесостепной и степной зон как элемент седиментационного баланса прудов, выявить его географические закономерности и разработать расчетные зависимости для его определения;
оценить ежегодный объем отложений в прудах СССР и влияние этих водоемов на сток наносов рек;
- показать возможность использования результатов исследований для проектирования прудов, мер защиты их от заиления и противоэро-зионных мероприятий на малых водосборах.
Для решения поставленных в диссертации задач привлечены прежде всего материалы собственных исследований автора на прудах и водохранилищах Предкавказья /I96S-I976 гг./, где в общей сложности изучено заиление 75 верховых прудов и 240 прудов в составе каскадов на местном стоке, 10 небольших водохранилищ, наполняемых водой Большого Ставропольского канала и его распределителей. Изучен водный и седиментадионный баланс водохранилищ Отказненского и "Волчьи Ворота", а также каскада из 7 прудов на б. Каракубанской /Краснодарский край/. Использованы также литературные данные по заилению 420 верховых прудов и небольших водохранилищ преимущественно лесостепной и степной зон СССР и аналогичные данные по прудам США, Индии, Болгарии, опубликованные материалы стационарных наблюдений Северо-Кавказского УГМС над гидрологическим режимом прудов и сведения по водному и седиментационному балансам водохранилищ разного размера.
В основу работы положен комплексный подход к решению проблемы осадконакопления в малых водохранилищах, вытекающий из общей схемы осадкообразования в водохранилищах. Осадконакопление рассматривается как сложный, многофакторный нестационарный процесс, включающий поступление седиментационного материала из аллохтонных и автохтонных источников, его переработку и сортировку в водоеме, седиментацию и частичный вынос из водоема. Методологической основой комплексного изучения осадконакопления является водный и седимен-тационный баланс водоема, через отдельные элементы которых осуществляется связь водоема с водосбором.
Предметом защиты является новое развиваемое в работе научное направление - гидрология малых водохранилищ, включающее изучение
- II -
размещения відоємов, эрозионных характеристик водосборов, морфо-метрических характеристик водоемов и гидрологического режима, источников наполнения и заиления, водообмена и наносоудерживающей способности, взвесей и донных отложений, гидрохимического режима, влияния этих водоемов на гидрологический режим рек, охрану водоемов. Необходимость в этом направлении обусловлена выявленной в диссертации особенностью морфологии чаши прудов, их водного и седи-ментационного балансов, режима взвесей, распределения по акватории водоема взвесей и мощности отложений, а также большой численностью водоемов и их народнохозяйственным значением. Основное внимание в работе уделено осадконакоплению как наиболее изученному и интенсивно протекающему процессу, определяющему срок службы водоемов.
Исследования направлены на решение важной народнохозяйственной проблемы рационального использования вод местного стока для сельскохозяйственных, бытовых, производственных нужд. При этом автором
установлены географические и гидрологические закономерности осадконакопления в прудах лесостепной и степной зон СССР;
выявлены особенности водного и седиментационного балансов прудов, режима взвесей;
выполнено районирование территории лесостепной и степной зон по условиям осадконакопления в прудах, разработаны расчетные зависимости для определения плотности отложений, показателей осадконакопления и стока наносов малых водотоков, наносоудерживающей способности водохранилищ;
оценен ежегодный объем отложений в прудах СССР и влияние этих водоемов на сток наносов рек;
разработана методика комплексного натурного изучения осадконакопления в малых водоемах и даны практические рекомендации по использованию результатов исследований при проектировании прудов и мер защиты их от заиления, противоэрозионных мероприятий на малых
водосборах.
Результаты исследований опубликованы в 42 работах автора, в том числе в двух монографиях: "Малые водохранилища лесостепной и степной зон СССР", Л., Наука, 1979, 12 а.л., "Осадконакопление в малых водохранилищах", Л., Наука, 1981, 10 а.л., и прошли апробацию на научных конгрессах, съездах, конференциях, совещаниях, семинарах, заседаниях Ученого совета Института озероведения АН СССР.
Диссертация является итоговой работой автора, выполненной в Институте озероведения АН СССР по проблеме "Исследование процесса заиления водохранилищ" /і государственной регистрации 73 060 521/. Значительный объем фактических данных получен при проведении работ по плану народно-хозяйственной тематики РСФСР /приказ MB и ССО от 16 ХП 1965 г., № 640/ и координационному плану научных исследований ГК по науке и технике при СМ СССР /Jfe 02 900 002/. С 1963 г. автор возглавлял Северо-Кавказскую экспедицию Института озероведения, являясь с 1965 г. ее научным руководителем, определял общее направление работ и непосредственно участвовал в них. Под его редакцией вышли из печати сборники и коллективные монографиии сотрудников экспедиции. Все научные выводы, приведенные в диссертации, принадлежат автору.
Основные результаты исследований внедрены в производство Институтом "Севкавгипроводхоз" при проектировании различных стадий Большого Ставропольского канала, водохранилищ вторичного регулирования, Кисловодского водохранилища и многочисленных прудов инженерного типа. Разработанный автором метод расчета заиления прудов использован в Болгарии /Папазов, Амиорков и др., 1966/ и вошел в рекомендации СЭВ /Методы измерения расходов наносов и изучения деформации речных русел и исследование твердого стока. Будапешт, 1972/. Способ расчета средней плотности отложений применен на Мингечаурском водохранилище /Тарвердиев, 1974/. Полученные в ходе исследований выводы о
- ІЗ -
стоке речных наносов и заилении прудов вошли отдельными главами в монографии "Ресурсы поверхностных вод СССР" /т. 7, 8, 1973/. Автором прочитаны спецкурсы студентам гидрологических специальностей Одесского гидрометеорологического института /Речные наносы/ в 1967 г. и Дальневосточного государственного университета /Гидрология малых водохранилищ/ в 198I г.
Выполненные в диссертации разработки доведены до возможности их практического применения проектными и производственными организациями при решении следующих задач:
при проектировании прудов лесостепной и степной зон - расчетные зависимости для определения средней плотности отложений, показателей осадконакопления, продуктов размыва берегов, наносоудержи-вающей способности водоемов;
при планировании очередности проведения противоэрозионных мероприятий на малых водосборах - зональные и внутризональные характеристики осадконакопления в прудах и стока наносов малых водотоков;
при оценке эффективности противоэрозионных мероприятий на малых водосборах - методика определения стока наносов малых водотоков как элемента седиментационного баланса прудов;
при разработке мер защиты водоемов от заиления, решении вопроса о строительстве нового водоема или расчистке от отложений существующего - данные о нестационарности размыва берегов прудов, стадиях осадконакопления и динамичности соотношения между аллохтонным и автохтонным веществом в приходной части седиментационного баланса прудов;
при выборе способов расчистки прудов от накопившихся отложений и использования последних - сведения о плотности отложений, их химическом составе.
Краткая история строительства малых водохранилищ и их хозяйственное значение
Устройство малых водохранилищ на небольших речках, балках, как показал многовековой народный опыт, является самым простым и доступным способом полного использования местного стока в засушливых районах страны в хозяйственных целях. Эти водоемы издавна являлись источниками сельского и заводского водоснабжения, орошения, разведения рыбы и водоплавающей птицы. Начало регулирования местного стока небольшими водохранилищами уходит в глубину тысячелетий /Мильков, 1973; Водохранилища мира, 1979; Glymph, 1973/. История строительства этих водоемов в нашей стране самым тесным образом связана с заселением земель оседлым населением.
Опыт строительства прудов в лесостепной и степной зонах СССР передавался из юго-западных районов в восточные. Так, на территории современной Украины пруды строили еще древние славянские племена, а в литературе ХУІ и ХУП вв# уже были подробно описаны првви-ла их строительства и использования для разведения рыбы /Шерстобоев, I960; Кузнецов, 1961/. Однако до ХУП-ХУШ вв., пока не началось интенсивное заселение южных маловодных районов, строительство прудов происходило ограничено /Царенко, 1965/. Пруды постройки ХУ в, существуют в Винницкой области и в настоящее время и успешно используются для рыбоводства /Ярошенко, Сластихин, 1961/. В Молдавии еще в средние века сооружались пруды разного назначения, широко практиковалось каскадное размещение водоемов /Сластихин, Хмелинский, IS75; Baican,1970/. Здесь в ХУ-ХУП вв. крупные землевладельцы получали от использования прудов большие прибыли. Пруды, насчитывающие 100 лет и более эксплуатации, встречал автор в 1953 г. при обследовании бассейна р. Куболты /северная часть Молдавии/. Некоторые из прудов сохранили следы частного водопользования: пруд был разделен перемычками на части, некогда принадлежавшие отдельным владельцам /Прыткова, I960/.
Ко второй половине ХУІ в. относится начало строительства прудов в Центрально-Черноземных областях /Сухарев, Сухарева, 1957/. Большую роль в развитии прудового хозяйства здесь сыграла экспедиция проф. В.В. Докучаева /1892-1898 гг./, впервые разработавшего систему мероприятий по урегулированию водного хозяйства степей средней полосы /Докучаев, 1951/. Несколько позже, чем в ЦЧО, началось строительство прудов на Северном Кавказе: в первой половине ХУШ в. - в Ростовской области и на водосборе р. Кумы, а во второй половине того же столетия - в степях Азово-Кубанской равнины /Прыткова, 1971 а, 1975 а; Семенцов, 1973 а/. В 1850-1860 гг. на реках Азовского бассейна было уже очень много прудов с мельничными плотинами, используемыми также для переезда через реки. Русло р.Кумы на участке от с. Обильного до с. Величаевского длиною 192 км еще в 1882 г. было перегорожено 82 запрудами высотой от 1.3 до 5.5 м, предназначенными для мельниц /Герсеванов, 1886/.
К первой половине ХУШ в. относится начало регулирования местного стока прудами в Поволжье /Желтиков, 1969; Магакян, 1977/, хотя и в период Золотой орды /Ш в./ на Ахтубе строили водохранилища /Шерстобоев, I960/. В Волгоградской области и сейчас эксплуатируется система прудов, построенных в конце прошлого века /Курченко, 1966/. Пруды Горного Урала издавна играли важную роль в водоснабжении заводов /Вендров, 1979/. Некоторые из них были построены в ХУШ в. Позже всего, видимо, началось строительство прудов в Западной Сибири и Северном Казахстане /условно, ХХв./.
Строительство прудов в прошлом происходило стихийно. При этом был нарушен главный принцип регулирования местного стока: от водораздельных пространств к устью основного водотока /Васильева, 1959; Вендров, 1979/, разработанный В.В. Докучаевым, считавшим строительство прудов одним из главных мероприятий по переустройству природы степей. Пруды в прошлом строились сначала у населенных пунктов, обычно расположенных у основного водотока, а затем на пастбищах, полевых станах, где для строительства водоемов использовались русла небольших притоков основного водотока /Сухарев, Сухарева, 1957; Прыткова, 1971 а/.
Большой опыт строительства малых водохранилищ накоплен за рубежом. Например, в Польше пруды сооружаются с ХІУ в. /Korwin, 1968/. В восточной части Румынии в ХУ в. действовало НО прудов, а к 1900г. их число возросло до 1144 /Baican,l970/. Некоторое представление о развитии прудового хозяйства в северо-восточной части Бразилии дают данные по водосбору р. Сити/Sitia/, площадь которого равна 1790 км2 /bubrevil, Girard.,1973/. Здесь выделяется два периода интенсивного строительства прудов: I934-I94I и 1955-1964 гг. За период с 1920 по 1965 гг. общий объем прудов увеличился в 14 раз. Много фермерских прудов эксплуатируется в США. К 1970 г. их насчитывалось около 1.7 млн. со средним объемом 12.3 тыс. м /bendy,Champion, Wilson, 1973/.
Длительная история строительства малых водохранилищ в нашей стране и за рубежом подтвердила эффективность использования их в народном хозяйстве. 0 хозяйственном значении малых водохранилищ свидетельствует хотя бы тот факт, что историю их создания обычно увязывают с видом использования водоемов. Например, в наиболее ранний период строительства прудов главным их назначением было устройство водяных мельниц и водопой скота /Семенцов, 1973 а; Венд-ров, Дьяконов, 1976; Водохранилища мира, 1979/. С развитием капитализма возникла потребность в промышленном водоснабжении и стали создавать небольшие заводские водохранилища.
Не утратили свое хозяйственное значение эти водоемы и в современный период: на их базе развивается орошаемое земледелие, прудовое рыбоводство, создаются культурные орошаемые пастбища. Используются пруды для отдыха местного населения. Пруды УССР интенсивно и комплексно используются для разведения рыбы и водоплавающей птицы /Драчинский, 196І/. В прудах на природных кормах выращивают по 4-5 ц карпа с I га водного зеркала, а дополнительная подкормка прудов позволяет повысить их рыбопродуктивность до 10-15 ц/га. Ряд хозяйств получают с I га зеркала зарыбленного пруда по 30 кг утиного мяса. Строятся пруды для обводнения пастбищ тонкорунного овцеводства на . юге УССР, а в безводных районах - пруды, питающиеся от оросительной сети и предназначенные для водопоя скота, рыбоводства и выращивания водоплавающей птицы. В ЦЧО пруды, расположенные на усадьбах колхозов, служат источниками водоснабжения животноводческих ферм, орошения, разведения ры рыбы и водоплавающей птицы /Сухарев, Сухарева, 1957/. Пруды, размещаемые на полях, обеспечивают водой тракторные бригады и полевые станы, используются для орошения, водопоя скота в пастбищный период, рыбоводства. Пруды Поволжья интенсивно используются в народном хозяйстве /Петров, Сафиуллин, 196I/. Главное их назначение - водоснабжение /73 % прудов/. Кроме этого пруды используются для строительства водяных мельниц и ГЭС /18 % /, рыбоводства и птицеводства /7 % /, и орошения /2 % /.
Основные этапы и направления исследований осадконакопления в малых водохранилищах
Исследования осадконакопления стали развиваться в связи с запросами практики проектирования малых водохранилищ и производились с целью использования данных по заилению существующих водоемов для оценки стока наносов малых водотоков, эффективности противо-эрозионных мероприятий на водосборах водоемов и разработки методов расчета /прогноза/ показателей заиления проектируемых водоемов.
Первые сведения об интенсивности заиления прудов юга России относятся ко второй половине XIX в. /Палимпсестов, 1868/. Уже тогда считали, что "в прежние времена запруды не так скоро заносились илом, чем теперь", а интенсивность заиления прудов почти не отличалась от современной и составляла не менее 9 см в год. Пруды глубиною 1.5 м, составляющие преимущественное большинство, через 15-20 лет делались "негодными для своего назначения". Б этой работе приведены рекомендации по устройству прудов и мерах их охраны от заиления, даются советы по расчистке прудов от ила и использовании его в качестве удобрения.
В июле I9II г. из спущенного пруда Орловской области были отобраны пробы ила с целью выяснения его удобрительной ценности /Кос-сович, Ї9І2/. Пробы не показали каких-либо резких отличий ила от местных почв.
В 1927 г. студентами Воронежского сельскохозяйственного института под руководством А.Д. Дубаха /1928/ выполнены массовые обследования прудов отдельных районов Воронежской области. Установлены основные причины заиления /распашка склонов до уреза, замачивание конопли, засорение навозом/ и зарастания /небольшая глубина / водоемов, их назначение /водопой и переезд/, состояние плотин. Показана положительная роль прудов, уменьшающих весенние разливы рек, увлажняющих воздух летом, повышающих уровень грунтовых вод. Организованные А.Д. Дубахом в 1926 г. наблюдения над уровнем пруда позволили наметить путь оценки фильтрации из водоема методом суточного водного баланса, а также притока воды по наполнению пруда.
К концу 1920-х годов относится начало инструментальных измерений объема отложений в малых водохранилищах, в истории которых можно выделить три периода, характеризующихся разной степенью изученности гидрологического режима водоемов и их заиления, различным количеством изученных водоемов, методами сбора информации, целями и задачами исследований. В исследованиях осадконакопления четко выделяются два направления: инженерно-гидрологическое и географо-ги-дрологическое. Первое заключается в детальном изучении водоема и недостаточном - водосбора, второе - в совместном изучении водоема и водосбора, как это следует из общей схемы осадкообразования.
Первый, предвоенный период, характеризуется началом массовых маршрутных исследований осадконакопления в малых водохранилищах. В конце 1920-х и начале 1930-х годов определен объем отложений в водохранилищах Поволжья /Поляков, 1935/ и Донбасса /Васильев, 1933/ с целью оценки интенсивности заиления водоемов. Этими работами заложены основы инженерно-гидрологического направления в исследованиях осадконакопления. В 1937-1939 гг. с целью оценки стока наносов малых водотоков изучено заиление 50 небольших водохранилищ УССР /Мялковский, Дрозд, 1947/ и 10 обсохших прудов Ставрополья /Михалченков, 1949/. При исследовании водоемов УССР большое внимание уделялось изучению прилегающей к водоему части водосбора, оказывающей, по мнению авторов, решающее влияние на заиление водоемов. Работами на прудах УССР и Ставрополья положено начало географо-гидрологическому направлению в исследованиях осадконакопления.
Второй период /1946-1960 гг./ характеризуется широким развитием региональных исследований осадконакопления в связи с массовым строительством прудов в лесостепной и степной зонах и началом изучения водного и седиментационного балансов водоемов. Первые послевоенные исследования осадконакопления были выполнены на 23 малых водохранилищах УССР /Чекурда, 1948/ с целью оценки стока наносов малых водотоков и интенсивности заиления водоемов. Географо-гидро-логическое направление в этот период получило развитие в исследованиях Института озероведения АН СССР: в 1954 г. изучено заиление 34 прудов междуречья Хопер-Медведица /Яковлева, 1958, I960; Сорокин, I960/, а в 1956-1959 гг. - 44 прудов ЦЧО /Сорокин, Яковлева, 1961; Яковлева, 1965/. В этих исследованиях большое внимание уделялось изучению эрозионных условий на водосборах прудов /Фролов, 1961, 1963/. Результаты исследований использовались для получения количественных характеристик смыва почвы и проверки существующих формул расчета плотности отложений. Помимо маршрутного изучения заиления прудов, Институтом озероведения АН СССР выполнены исследования сначала водного, а затем седиментационного балансов малых водохранилищ Волгоградской /Малинина, I960/ и Курской /Сорокин, 1961, 1963; Лопатин, 1961, 1963/ областей.
Соотношения между морфометрическими характеристиками водоемов и водосборов
При построении расчетных зависимостей для определения показателей осадконакопления в малых водохранилищах /табл. 7/ используются такие соотношения между морфометрическими характеристиками водоемов и водосборов, как удельный водосбор /отношение площади водосбора к площади зеркала/, слой аккумуляции /отношение объема водоема к площади водосбора/. Водообмен водоемов обычно характеризуют временем водообмена /отношением объема водоема к годовому стоку водотока/, чаще называемым коэффициентом емкости водоема. Все три показателя представляют количественное выражение связи водоема с водосбором, проявляющейся через все виды баланса водоема. Физический смысл удельного водосбора и возможность использования его для проектирования прудов показаны в работах Г,П. Калинина /1951/ и автора /Прыткова, 1975 а, 1979/. Иногда этой характеристикой пользуются для оценки водообмена водоема /Викулина, 1979/. Удельный водосбор характеризует область питания водоема водой и наносами, приходящуюся на единицу площади зеркала /Страхов и др., 1954; Россолимо, 1964/. Очевидно, чем больше значение удельного водосбора, тем больше в данных природных условиях водоем получает воды и наносов и тем сильнее связь между водоемом и водосбором. Удельный водосбор изученных малых водохранилищ СССР, как правило, превышает 100 /Прыткова, 1979/ и значительно больше его значения для естественных водоемов /Лисицын, 1974/. Среднее значение удельного водосбора для 94 изученных прудов лесостепной зоны с о объемом менее 500 тыс.м равно 155, а для 239 прудов степной зоны - 366. В каждой зоне его наименьшее значение относится к прудам Русской равнины, составляя в лесостепи 156, а в степи 314. По ориентировочным данным, удельный водосбор изученных прудов лесостепной зоны Западной Сибири равен 164, а водоемов степной зоны того же региона - 482. Число водоемов, для которых получены средние значения удельного водосбора, показано в табл. 15. Из приведенных данных следует, что средние значения удельного водосбора отражают водообеспеченность территории и увеличиваются с уменьшением увлажненности территории. На это свойство удельного водосбора указывал СВ. Григорьев /1958/. Удельный водосбор как характеристика водообмена водоемов, очевидно, может использоваться только в пределах одного природного района с относительно однородными гидрологическими условиями: увеличение удельного водосбора прудов при переходе из лесостепной зоны в степную не означает увеличение водообмена степных прудов, так как при этом уменьшается сток водотоков. Пруды, как правило, задерживают только часть годового стока водотока.
Поэтому слой аккумуляции по величине меньше слоя годового стока, но в связи со слабой изученностью последнего дает пред- «" ставление о его порядке. Среднее значение слоя аккумуляции в прудах лесостепной зоны объемом менее 500 тыс.м равно 12.I мм: в лесостепи Русской равнины - 12.7 мм, а в лесостепи Западной Сибири - 9.0 мм. В изученных 239 прудах степной зоны аккумулируется 5.1 мм годового стока водотоков: на территории Русской равнины и Предкавказья - 6.2 мм, а на территории Западной Сибири и Северного Казахстана - 3.2 мм. В 59 изученных прудах горных районов Урала, Предкавказья и Крыма задерживается 12.4 мм годового стока, причем на Урале больше /14,8 мм/, чем в Предкавказье /7.9 мм/. Из приведенных данных видно, что пространственное изменение слоя аккумуляции совпадает с изменением годового стока рек и годовой суммы осадков /п. 1.2/ .и, очевидно, отражает изменение слабо изученного стока малых водотоков. Наибольшие значения слоя аккумуляции приходятся на лесостепную зону, а в пределах каждой зоны - на территорию Русской равнины. Для вычисления времени водообмена прудов необходимы, как правило, отсутствующие фактические данные о годовом стоке малых водотоков, определяемом обычно по картам изолиний стока рек с введением поправок на неполное дренирование водотоками подземного стока /Воскресенский, 1956, 1962/. Вычисленный таким образом годовой сток малых водотоков одного и того же природного района фактически отражает изменение площади водосбора, с учетом которой назначаются поправки к карте стока, и тесно коррелирует с ней /Прыткова, 1979/. По этой же причине отмечается тесная связь между слоем аккумуляции и временем водообмена водоемов природного района, как уже отмечалось в упомянутой работе автора. Для примера, на рис. 21 показана связь между указанными характеристиками для водоемов лесостепной зоны Русской равнины. На графике выделяются три линии связи: верхняя - для прудов Богульмино-Белебеев-ской возвышенности, средняя - для прудов Курской области и нижняя - для прудов MGCP и УССР. Смещение линий связи на рис. 21 -это результат разной водообеспеченности территории указанных районов. В пределах же одного природного района, когда сток рек изменяется незначительно, связь между слоем аккумуляции и временем водообмена достаточно тесная /рис. 21/. Это позволяет заменить вторую характеристику первой, для определения которой не требуется оценка стока воды малых водотоков косвенным методом. Со слоем аккумуляции и временем водообмена тесно коррелирует удельный водосбор прудов одного и того же природного района /Прыткова, 1979/. Поэтому все три характеристики могут быть использованы для оценки водообмена прудов. При этом предпочтение следует отдать удельному водосбору и слою аккумуляции, для определения которых не требуются отсутствующие сведения о стоке малых водотоков. Из изложенного следует, что слой аккумуляции характеризует не только водообеспеченность территории, но и водообмен водоемов природного района.
Среднее значение удельного водосбора прудов каскада уменьшается, а слоя аккумуляции увеличивается по длине каскада /рис, 22/, что свидетельствует об увеличении размера прудов в указанном направлении . Поскольку увеличение объема, площади зеркала прудов в каскаде происходит быстрее, чем площади водосбора, то можно предположить об усилении грунтового питания прудов по длине каскада за счет увеличения глубины вреза водотока и участия фильтрационных вод из вышерасположенных прудов в наполнении данного. В заключение отметим, что каскады прудов Предкавказья полнее регулируют местный сток, чем верховые пруды того же района. Так, средний слой аккумуляции в изученных верховых прудах Азово-Кубан-ской равнины равен 5.1 мм, а в прудах Ставропольского плато -3 4 мм /Прыткова, 1979/. Каскады прудов Западного и Восточного Предкавказья соответственно аккумулируют 8-II и 3-8 мм стока.
Методика изучения источников седиментационного материала прудов
Приток наносов из вышерасположенного пруда каскада определялся путем измерения расхода воды на сбросных отверстиях плотин /п. 3.4.1/ и отбора проб воды на мутность из приплотинной части прудов. Пробы отбирались через 5-Ю дней непосредственно на водосбросе или из поверхностного слоя воды на постоянной вертикали в приплотинной части водоема. Объем пробы составлял 0.5 л. Проба сначала фильтровалась через бумажный фильтр с синей лентой, а затем фильтрат пропускался через мембранный фильтр № 4. В связи с незначительным изменением мутности сбрасываемой воды в течение месяца сток наносов за месяц вычислялся как произведение средней из всех измерений мутности на объем сброшенной за тот же месяц воды.
Склоновый смыв с прилегающего водосбора наблюдался на стоковых площадках, расположенных на правом берегу пруда № 6 /рис. 9/. Поскольку наблюдениями практически невозможно охватить все разнообразие прилегающих к прудам склонов и тем более в течение всего периода эксплуатации прудов, то оценка склонового смыва производилась, как будет показано ниже, методом седиментационного баланса /Прыткова, 1979, 198I а/. Эпизодически во время ливней измерялась мутность воды в ручьях, стекающих с прилегающих к прудам склонов, и производился замер рытвин на береговых склонах прудов.
Продукты эолового переноса, выпадающие на зеркало прудов, определялись по отложениям в испарителе, установленном на пруду № 5 каскада, и по содержанию взвесей во льду прудов. За весь период эксплуатации прудов они приняты по исследованиям Гидрохимического института /Башмакова, Ткачева, Крупеня, Матвеев, 1973/.
Отступание берега прудов регистрировалось по изменению расстояния между береговым уступом и репером, установленном на берегу, на створах, а также по изменению ширины пруда на створе при некотором постоянном положении уровня. Производилась также нивелировка береговых склонов на каждом створе с отбором проб грунта берегов из поверхностного горизонта. Для оценки изменения ширины пруда за период его эксплуатации сопоставлялись поперечные профили пруда в приплотинной части и в нижнем бьефе. Продукты размыва берегов и ложа за период эксплуатации прудов определены путем реконструкции первоначального профиля берегового склона по его современному профилю /Виноградова, 1973 а; Прыткова, 1979/. Для этого в дополнении к нивелировке береговых склонов выполнялось детальное /через 1-2.5 м по ширине/ зондирование мощности отложений в береговой полосе водоемов.
Размыв верхового откоса плотины прудов установлен визуально и нивелировкой его, а количественно за период эксплуатации водо-доема оценен по разности слоя отложений на приплотинном и смежном створах. В тех прудах, где имеет место интенсивный размыв плотины, нарушается связь между мощностью отложений и глубиной вертикали /Прыткова, 1979, 1981 а/.
Для оценки продуктов жизнедеятельности животных и растительны организмов выполнялся небольшой объем гидробиологических работ: изучалась на всех прудах биомасса тростников, необходимая также для оценки транспирации, на отдельных прудах изучались фито-и зоопланктон, зообентос. Поскольку условия жизни гидробион-тов изменялись в течение периода эксплуатации прудов, а тростник в довоенные и первые послевоенных годы выкашивался местным населением в хозяйственных целях, то оценка органического вещества внутриводоемного происхождения за указанный период выполнена методом седиментационного баланса.
Выполнялись исследования солевого баланса прудов /Позднякова, 198I/ для выявления возможности хемогенной седиментации, продукты которой за весь период эксплуатации прудов также определены методом седиментационного баланса.
Содержание метода седиментационного баланса, использованного для оценки продуктов склонового смыва и внутренней жизни водоема за период его эксплуатации, изложено в работах автора /Прыткова, 1979, 1981 а/ и заключается в следующем. Показателем образования органического вещества в водоеме и наличия хемогенной седиментации является большое по сравнению с почвами водосбора и грунтом берегов значение потерь при прокаливании /ппп/ и при обработке fW донных отложений прудов по всей их толще.
Обозначим через дЯ0 ту часть массы донных отложений, которая сформировалась за счет склонового смыва / R. / и продуктов внутренней жизни водоема /ftpf w кем/ Тогда, зная содержание органического вещества в донных отложениях и почвах водосбора, можно определить его количество, образовавшееся в водоеме, по уравнению где р , р р- - соответственно потери при прокаливании /% / в продуктах внутренней жизни водоема, донных отложениях и склоновом смыве /почве/.
