Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и методические аспекты географо-гидрологической оценки водных ресурсов
1.1. Концепция географо-гидрологической оценки водных ресурсов 16
1.2. Общий алгоритм географо-гидрологической оценки водных ресурсов 20
1.3. Виды водных ресурсов 28
1.4. Система характеристик и показателей для географо-гидрологической оценки водных ресурсов. 33
1.5. Краткий обзор методов оценки водных ресурсов 38
1.6. Опыт региональных водно-ресурсных оценок 51
1.7. Характеристика исходной информации 55
1.8. Основные выводы и генерализация задач исследования 69
Глава 2. Общегеографическая характеристика субъекта Российской Федерации (Воронежская область)
2.1. Природные условия 70
2.1.1. Общие черты природы 70
2.1.2. Специфические черты природы, определяющие своеобразие формирования водных ресурсов административного субъекта
2.1.3. Особенности гидрографии 86
2.2. Экономика Воронежской области 109
2.2.1. Экономико-географическое положение 109
2.2.2. Природные ресурсы и их роль в экономике субъекта 111
Глава 3. Природно-климатические факторы гидрологической динамики
3.1. Климатические факторы 117
3.1.1. Солнечная радиация 117
3.1.2. Температура воздуха 119
3.1.3. Атмосферная циркуляция и увлажнение 126
3.2. Факторы подстилающей поверхности 128
Глава 4. Антропогенные факторы гидрологической динамики 139
4.1. Русловые преобразования и их воздействия на сток 140
4. 2. Преобразования поверхности речного водосбора и их роль в процессе стокообразования
4.3. Водопотребление и его последствия 146
Глава 5. Выявление динамики гидрографической сети и водных ресурсов
5.1. Изменения гидрографической сети 159
5.2. Изменения склонового стока 161
5.3. Динамика ресурсов почвенных вод 163
5.4. Динамика ресурсов подземных вод 168
5.5. Изменения в сезонном годовом стоке 169
5.6. Динамика годового речного стока 183
5.7. Трансформации в количестве и объеме водоемов 194
5.8. Изменения в структуре элементов гидрологического цикла 200
5.9. Изменения в качестве природных вод 216
5.10. Экстремальные гидрологические ситуации 225
Глава 6. Базовые сведения о водных ресурсах и оценка геоэкологического состояния
6.1. Осадки как потенциальный водный ресурс 235
6.2. Поверхностный склоновый сток 246
6.3. Почвенные воды 249
6.4. Подземные воды 252
6.5. Ресурсы водоемов 256
6.6. Местные и суммарные водные ресурсы 257
6.7. Водные ресурсы Воронежской области 268
6.8. Экологическая оценка состояния водных ресурсов .270
Глава 7. Оценка водных ресурсов в будущем и научные основы предотвращения и ослабления негативных последствий их изменений
7.1. Прогнозные сценарии изменчивости водных ресурсов 274
7.2. Научные основы и рекомендации предотвращения и ослабления 286
негативных последствий изменений водных ресурсов
Заключение 289
Список использованной литературы 294
Приложение 338
- Общий алгоритм географо-гидрологической оценки водных ресурсов
- Система характеристик и показателей для географо-гидрологической оценки водных ресурсов.
- Специфические черты природы, определяющие своеобразие формирования водных ресурсов административного субъекта
- Преобразования поверхности речного водосбора и их роль в процессе стокообразования
Введение к работе
Актуальность темы. Водные ресурсы являются одним из самых востребованных и жизненно необходимых видов природных ресурсов. Естественные природные процессы и человеческая деятельность на водосборах водных объектов активизируют изменения в гидросфере, а следовательно, в количестве и качестве водных ресурсов. В связи с перестройкой глобальной климатической системы отмечается повсеместное региональное изменение водных ресурсов, повлекшее за собой увеличение водных ресурсов России за 1985-2005 гг. по отношению к периоду 1936-1984 гг. на 5,1 %. Но по отдельным административным территориям, в том числе по Воронежской области, наблюдается сокращение водных ресурсов за этот период. Величина снижения местных водных ресурсов, по оценке В.И. Бабкина (2008), составляет 23,8 %.
В современных экономических условиях России наиболее высокая нагрузка на водные ресурсы местного формирования, характеризуемая коэффициентом использования водных ресурсов, отмечается в Южном (27,8 %) и Центральном (9,6 %) федеральных округах (Водные ресурсы..., 2008), что актуализирует исследования по оценке водных ресурсов в субъектах данных округов.
Водные ресурсы исследуются, в основном, с двух позиций: как годовой речной сток, являющийся главной мерой водных ресурсов, и как запасы воды на какой-либо территории или в речном бассейне. Рассмотрение годового стока как элемента географической среды, формирующегося под влиянием комплекса природных факторов, как элемента гидрологического цикла, находящегося под воздействием человеческого фактора, представлено в целом ряде монографий и статей (Алексеевский и др., 2007; Бабкин, Вуглинский, 1982; Балков, 1970; Бочков, 1954; Булавко, 1971; Водные ресурсы и водный баланс, 1967; Воскресенский, 1948; 1962; Глубоков, 1978; Жук, Евстигнеев, 1976; Идзон, Пименова, 1975; Клиге и др., 1993; Комлев, 2002; Коронкевич, 1973, 1990; Молчанов, 1960; Рахманов, 1984; Федоров, 1977; Фролова, 1984; Шикломанов, 1979 и др.).
Наиболее полное представление о генетической природе стока дает географо-гидрологическое направление исследования (Субботин и др., 1976; Львович, 1986; Глубоков, 1978; Кузин, Бабкин, 1979; Антипов, Корытный,1981; Назаров, 1981; Котляков, Коронкевич, Черногаева, 1995; Соколов, Бабкин, 1995; Географо-гидрологические исследования, 1992; Географические направления в гидрологии, 1995 и др.), позволяющее выявить роль природных и антропогенных факторов формирования стока.
В ряде монографий и научных изданий водные ресурсы страны рассматриваются с точки зрения использования, современного и будущего гидроэкологического состояния в территориально-административном или бассейновом аспекте (Антропогенные изменения..., 2003; Бабкин и др., 1976; Корытный, 2001; Львович, 1974; Корытный, 2001; Никаноров, 2005;
Современные глобальные изменения..., 2006 и др.). Количественная оценка водных ресурсов страны в целом и ее отдельных регионов бывшего СССР выполнены в Государственном гидрологическом институте в 1967 и 1987 гг. Современные сведения о стоке по бассейнам наиболее крупных рек, водных ресурсах административных субъектов, федеральных округов России приведены в фундаментальном издании ГГИ «Водные ресурсы России и их использование» (2008) под редакцией И.А. Шикломанова.
Анализ публикаций по оценке водных ресурсов показал, что при крупных территориальных обобщениях оценка водных ресурсов отдельных субъектов РФ в высокой степени генерализована, выполнена с опорой на главные водные объекты и не дает полного представления об изменчивости количественных и качественных показателей водных ресурсов. В практических оценках водных ресурсов административных территорий обычно не учитываются или недостаточно учитываются специфические условия формирования вод, не выделяются приоритетные и второстепенные факторы. Примеры комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов субъектов РФ, включающей все виды водных ресурсов, характерной для конкретного субъекта, практически отсутствуют.
Предлагаемая автором теоретическая концепция комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов, разработанная для конкретного субъекта Российской Федерации, направлена на устранение данных пробелов. Географо-гидрологическая оценка водных ресурсов является мерой отображения взаимосвязанных, взаимозависимых, взаимообусловленных физико-географических процессов и явлений, формирующих речной сток и водные ресурсы на фоне хозяйственной деятельности в пределах речного водосбора и административного субъекта, в данном случае Дона и Воронежской области. Включение в методику оценки сведений о водности рек на современном этапе (1991-2009 гг.) повышают актуальность исследований.
Региональное изучение как годового, так и сезонного стока позволило дифференцировать структуру, пространственно-временную динамику водных ресурсов, оттенить их социально-экономическую значимость и роль в хозяйственном потенциале субъекта. Прежние расчеты водных ресурсов Воронежской области (Воскресенский, 1948, 1951; Дмитриева, 1989; Жердев, Дегтярев, 1999; Карты стока..., 1975; Расчеты стока..., 1979; Картирование..., 1987; Курдов, 1995 и др.) не отображают современных тенденций в климате и хозяйственном использовании запасов воды, экологическое состояние водных объектов и требуют уточнения. В данной работе количественная оценка водных ресурсов субъекта РФ выполняется с учетом специфической роли каждого природного фактора формирования водных ресурсов рассматриваемой территории, а в совокупности с детализацией воздействия антропогенного фактора дает объективную картину современного состояния водных ресурсов.
Успешная реализация ряда государственных программ по социально-экономическому подъему жизненного уровня населения России и ее административных субъектов (Концепция долгосрочного развития..., 2008; Концепция совершенствования региональной политики..., 2008; Основные
направления..., 2008; Водная стратегия..., 2009; О стратегии... Воронежской области..., 2010; Федеральная целевая программа «Чистая вода» (2008) и др.) возможна, в том числе, благодаря достоверной оценке гидроэкологического состояния водных ресурсов России и ее субъектов.
Базовый субъект исследования - Воронежская область. Она характеризуется низкой природной водообеспеченностью, напряженным водохозяйственным балансом, но при этом играет заметную роль не только в экономике ЦФО, но и России. Коэффициент использования водных ресурсов Дона - один из самых высоких в стране. Область является одним из 15 субъектов, размещающихся в Донском бассейне, претендующих на донскую воду и привносящих изменения в гидроэкологическое состояние главной водной артерии.
Оценка водных ресурсов конкретного субъекта РФ, сопряженного в своих социально-экономических интересах с другими административными субъектами, располагающимися в едином пространстве речного бассейна, имеет особую научную и практическую актуальность.
Цель исследования: комплексная географо-гидрологическая оценка водных ресурсов субъекта Российской Федерации в условиях меняющихся климата и хозяйственной деятельности на примере Воронежской области.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Разработать концепцию комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов субъекта РФ на основе сочетания административного и бассейнового подходов.
2. Рассмотреть природные и антропогенные факторы формирования водных ресурсов.
3. Исследовать пространственно-временную изменчивость элементов
гидрологического цикла для оценки водных ресурсов.
-
Оценить состояние водных ресурсов для рассматриваемой территории на основе административно-бассейнового подхода с учетом климатических изменений и антропогенного воздействия и провести комплексную оценку водных ресурсов.
-
Рассмотреть направленность изменений в водных ресурсах в условиях возможного глобального потепления.
6. Разработать рекомендации по предотвращению и ослаблению
негативных последствий существующих и возможных изменений водных
ресурсов.
Объект исследования: водные ресурсы административного субъекта РФ.
Предмет исследования: пространственно-временная изменчивость природных и антропогенных процессов, определяющих геоэкологическое состояние водных ресурсов.
Исходные данные. Фондовые материалы по климату (атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра), речному стоку (расход воды, слой, модуль, объем стока), подземным водам (уровень подземных вод, ресурсы подземного стока), объемам водопотребления
и водоотведения, сведения о загрязнении вод и экстремальных гидрологических ситуациях заимствованы из Справочников по климату, Водного кадастра, Ресурсов поверхностных вод, публикаций РосНИИВХа, архивных источников, в первую очередь Воронежского Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Отделов водных ресурсов Донского бассейнового водного управления, ФГУГП «Воронежгеология», Докладов Росприроднадзора и Управления по экологии и природопользованию по Воронежской и смежным областям и достаточно надежны. Сведения об осадках приведены автором к показаниям осадкомера В.Д. Третьякова и откорректированы поправкой на смачивание по известным методикам (Швер, 1976; Методические рекомендации..., 1985). Все ряды наблюдений по данным признакам представляют собой однородные совокупности. В гидрометеорологических рядах восстановлены пропуски в наблюдениях с использованием современных нормативов и методических разработок (Свод правил..., 2004; Методические рекомендации..., 2009), выполнена статистическая оценка средних и наибольших значений. Банк исходной гидрологической информации включает сведения разной продолжительности лет о месячных, годовых, наибольших и наименьших расходах воды по 25 гидрологическим пунктам в бассейне Верхнего и Среднего Дона на территории Воронежской и смежных областей за период с 1895 по 2009 гг. Банк исходной метеорологической информации сформирован по наблюдениям 19 метеорологических станций Воронежской и смежных областей и включает сведения разной длительности лет о месячных и годовых значениях температуры и влажности воздуха, атмосферных осадков, скорости ветра за период с 1899 по 2009 г. Водохозяйственная статистика обобщена за 1975-2009 гг. Гидрографические характеристики водных объектов получены автором по топографическим картам Воронежской и смежных областей масштаба 1: 200 000. Они дополнены личными материалами экспедиционных обследований водных объектов региона. На все материалы, заимствованные из иных источников, имеются ссылки в работе.
Методы исследований. Автором использованы методы: гидрологической аналогии, географической интерполяции, водного баланса, статистические, картографического моделирования. Восстановление пропусков наблюдений в гидрометеорологических рядах, расчеты параметров, картографическое моделирование пространственного распределения гидрометеорологических характеристик, графические построения выполнены с применением стандартных программ Statistica, AutoCAD 2006, HydroStatCalc-2009, современных ГИС-технологий (Mapinfo-9.0) и др. для ПК.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Разработана концепция комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов в условиях несовпадения территориальных границ административного субъекта РФ и речного бассейна и показана универсальность ее применимости для других административных территорий.
Выявлены закономерности влияния природных и хозяйственных условий на формирование водных ресурсов в современный период.
Впервые составлен Каталог водотоков Воронежской области, позволяющий определить современную трансформацию русловой сети в Воронежской области и на смежных территориях.
Доказано, что современные изменения водных ресурсов в многолетней и внутригодовой динамике, происходящие под влиянием климатических антропогенных условий, существенно меняют представление о водообеспеченности субъекта РФ.
Выявлена динамика водопотребления и водоотведения в основных отраслях водохозяйственного комплекса субъекта и оценена водохозяйственная нагрузка на поверхностные воды.
Впервые для Воронежской области составлена карта испарения.
На основании разработанной концепции проведена комплексная географо-гидрологическая оценка водных ресурсов субъекта РФ в условиях меняющихся климата и хозяйственной деятельности.
Практическая значимость работы. Концепция и алгоритм комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов являются новыми. Они являются теоретической основой для оценки водных ресурсов в условиях несовпадения границ субъекта и речного бассейна, что характерно для большинства субъектов РФ. В этом заключается универсальность научного и практического применения работы.
Новые результаты количественных характеристик суммарных, местных, транзитных и трансграничных ресурсов речного стока, ресурсов атмосферных осадков, почвенных и подземных вод, склонового стока и водоемов дают представление о современном водном фонде и могут закладываться в схемы перспективного водопользования на территории субъекта и смежных областей.
Каталог водотоков используется в практической деятельности ряда организаций Воронежской и смежных областей и может быть полезен в работе научных и учебных заведений.
Внедрение. Результаты исследований вошли в грант «Университеты России», 1998; областную целевую программу «Экология и природные ресурсы Воронежской области на 2006-2010 гг.»; работу проектных организаций ООО «ЦентрДорсервис», ООО «Магистраль», ООО «Инжсервис» (акты о внедрении), Отделов водных ресурсов Донского бассейнового водного управления, Управления Росприроднадзора и Управлений по экологии и природопользованию Воронежской и Липецкой областей (акты о внедрении), научную тематику факультета географии, геоэкологии и туризма Воронежского госуниверситета «Исследование закономерностей ответных реакций региональных геосистем Воронежской области на глобальные изменения климата в XXI веке» (номер госрегистрации 01201155226), курсы лекций по кафедре природопользования в Воронежском государственном университете.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Концепция комплексной географо-гидрологической оценки водных ресурсов субъекта Российской Федерации в условиях меняющихся климата и хозяйственной деятельности.
2. Уточненная схема оценки водных ресурсов в зависимости от
специфики природных и социально-экономических условий субъекта РФ.
3. Результаты изучения трансформации русловой сети и изменчивости
элементов гидрологического цикла на территории субъекта.
4. Результаты анализа воздействия водохозяйственной нагрузки на
состояние водных ресурсов.
-
Комплексная оценка водных ресурсов Воронежской области с учетом современной динамики климатических и хозяйственных условий. Прогнозная оценка водных ресурсов и ожидаемые последствия.
-
Рекомендации по устранению существующих и возможных негативных последствий изменения водных ресурсов.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач, разработке концепции и алгоритма исследования, сборе, обработке, анализе исходной информации, проведении полевых обследований водных объектов, систематизации материалов, расчетах и теоретической интерпретации полученных результатов пространственно-временной динамики водных ресурсов и элементов гидрологического цикла.
Апробация исследований. Съезды: VI Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004); XII, XIV съезды Русского географического общества (Кронштадт, 2005; Санкт-Петербург, 2010). Международные симпозиумы: 3rd Simposium «Quality and Management of Water resources» (St. Petersburg, Russia, 2005); XI Международный научно-практический симпозиум и выставка «Чистая вода России» (Екатеринбург, 2011). Семинар гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (Москва, 2011). Международные и республиканские конференции: «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов (Пермь, 2011); «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» (Воронеж,2011); «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов, 2010); «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж, 2009); «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья Российской Федерации» (Липецк, 2009); «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008); «Актуальные проблемы геоэкологии» (Тверь, 2002); «География и регион» (Пермь, 2002). Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003). Всероссийские конференции: «Демографическая ситуация центральных районов России и реализация концепции демографической политики Российской Федерации» (Воронеж, 2008); «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 2005); «Современные глобальные и региональные изменения геосистем» (Казань, 2004); научная сессия «Географические и экологические аспекты гидрологии» (Санкт-Петербург, 2008); бассейновый совет Донского бассейнового округа (Липецк, 2011); региональные и областные конференции: «Жара 2010 года в Центральном Черноземье: последствия, причины, прогнозы» (г. Воронеж, 2011); «Использование и охрана водных ресурсов Центрально-Черноземного региона
России» (Воронеж, 2009); «Экология бассейна Дона» (Воронеж, 2005); «Проблемы интеграции экологической и социальной политики» (Мичуринск, 1997); «Комплексное изучение, использование и охрана Воронежского водохранилища» (Воронеж, 1996); «Проблемы интеграции экологической и хозяйственной политики в Черноземном центре России» (Мичуринск, 1995); «Вопросы региональной экологии» (Тамбов, 1995); «Воронежское краеведение: опыт и перспективы развития» (Воронеж, 1994); «Воронежское краеведение: опыт и перспективы развития» (Воронеж, 1991); «Экологические основы природопользования в бассейне Дона» (Воронеж, 1991) и др.
Публикации. Публикации, отражающие основные положения диссертации, изложены в 122 работах (монографии, статьи, материалы и тезисы научных докладов, учебные пособия). Результаты исследований изданы в 102 научных публикациях, в том числе 3 на иностранном языке, 20 учебных пособиях, в том числе. 1 с грифом УМО. Они опубликованы в 1 личной, 2 в соавторстве и 5 коллективных монографиях, научных изданиях и энциклопедии. Объем научных изданий - 72,5 печатных листа, учебно-методических - 44,5 печатного листа. Общий объем публикаций - 117 печатных листов. Авторская доля участия в коллективных публикациях - 90 %. В изданиях, рекомендованных ВАКом РФ, опубликовано 19 статей.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы из 492 наименований, приложения. Работа содержит 380 страниц текста, включая 108 рисунков и 48 таблиц.
Общий алгоритм географо-гидрологической оценки водных ресурсов
Алгоритм географо-гидрологической оценки водных ресурсов (рис. 1.1) структурирован по этапам от постановки проблемы и обоснования актуальности до практического решения и выработки научных рекомендаций использования водных ресурсов и водных объектов для конкретного административного субъекта РФ. Отдельные этапы в логической последовательности раскрывают концепцию исследования, набор показателей, комплексно представляющих генезис, режим и использование водных ресурсов на территории и являющихся основой оценки водных ресурсов и составления прогностических изменений водных ресурсов, планирования эффективного водопользования и природопользования в регионе. Количество этапов зависит от масштабности исследования, объема и качества исходной информации. Первый этап реализации алгоритма (см. рис. 1.1) содержит постановочную часть исследования: обоснование актуальности проблемы, разработку концепции, обобщение и анализ предшествующих оценок водных ресурсов и генерализацию задач, общегеографическую характеристику природы и экономики субъекта в административно-бассейновом пространстве. Второй этап реализации алгоритма (см. рис. 1.1) представляет базисно-информационную основу оценки водных ресурсов. В базе данных сведения компонуются в физико-географический, антропогенный, гидрологический и водохозяйственный блоки. Физико-географический и антропогенный блоки являют собой суть природных и антропогенных факторов генезиса стока, характерных для территории субъекта Федерации. Набор входящих в физико-географический блок операционных единиц отображает специфику природной составляющей речного стока конкретного субъекта. Например, для Новгородской области важен учет влияния леса на речной сток, для Пермского края -воздействие карста на речной сток, для Воронежской области - орографическая неоднородность земной поверхности и ее проявление в формировании климатических факторов речного стока, которые анализируются наряду с другими.
Элементы физико-географического и антропогенного блоков алгоритма рассматриваются с позиций формирования речного стока и водных ресурсов под влиянием природных и антропогенных факторов. Они имеют исключительную значимость для оценки водных ресурсов, поэтому их содержание и смысл, наряду с гидрологическим и водохозяйственным блоками, детализируются более глубоко. Физико-географический блок (рис. 1.2) содержит информацию о климате и подстилающей поверхности исследуемого территориального субъекта, создающих основные черты и особенности водного режима рек, стока и водных ресурсов. Климат, морфометрия бассейна, геолого-гидрогеологическое строение, рельеф, почвы, растительность, озерность и заболоченность - компоненты природной среды, в совокупности, прямо или опосредованно, влияющие на образование речного и иных видов стока и водных ресурсов. Физико-географический блок алгоритма Физико-географические условия рассматриваются с общегеографических позиций, характерных для крупного физико-географического района, речного бассейна, и в региональном аспекте, с отображением важнейших и специфических особенностей исследуемого субъекта (главы 2, 3.5). Роль природных факторов различна: одни из них играют главную роль (климатические), другие опосредованную (факторы подстилающей поверхности), но вместе они определяют основные черты гидрологического режима водных объектов. Следуя за изменением географической широты, они формируют природные водные объекты, водоносность рек и запасы воды в водоемах, речной сток и в конечном проявлении определяют водные ресурсы региона. Антропогенный блок (рис. 1.3) содержит фактические материалы, отображающие трансформацию естественных ландшафтов речных водосборов и водных объектов, изменения состояния водных ресурсов вследствие вмешательства человека в природные процессы. Указывается степень преобразованности водосборов и водных объектов, приводятся сведения о размерах, количестве, местонахождении искусственных водоемов, необходимые для последующего анализа их влияния на склоновый, почвенный, подземный, речной сток (главы 4, 5). Физико-географический и антропогенный блок алгоритма раскрывают генезис водных ресурсов под влиянием природных и антропогенных факторов. Количественные показатели речного стока и водных ресурсов формируют гидрологический блок (рис. 1.4), который включает сетевые данные о речном стоке (в частности, о суточных, среднемесячных, годовых расходах воды), необходимые для анализа гидрографа расходов и фаз водного режима, выявления многолетней и внутригодовои динамики речного стока, определения тенденций в стоке, географических закономерностей пространственного распределения речного стока, оценки водных ресурсов (главы 5, 6, 7). В базу данных гидрологического блока входят сведения о максимальных и минимальных расходах воды, используемые для выявления экстремальных гидрологических ситуаций на территории субъекта, запасах воды в водоемах. Базовая информация гидрологического блока содержит набор операционных показателей по стоку в объеме, необходимом для решения поставленной цели и задач исследования водных ресурсов субъекта
Особое внимание уделяется выбору источников первичной информации (кадастровые, архивные, полевые, картографические, интернет-ресурсы и другие ресурсные носители), операционных единиц и показателей формализации рядов исходных данных; формированию составляющих водных ресурсов (речного стока, поверхностного склонового стока, почвенных вод, подземных вод, атмосферных осадков, запасов водоемов и запасов снега в овражно-балочной сети, ресурсов водоемов); ранжированию составляющих водных ресурсов по приоритетности вклада и значимости. Сложнейшая задача анализа первичных данных по речному стоку выполняется на различных этапах реализации алгоритма географо-гидрологической оценки водных ресурсов. В водохозяйственном блоке (рис. 1.5) концентрируется информация, характеризующая водопользование на территории субъекта, объемы воды, изымаемые из водных объектов и подземной гидросферы и возвращаемые в поверхностную гидрографическую сеть в виде сточных вод и потерях воды, сведения о качественных показателях воды (главы 4, 5, 6). Для оценки водных ресурсов административного субъекта в настоящее время и на перспективу необходимы сведения об изъятии, сбросе вод, безвозвратных потерях воды в процессе водопользования в динамике, непосредственно влияющие на количественные показатели состояния водных ресурсов. Смысл водохозяйственного блока составляют сведения о водопользовании в административном субъекте и при необходимости на сопредельных территориях: о заборе свежей воды из поверхностных и подземных источников, отраслевое водопотребление и водоотведение, объем безвозвратных расходов воды, количественная характеристика сточных вод за многолетний период. В водохозяйственном блоке рассматривается экологическая составляющая вод. Выявляются основные источники загрязнения вод, причины изменения качества вод. После критического анализа вся исходная информация по физико-географическому, антропогенному, гидрологическому и водохозяйственному блокам обобщается, формируются расчетные ряды.
Система характеристик и показателей для географо-гидрологической оценки водных ресурсов.
Система характеристик и показателей, необходимых для оценки водных ресурсов, а также факторов, их определяющих, должна в полной мере удовлетворять раскрытию цели и задач, поставленных в работе, и одновременно отвечать современным требованиям транскрипции, смыслу, единицам выражения. Сток речной воды - это не только гидрологический процесс, но и его количественная характеристика. Количественной мерой речного стока и водных ресурсов являются расход воды Q (м /с, или л/с), объем стока W (м , или км ), модуль стока М или q (л/с-км , или м /с-км ), слой стока h, R, Г(мм). Среднего-довая величина характеристик стока: расход воды Q (м /с), объем стока W (км ), модуль стока М (л/с-км ), слой стока /г,(мм), принятые в работе (табл. 1.1), определяет водные ресурсы конкретного года, а средняя многолетняя величина -водные ресурсы за данный период или норму при устойчивом значении средней величины.
Базовыми характеристиками для анализа водного режима, внутригодовой и многолетней динамики стока, оценки годовых и многолетних водных ресурсов, их изменений во времени и пространстве приняты среднесуточные, среднемесячные и среднегодовые расходы воды, объем стока, слой стока. Гидрологическое картографирование речного стока для оценки водных ресурсов административного субъекта выполняется в слое годового стока h (мм). Слой стока является наиболее оптимальным вариантом для картографического моделирования, поскольку более дифференцированно, чем модуль стока, описывает пространственную изменчивость картографируемой характеристики на небольшой территории субъекта. Территориальные водные ресурсы оцениваются в объемных величинах (W, км ). Рассчитанные на различные временные уровни, они позволяют оценивать динамику речного стока и водных ресурсов. К базовым характеристикам относятся модуль подземного стока (q, л/с-км ) и объем подземного стока (емкостные запасы V, м ), характеристика эксплуатационные ресурсов Q и ресурсного потенциала IQBM /сут. Ресурсы поверхностного склонового стока и ресурсы почвенных вод представлены в тех же характеристиках и единицах, что и ресурсы поверхностных и подземных вод, - км . Среднемесячные и годовые расходы воды формируются в единую генеральную совокупность, для чего методом гидрологической аналогии восстанавливаются пропуски в наблюдениях. Теснота связи исследуемого ряда и ряда-аналога оценивается безразмерным коэффициентом междурядной корреляции (К). Известными методами математической статистики ряды исходной информации оцениваются на внутрирядную скоррелированность, изменчивость и асимметричность, оцениваемые следующими параметрами: коэффициентом внутрирядной корреляции (г), критериями Фишера и Стъюдента, коэффициентом вариации Cv и коэффициентом асимметрии Cs (подробнее представлены в разделе 1.7). Климатические характеристики: атмосферные осадки (Р, X, мм) представлены среднемесячными и годовыми величинами. Для них, так же как и для рядов среднемесячных и годовых значений расходов воды, выполнен полный и аналогичный набор статистической обработки исходных данных. Сведения по осадкам рассматриваются с позиции потенциального водного ресурса, оцениваются во временной и пространственной изменчивости на различные временные уровни. Они используются для расчетов слоя испарения и оценки водного баланса. Температура воздуха (Т С) необходима для анализа многолетней и внут-ригодовой изменчивости, выявления региональных особенностей глобального изменения климата, определения тенденций в температуре воздуха, оценки слоя испарения по методу А.Р. Константинова. В работе используются среднемесячные и среднегодовые значения температуры воздуха по действующим и некоторым закрытым метеостанциям Воронежской области и сопредельных областей. Испарение - слой испарившейся влаги с поверхности зеркала водного объекта или с поверхности речного водосбора и административного субъекта {р, Z,, мм). Месячные и годовые значения скорости (V, м/с) и направления ветра (по румбам) представлены по метеостанции Воронеж для общей характеристики перемещения воздушных масс и выявления отклонения от многолетней ситуации. Дефицит влажности (е0) - гидроклиматический показатель, определяющий состояние приземного слоя атмосферы и главный фактор испарения (Е, мм). Пространственная характеристика слоя испарения необходима для комплексного анализа элементов гидрологического цикла и географо-гидрологической оценки водных ресурсов. Относительная влажность воздуха (/, %) и упругость водяного пара (е, мб) используется для расчетов слоя испарения по методу А. Р. Константинова, принятого в работе.
Подземные воды характеризуются модулем подземного стока (q, л/с-км ) и объемом подземного стока {емкостные запасы V, м ). Эксплуатационные ре-сурсы Q и ресурсный потенциал Q оцениваются в м /сут. Для характеристики залесенности, озерности, заболоченности, закар-стованности, густоты речной и овражно-балочной сети территории, оказывающих влияние на процесс образования речного стока, используется относительная величина, выраженная в процентах от общей площади субъекта, соответственно , fоз J6, fкарст В %;fpc (км/кМ2). Густота овражно-балочного расчленения f0_e , по К.А. Дроздову, для Во-ронежской области приводится в км/км . Объемы водопотребления, сброса возвратных вод, безвозвратные расходы, влияющие на оценку суммарных водных ресурсов, выражаются в объемных величинах, соответственно We, Wc, WQW (KM ) за годовой интервал времени. Качество природных вод характеризуется ИЗВ в балльной системе и концентрацией загрязняющих веществ С (мг/л или в ПДК).
Специфические черты природы, определяющие своеобразие формирования водных ресурсов административного субъекта
Природно-климатические условия Воронежской области умеренно благоприятны для жизнедеятельности населения (Виноградова и др., 2008). Зима умеренно мягкая, с наиболее низкими температурами воздуха в январе и неред 76 ко в феврале. Лето теплое, в текущем столетии часто жаркое с аномалиями температуры воздуха (например, лето 2010 г.). Природные условия Воронежской области отличаются рядом характерных особенностей, которые присущи только ей и которые привносят своеобразие во многие природные процессы. Особенность географического положения, а именно, преобладание широтного протяжения над меридиональным определяет в качестве ведущего фактора внутрирайонных климатических различий не столько радиационный баланс, сколько атмосферную циркуляцию, что в большей степени проявляется в холодное полугодие. Летом активность циркуляционных факторов ослабевает и возрастает роль радиационных факторов. Особенность географического положения через климатическую составляющую речного стока проявляется в увлажненности области и пространственном распределении водных ресурсов по территории.
К отличительным особенностям относится рельеф. Вся территория области располагается на Восточно-Европейской равнине, в бассейне Верхнего и частично Среднего Дона и его крупных притоков Воронежа, Битюга, Хопра. Правобережье Дона лежит на Среднерусской возвышенности, а левобережье -на Окско-Донской низменной равнине и Калачской возвышенности (см. рис. 2.2).
На территории области нет гипсометрических контрастов. Перепад высот правобережья и левобережья Донского бассейна составляет 198 м. Орографическая неоднородность территории четко проявляется в климатических стоко-формирующих факторах, в частности, осадкообразовании и увлажнении. В бассейнах правобережных притоков Дона: Большой Верейки, Ведуги, Девицы -самое высокое увлажнение на всей территории области. Несмотря на то, что правобережье Дона лежит в подветренной стороне Среднерусской возвышенности, в «дождевой тени» (Жаков, 1984), увлажнение здесь почти наибольшее для территории области. Годовая сумма атмосферных осадков по метеостанции (м/с) Нижнедевицк за период наблюдений составляет 568 мм (здесь и далее в работе величина осадков дается с поправкой на смачивание). Она превышает наименьшую величину осадков на рассматриваемой территории по м/с Калач, равную 465 мм, в 1,2 раза. Склоны западной и восточной экспозиции Среднерусской возвышенности по отношению к атлантическому влагопереносу в пределах Центрального Черноземья имеют разницу в увлажнении в 20 мм, или 13% (Дмитриева, Затулей, 1987).
Увлажнение Воронежской области связано с циклонами, приходящими с Атлантики. Западные ветры дуют над территорией области чаще ветров других направлений. Западный влагоперенос становится господствующим в течение всего года. Наиболее сильна западная активность ветра в сентябре, октябре, декабре, январе. За исключением марта, апреля, мая, во все остальные месяцы западное направление ветра является главенствующим. Вследствие этого в теплое и холодное полугодия, в целом за год в розе ветров преобладает западная составляющая (рис. 2. 4). а) б) в) холодное полугодие теплое полугодие Q
Увлажнение Воронежской области на фоне остальных областей Центрального Черноземья самое низкое, особенно в ее юго-восточной части (рис. 2.5). Циклонической деятельностью, а именно, центрами зарождения циклонов, траекторией движения по европейской территории страны, водообильностью барических образований обусловливается увлажнение Воронежской области. Рис. 2.5 - Атмосферные осадки на территории ЦЧР (Дмитриева, 1989)
В бассейне Дона наибольшее количество осадков в засушливые годы выпадает при прохождении циклонов Средиземноморского и Западно-Европейского происхождения, а во влажные - Атлантического, Средиземноморского, Западно-Европейского и Восточно-Европейского (Бабкин, 1999; Бабкин, Клиге, 2005; Бабкин Постников, 2000, 2003).
Увлажнение тесно связано с суммарным испарением с поверхности речного водосбора или какой-либо конкретной территории. Величина испарения определяется теплоэнергетическими ресурсами процесса испарения и ресурсами влаги, последние соответственно и предопределяют закономерности пространственного распределения испарения. Пространственная интерполяция слоя испарения, осредненного за период вычисления по отдельным метеорологическим станциям областей Центрального Черноземья, указывает на четкое уменьшение его абсолютного значения с запада на восток (рис. 2.6). В западной части территории, на Среднерусской возвышенности, изолинии тяготеют к ме 79 ридиональному направлению, что объясняется характером распределения осадков с изменением высоты местности, в восточной части, на равнинной территории - к широтному. Слой испарения достигает за год максимального значения (478 мм) на крайнем западе, минимального (404 мм) - на крайнем юго-востоке.
Амплитуда слоя испарения от максимального (ст. Дмитриев Курской области) до минимального (ст. Новохопёрск Воронежской области) значения равняется 74 мм. В процентах от осадков слой испарения составляет на западе 74-77 % и 87-91 % на востоке. Увеличение относительного испарения с запада на восток и юго-восток хорошо согласуется с распределением температуры воздуха, дефицитом влажности, осадков (Дмитриева, 1989,1995). В направлении с северо-запада на юго-восток увеличивается испаряемость. Отношение испарения к испаряемости на данной территории составляет 0,6 (Зубенок, 1976). На характер изменения испарения оказывают влияние рельеф местности, крупные лесные массивы, а также местные особенности расположения станции. Следствием недостаточного увлажнения области и высокого слоя испарения с ее поверхности является самый низкий слой годового речного стока в Воронежской области по сравнению с другими областями Центрального Черноземья - 69 мм (Дмитриева, 2011).
Отличительной особенностью территории Воронежской области от других областей Центрального Черноземья является ландшафтная неоднородность. Она располагается одновременно в двух ландшафтных зонах: лесостепной и степной (см. рис. 2.2). Зональные ландшафты представлены лесостепью на севере и степью на юге. Граница между ними, по Ф.Н. Милькову (1977, 1982), проходит по р. Черная Калитва - правобережье Дона до впадения слева Толучеевки - по долинам рек Толучеевка, Подгорная, Манина и далее уходит за пределы области. Большая часть Воронежской области представлена лесостепными ландшафтами, и только небольшая часть на крайнем юго-востоке области - степные ландшафты. Ландшафты имеют сложный растительный покров (Камышев, Хмелев, 1976; Камышев, 1978).
Растительный покрое Донского бассейна представлен флористическим разнообразием, насчитывающим около 3000 видов степных, лесных, водных типов растительности (Цвелев, 1988; Григорьевская, 2000; Агафонов, 2006, и др.). В гидрологическом отношении наибольший интерес представляют леса, в большей степени влияющие на изменения элементов гидрологического цикла (Дмитриева, 1991). Леса имеют островное распространение и покрывают территорию очень неравномерно. Одна четверть всей территории имеет лесистость больше 10 %, до 40 территории облесено на 5-10 %, и 35 % - всего на 4,9-1 % (Крылов, 2006). Лесистость области, на середину 1960-х гг. составлявшая, по данным В.И. Рубцова, в среднем 8,4 % (Крылов, 2006), резко понизилась в последующие годы и особенно летом 2010 г. после многодневных, крупноплощадных и опустошительных пожаров. Исключительно сильно пострадал зеленый пояс вокруг г. Воронежа. Наиболее крупные лесные массивы находятся в долинах рек: Теллермановская роща и Хопёрский заповедник в бассейне Хоп-ра; Шипов лес в бассейне Осереди; Усманский бор в бассейне Воронежа; Хре 81 новской бор в бассейне Битюга. Исследования А.П. Булкиной и др. (1979), СИ. Костина (1954) показали, что в Воронежской области над лесом осадков выпадает на 8-15, а иногда и до 25 % больше, чем над полем. Сравнительный анализ осадков, выпавших в теплый и холодный периоды, по данным метеостанций Борисоглебск (Н=104 м, Теллермановская роща) и Новохопёрск (Н = 148 м, открытая местность), показал различие в годовых суммах осадков на 55 мм (11 %), теплого периода - на 10 мм (2 %), холодного - на 45 мм (9 %) с превышением их по станции Борисоглебск (Дмитриева, 1995; Дмитриева, Затулей, 1987). Таким образом, зимний «лесной» прирост осадков в Воронежской области больше, чем летний (относительно среднего слоя осадков за соответствующий период). Крупные лесные массивы на востоке области сохраняют водоносность рек Хопёр, Ворона и их притоков, что прослеживается на гидрологических картах речного стока (глава 6).
Преобразования поверхности речного водосбора и их роль в процессе стокообразования
Воздействие человека на природные процессы начинается с момента появления человека на Земле как биологического существа, поскольку с этого времени возникает его стремление к подчинению объектов природы своим жизненным интересам и потребностям.
Не удивительно, что большинство крупных городов и промышленных центров на карте мира располагаются по берегам рек (Шевцова, Шевцов, 2003), которые, как гигантский водопровод, пронизывают земную поверхность. Эта закономерность характерна для больших и малых городов, сел и деревень Черноземного края, Воронежской области (Дмитриева, 2000). Голубые «жемчужины» Черноземья обладают огромной притягательной силой (Дмитриева, Чесно-ков, 2001, Федотов, Дмитриева, 2000). В большей степени человеку покоряются реки. Именно воды рек использовал человек и в далеком прошлом, и в настоящем времени для удовлетворения бытовых и хозяйственных нужд, сельскохозяйственного орошения и водопоя скота, промышленного и энергетического водоснабжения, рыболовства, отдыха, спорта, добычи полезных ископаемых и в качестве транспортных магистралей.
Наиболее резко естественный гидрологический режим рек изменяют искусственные гидротехнические сооружения: водохранилища и пруды (Авакян, 1987; Эдельштейн, 1998; Матарзин, 2003; Калинин, 2008; и др.). Создание прудов и водохранилищ в руслах рек, в балках, оврагах коренным образом меняет гидрологический режим реки. При первоначальном заполнении руслового водохранилища резко уменьшается сток, увеличивается испарение с водного зеркала, возрастает суммарное испарение с речного водосбора, а сток и водные ресурсы убывают. Крупные водохранилища, созданные в руслах европейских рек страны - Волга, Дон, азиатских - Обь, Енисей, Ангара и др., существенным образом преобразовали гидрологический режим рек.
Самое крупное водохранилище в верхней части Дона создано на р. Воронеж в городской черте областного центра. Водохранилище долинного типа. Его заполнение было начато в 1972 г., но из-за маловодья этого года завершилось только в следующем 1973 г. С тех пор водохранилище, объемом 204 млн м , является мощным «активным регулятором» (Эдельштейн, 1998) гидрологического режима р. Воронеж. В водохранилище по его контуру впадают 93 водотока разной водоносности (Дмитриева, 2003), пополняя запасы воды в водохранилище и поддерживая уровень воды на заданной отметке 93,0 м абс. Влияние искусственного водоема на гидрологический режим реки Воронеж прослеживается до зоны выклинивания подпора (с. Чертовицкое) на расстояние 35 км.
В бассейне р. Воронеж, выше по течению, на территории Липецкой области создано и действует Матырское водохранилище - второе после Воронежского по величине и степени воздействия на гидрологический режим рек Ма-тыра и Воронеж в Донском бассейне. Параметры Матырского водохранилища, сооруженного в 1976 г., следующие: полный объем - 144 млн м , площадь вод-ного зеркала - 45 км , средняя глубина - 2,2 м при нормальном подпорном уровне 109,0 м абс. Матырское водохранилище осуществляет сезонное регулирование стока р. Матыры. Оно предназначено для водоснабжения Новолипецкого металлургического комбината, орошения прилегающих площадей,
Искусственные водоемы своим наличием в русле реки изменяют элементы гидрологического цикла, в частности, усиливают испарение с водной поверхности. Активизации процесса испарения с водного зеркала водоема способствует и естественное увеличение температуры воздуха в современный климатический период. За безледоставный период с поверхности Воронежского водохранилища слой испаряющейся воды достигает 647 мм. Близкий к этой величине слой испарения образуется и на других наиболее крупных водохранилищах Центрального Черноземья: Шушпанском - 600 мм, Матырском - 620 мм (Мишон, Дмитриева и др., 1991). Среднее многолетнее суммарное испарение с поверхности Воронежской области на середину 1980-х гг. составляло 435 мм (Дмитриева, 1989), что в 1,5 раза ниже слоя испарения с искусственного водоема.
Небольшие водохранилища есть во всех субъектах РФ, по территории которых протекает Дон и его притоки. В Донском бассейне Воронежской области их сооружено 206, в том числе 28 водохранилищ объемом свыше 1 млн м , об-щей площадью 194 км (Мишон, 2004). Но гораздо больше по количеству прудов. В Воронежской области насчитывается 1655 единиц с суммарной площа-дью зеркала 462 км . Пруды создают дополнительную обводненность территории, например, в Воронежской области на 0,81 % (Дмитриева, 2010), но в тоже время выступают активными испарителями влаги с водной поверхности.
Гидрологическая роль прудов и водохранилищ в процессе испарения однозначна. Они увеличивают расходную составляющую водного баланса и вследствие этого сокращают поступление воды в ниже расположенные части руслового потока. Под влиянием прудов и водохранилищ, построенных в речных руслах постоянных рек, уменьшается меженный сток. Отрицательная роль русловых прудов и водохранилищ подтверждается результатами исследований (Курдов, 1970, 1984, 1995, 1998; Курдов, Дмитриева, 1994, 2000, 2002).
Русловое регулирование - один из видов современной антропогенной нагрузки на малые реки Донского бассейна. Оно является ведущим фактором перераспределения стока и элементов водного баланса внутри года. При средней глубине водохранилищ и прудов 1,75 ми средней площади водного зеркала 10 - 40 га суммарный слой испарения в них в отдельные годы, особенно в южной части бассейна Дона, может достигать 1,1м (Вода России, 2000).
К русловым преобразованиям относятся многочисленные спрямления естественных русел, которые проводили мелиораторы с середины 1950-х гг. прошлого столетия на реках Донского бассейна. «Хирургической» реконструкции подверглись притоки Дона - Икорец, Березовка, Тихая Сосна, Битюг, Хворо-стань, Черная Калитва, Потудань и др. - в границах Воронежской и смежных областей. Реки протекают преимущественно в южной лесостепи и степи. Канализованные реки имеют отличный от естественного водный режим. В них быстрее проходит половодье, поскольку вода не выходит на пойму, и пойма не участвует в береговом регулировании вешней воды. В искусственных берегах вода имеет большие скорости, а следовательно, увеличиваются расходы воды. Сокращение периода половодья увеличивает продолжительность межени, что хорошо прослеживается в динамике сезонного стока (раздел 5.5). Подобные работы по канализованию рек проведены и в соседней Липецкой области, где созданы многочисленные кяризы (Дмитриева, Платовская, 2010).
Заборы воды из речного потока на водоснабжение предприятий промышленности, сельского и коммунально-бытового хозяйства, на заполнение емкостей искусственных сооружений, и сбросы воды в него после использования в отраслях экономики вызывают наиболее быстрые изменения речного стока.
