Гидроэкологическая безопасность водопользования Фролова, Наталья Леонидовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Требования гидроэкологической безопасности 14

1.1. Водопользование в РФ и его виды 14

1.2. Гидроэкологические функции водных объектов и их изменение 17

1.3. Понятие о гидроэкологической безопасности водопользования 25

1.3.1. Требования гидроэкологической безопасности к водному режиму рек 34

1.3.2. Требования гидроэкологической безопасности к качеству воды 38

Глава 2. Методология учета гидрологических ограничений для обеспечения безопасности водопользования 44

2.1. Гидрологические ограничения водопользования в целях обеспечения его гидроэкологической безопасности 44

2.2. Правовые аспекты гидрологических ограничений 49

2.3. Состав гидрологических ограничений для отраслевого водопользования 57

2.4. Экологические аспекты гидрологических ограничений 73

2.5. Экономические механизмы обеспечения надежного водопользования 78

Глава 3. Влияние пространственно-временной изменчивости характеристик водных ресурсов на гидроэкологическую безопасность водопользования 82

3.1. Ресурсы поверхностных и подземньк вод и их изменчивость... 84

3.1.1. Годовой сток рек ЕТР и его изменение 86

3.1.2. Меженный сток рек ЕТР и его изменение 92

3.2. Внутригодовая неравномерность стока рек РФ 102

3.3. Антропогенная нагрузка на водные ресурсы рек России 105

3.4. Учет изменений водных ресурсов и водного режима рек при оценке надежности гидроэкологической безопасности водопользования 137

Глава 4. Воздействие опасных гидрологических явлений на безопасность населения и хозяйства 152

4.1. Опасные гидрологические явления и ограничения водопользования 152

4.2. Максимальный сток рек и безопасность населения и хозяйства 157

4.3. Водопользование в период маловодий 182

4.3.1. Маловодья как опасные гидрологические явления 183

4.3.2. Явление отсутствия стока на территории ЕТР 196

4.4. Влияние ледовых явлений на безопасность населения и хозяйства 205

4.4.1. Общие подходы к оценке опасности ледовых явлений на реках ЕТР для различных отраслей хозяйства 206

4.4.2. Влияние ледовых явлений на безопасность водопользования на севере ЕТР 220

4.5. Зависимость безопасности водопользования от качества воды 232

4.6. Опасные русловые деформации 244

4.7. Интегральная оценка гидроэкологической безопасности водопользования 255

Глава 5. Совершенствование системы гидрологического мониторинга для повышения безопасности водопользования 265

5.1. Структура и содержание гидрологического мониторинга 265

5.2. Специфика мониторинга максимального стока и опасных ледовых явлений 273

5.3. Оптимизация мониторинга качества воды при обеспечении надежности водоснабжения городов 285

Заключение 297

Список литературы

• Понятие о гидроэкологической безопасности водопользования
• Правовые аспекты гидрологических ограничений
• Меженный сток рек ЕТР и его изменение
• Маловодья как опасные гидрологические явления

Введение к работе

Актуальность темы. Охрана окружающей среды и рациональное природопользование - одни из наиболее острых и социально значимых проблем современности. Масштабы водопользования и его воздействие на природную среду в последние десятилетия достигли таких размеров, когда возможности использования водных ресурсов и требования сохранения водной среды стали для большинства регионов лимитирующим фактором социально- экономического развития. Если в целом по России суммарный забор свежей воды из водоисточников составляет около 3% общих водных ресурсов, то по ряду речных бассейнов он достигает 50% и более (Водная стратегия, 2009). Водные ресурсы относятся к стратегическим ресурсам России. Они неравномерно распределены по территории страны, отличаются значительной временной изменчивостью (особенно в южных районах), относительно высокой степенью загрязнения. Для обеспечения устойчивого развития экономики страны в этих условиях требуется учет водноресурсных ограничений и экологически допустимой нагрузки на реки, комплексное управление их использованием и охраной.

Естественные изменения гидрологического режима рек приводят к возникновению рисков их негативного воздействия на население и объекты экономики. В последние десятилетия происходит нарастание экстремальности изменений характерных расходов и уровней воды, русловых процессов, ледовых явлений, нередки локальные и бассейновые проблемы изменения качества воды. Риск наводнений и иного негативного воздействия вод может усилиться в новых климатических и хозяйственных условиях. Увеличению их риска способствует неконтролируемая застройка на паводкоопасных территориях.

Предупреждение или уменьшение рисков опасных гидрологических явлений во многом зависит от эффективности мониторинга состояния водных объектов, водного законодательства и характера водопользования. Совершенствование водохозяйственного и разных видов гидрологического мониторинга (Водный кодекс, 2007) - часть политики экономически эффективного и экологически безопасного использования водных ресурсов (Водная стратегия, 2009).

Не менее значимой задачей в этой области является решение ряда методологических проблем изучения и обеспечения безопасности и эффективности водопользования, оценки вероятности опасных гидрологических явлений для речных бассейнов, регионов и субъектов РФ. Важные задачи выявления гидрологических и экологических ограничений связаны с оценкой и прогнозом изменения водных ресурсов. Рассмотрение и решение этих проблем требует разработки новых подходов к изучению и обеспечению гидрологической безопасности, изучения пространственных особенностей возникновения природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций, создания современных (или совершенствования традиционных) средств гидрологических и водохозяйственных расчетов, совершенствования состава, структуры и содержания гидрологического мониторинга.

Объекты исследования - незарегулированные реки РФ, их водные ресурсы, гидрологические процессы в руслах рек и на водосборах, опасные гидрологические явления.

Предмет исследования - гидроэкологические функции водных объектов, ограничения и безопасность водопользования.

Цель исследования - разработка научных основ и методологии обеспечения безопасного водопользования в условиях природного и антропогенного изменения речного стока на территории России.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования:

разработка концепции гидрологических ограничений и обоснование их типов;

использование теории речного стока для определения генезиса опасных гидрологических явлений;

характеристика влияния современных и ожидаемых изменений речного стока, других гидрологических процессов на условия водопользования на региональном, бассейновом и локальном уровнях;

анализ пространственной неоднородности гидрологических ограничений для современного водопользования на территории страны;

изучение эффективности мониторинга гидрологических процессов и определение путей его совершенствования для расчета и прогноза характеристик опасных гидрологических явлений;

оценка эффективности предложенной теории и методов решения научных и практических задач в области безопасного водопользования.

Основные защищаемые положения.

1. 1. Концепция гидроэкологической безопасности водопользования включает оценку гидроэкологических функций водных объектов, типизацию и формулировку гидрологических ограничений водопользования, перечень условий экономически эффективного и экологически безопасного использования водных ресурсов.

   2. Гидроэкологическая безопасность, рассматриваемая как состояние отношений между населением, хозяйством, экосистемами и водными объектами, при которых обеспечивается экономически эффективное и экологически безопасное водопользование, определяется особенностями пространственно-временной изменчивости речного стока, его естественной зарегулированностью, отсутствием дефицита водных ресурсов. Возможные антропогенные и климатические изменения должны учитываться при оценке надежности выполнения гидрологических ограничений.

   3. Выявление и генетический анализ причин возникновения опасных гидрологических явлений - основное средство сопоставления регионов страны, речных бассейнов и их районов по составу и характеристикам этих явлений, основа для оценки их влияния на современное и будущее водопользование.

   4. Совершенствование системы мониторинга гидрологических процессов - важнейшее условие повышения эффективности и безопасности водопользования.

   5. Интегральная оценка гидроэкологической безопасности водопользования основана на учете гидрологических ограничений, связанных с пространственно-временной изменчивостью составляющих речного стока.

   Методологической и теоретической основой работы стала созданная концепция экономически эффективного и экологически безопасного водопользования. Она была заложена в трудах Н.И. Алексеевского, А.Е. Асарина, К.М. Берковича, М.В. Болгова, Ю.И. Винокурова,

   1. 1. 1. М. Владимирова, В.Ю. Георгиевского, В.И. Данилова-Данильяна,

         2. В. Дмитриева, В.Г. Дубининой, Д.В. Козлова, Н.И. Коронкевича, Л.М. Корытного, Г.П. Кумсиашвили, К.С. Лосева, В.Н. Михайлова, Р.А. Нежиховского, А.М. Никанорова, В.Г. Пряжинской, Д.Я. Ратковича, В.А. Румянцева, Б.В. Фащевского, А.В. Христофорова, Р.С. Чалова, В.А. Шелутко, И.А. Шикломанова, К.К. Эдельштейна и других исследователей. При разработке научных основ обеспечения гидрологической и экологической безопасности населения и хозяйства использованы подходы, изложенные в работах (Безопасность России, 1999; 2006; 2008), В.А. Бузина, В.А. Владимирова, Б.И. Гарцмана, Ю.Л. Воробьева, С.М. Мягкова, В. И. Осипова, А. Л. Рагозина, В.В. Разумова, В. А. Семенова и др. Проблемы оптимизации природопользования и устойчивого развития водопользования решались с учетом разработок отечественных географов и экологов Н.Ф. Глазовского, Г.Н. Голубева, Ю.А. Израэля, Н.С. Касимова, В.М. Котлякова, Т.И. Моисеенко, Н.Ф. Реймерса, В.Т. Трофимова и других. Важной предпосылкой для повышения эффективности и безопасности использования водных ресурсов стали положения Водного Кодекса РФ (2007) и Водной стратегии РФ (2009).

         Методы исследования. Основные результаты исследования получены на основе сравнительно-географического и вероятностно-статистического методов, методов гидрологических и водохозяйственных расчетов, математического моделирования, картографических обобщений с использованием ГИС-технологий.

         Научная новизна исследования заключается в разработке научных и методологических основ организации безопасного водопользования в условиях природного и антропогенного изменения речного стока на территории РФ.

         Созданная оригинальная концепция гидроэкологической безопасности водопользования включает оценку гидроэкологических функций водных объектов, типизацию и формулировку гидрологических ограничений водопользования, перечень условий экономически эффективного и экологически безопасного использования водных ресурсов. Показана особая роль речного стока и антропогенного воздействия в нарушении гидроэкологической безопасности водопользования. Для различных видов использования водных ресурсов обоснована система гидрологических ограничений, которые конкретизируют требования гидроэкологической безопасности водопользования в отношении обеспечения безопасности населения и хозяйственных объектов, потребностей в водных ресурсах различных отраслей хозяйства, экологически приемлемого состояния водных объектов и сохранения водных экосистем. Выполнена оценка возможного природного и антропогенного изменения этих ограничений. Обоснованы методы комплексной оценки гидроэкологических ограничений на бассейновом уровне организации водопользования. Разработаны общие подходы к сопоставлению регионов страны по наборам и выраженности гидрологических ограничений с учетом закономерностей пространственно-временного изменения составляющих речного стока, оценки риска опасных гидрологических явлений для современного и будущего водопользования. Они использованы для сравнения регионов страны, речных бассейнов и их районов по составу и характеристикам опасных гидрологических явлений. Установлены закономерности современного распределения и изменения годового, меженного и минимального месячного стока в бассейнах крупнейших рек ЕТР. Оценено влияние климатических изменений и хозяйственной деятельности на гидрологический режим рек в разных природных условиях. Предложены направления совершенствования мониторинга опасных гидрологических явлений.

         Практическая значимость исследования. Диссертационное исследование в значительной мере стимулировано необходимостью решения разнообразных прикладных задач, которые, в частности, были связаны с выполнением проектов в рамках федеральных целевых программ (ФЦП). Гидрологические принципы организации экономически эффективного и экологически безопасного водопользования были обоснованы при выполнении проекта ФЦП «Университеты России - фундаментальные исследования» (1997-2001). Их уточнение и развитие осуществлено при реализации Государственного контракта № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» (2009-2011). Методические средства оценки опасности различных гидрологических процессов при организации безопасного водопользования использованы для обоснования структуры оптимального гидрологического мониторинга и разработаны в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011, госконтракт П164).

         Методические средства краткосрочного и долгосрочного прогнозирования опасных гидрологических явлений разрабатывались при научном обосновании противопаводковой защиты г. Великий Устюг (2000-2003), выполнении Государственного контракта Министерства промышленности, науки и технологий № 43.016.11.1628 (2002-2004), связанного с оценкой роли речного стока и береговых процессов в российской Арктике в глобальных изменениях природной среды и климата. Научно-методологические и методические подходы к оценке гидроэкологической безопасности водопользования на бассейновом уровне отрабатывались при выполнении Государственного контракта с Амурским бассейновым водным управлением по проблемам водохозяйственного комплекса бассейна р. Аргунь (2010-2011), с Верхнеобским бассейновым водным управлением в рамках исследования негативного влияния русловых деформаций р. Томь на безопасность водопользования в пределах Томской области (2010-2011). Оценки эффективности различных методов и средств защиты населения и хозяйства от неблагоприятных гидрологических явлений (экстремально высокого и низкого стока) получены при выполнении Государственного контракта с Московско- Окским бассейновым водным управлением (2010-2012). Часть результатов диссертационного исследования, полученных при выполнении проекта «Установление закономерностей изменчивости гидролого-гидрохимического режима Верхней Волги за многолетний период (1925-2000 гг.)», передана Экологическому фонду России (2001).

         Комплекс научных результатов исследования внедрен в практику деятельности национального парка «Валдайский», Катунского государственного природного биосферного заповедника, государственного природного заповедника «Кузнецкий Алатау». Ряд важных практических результатов получен при выполнении научных проектов РФФИ: № 00-0564120, № 03-05-64306, № 06-05-64099, № 07-05-00406, № 09-05-00339, № 09-0500041, № 09-05-92001-ННС_а, № 10-05-00252, № 11-05-00467.

         Материалы диссертационной работы использованы при разработке учебных программ и пособий, чтении лекционных курсов «Гидрология», «Учение о гидросфере», «Гидрология рек», «Гидрологические прогнозы» и проведении практических занятий, учебных гидрологических практик на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Казахстанского филиала МГУ в 1985-2011 гг.

         Исходные материалы. В основе диссертационной работы лежат результаты многолетних исследований автора в период 1985-2011 гг. Для разработки разделов диссертации использованы результаты экспедиционных исследований, проведенных под руководством или при участии автора в различных регионах России, данные Росгидромета и информация, содержащаяся в специализированных изданиях Государственного водного кадастра, справочниках по климату. Важной частью информационного обеспечения работы стали разнообразные научные источники - монографии, книги, журналы и научные статьи и т. п. В диссертационном исследовании использованы положения действующего Водного кодекса, Водной стратегии РФ, нормативно-правовые документы, отраслевые и региональные программы и концепции водопользования и социально-экономического развития территорий.

         Личный вклад автора заключается в обосновании разделов теории экономически эффективного и экологически безопасного водопользования, в создании концептуальных подходов к решению гидроэкологических задач, в разработке методов их решения, определении форм и путей внедрения научных результатов в практику водохозяйственной деятельности для снижения социальных, экономических и экологических ущербов. Часть результатов диссертационного исследования получена в рамках совместной работы с сотрудниками, аспирантами и студентами МГУ и других научных организаций страны.

         Апробация работы. Результаты исследований докладывались на форумах, конгрессах, съездах, симпозиумах, конференциях и семинарах в России и в других странах: XXV IUGG General Assembly (Melbourne, Australia, 2011); XII международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2010» (Нижний Новгород, 2010); I Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003); международном конгрессе ЭКВАТЭК-2008 (Москва, 2008); V Всесоюзном (Ленинград, 1986) и VI Всероссийском гидрологических съездах (Санкт-Петербург, 2004); XIV съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2010); X международном симпозиуме по речным наносам (Москва, 2007); российско-тайваньском симпозиуме «Water and Environmental Technology» (Тайвань, 2007); XI международном научно-практическом симпозиуме «Чистая вода России» (Екатеринбург, 2011); The 20th IAHR Symposium on Ice (Lahti, Finland, 2010); всесоюзной конференции «Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов» (Севастополь, 1985; Гродно, 1988); всероссийских конференциях «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004, 2009); «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Архангельск, 2007); «Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России» (Азов, 2009); «Проблемы безопасности в водохозяйственном комплексе России» (Краснодар, 2010); III Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Онега, 2011); международных конференциях «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003); «Environmental change and rational water use» (Buenos Aires, Argentina, 2005); международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2006); международных конференциях «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» (Москва, 2008); «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях» (Москва, 2008); «International Conference on Hydrology and Climate Change in Mountainous Areas» (Kathmandu, Nepal, 2008); «Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» (Москва, 2010); «Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources» Sixth World FRIEND Conference (Fez, Morocco, 2010); международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Б.И. Куделина «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования» (Москва, 2010); Международной российско- китайской научно-практической конференции «Амур-2011» (Хабаровск, 2011), международном семинаре «Генетические и вероятностные методы в гидрологии: проблемы развития и взаимосвязи» (Одесса, 2009), Ломоносовских чтениях МГУ, секция география (Москва, 2004, 2008; 2011), научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (2011), заседании гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (2011).

         Публикации. Всего автором опубликовано 198 работ, из них 94 по теме диссертации, в том числе 24 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.

         Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы и содержит 285 страниц компьютерного текста, 120 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 287 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

         Автор выражает глубокую благодарность за многолетнюю всестороннюю помощь, рекомендации и поддержку доктору географических наук, профессору Н.И. Алексеевскому. Автор признателен за ценные советы, внимание и помощь своим учителям и коллегам докторам географических наук, профессорам кафедры гидрологии суши МГУ А.В. Христофорову,

         М. Евстигнееву, В.Н. Михайлову, Р.С. Чалову, К.К. Эдельштейну, кандидатам географических наук, доцентам В.А. Жуку, М.Б. Заславской, сотрудникам кафедры кандидатам географических наук С. А. Агафоновой, Л.Е. Ефимовой, Е.С. Повалишниковой, М.А. Самохину, инженерам

         И. Гаррисону, С.В. Платонову, аспирантам П.Н. Терскому, М.Б. Киреевой, Е.П. Рец, М.И. Игониной.

         Понятие о гидроэкологической безопасности водопользования

         Различные аспекты влияния водных объектов и гидрологических процессов на условия жизни населения, возможность и эффективность разнообразных видов хозяйственной деятельности, их воздействия на условия существования водных и околоводных биоценозов (при естественном и измененном гидрологическом режиме водных объектов) соответствуют гидроэкологическим функциям водных объектов - экологической, геосферной, ландшафтной, водохозяйственной, рекреационно-эстетической (табл. 1.2). Эти функции способствуют или препятствуют экономически эффективному и экологически безопасному использованию земельных, лесных, сырьевых, водных, энергетических, транспортных, биологических, рекреационных и иных ресурсов рек и их бассейнов [25, 26, 32] (табл. 1.2). Вода является необходимым условием для возникновения и развития жизни на нашей планете, обеспечения условий существования разнообразных биоценозов, населения. Роль водных объектов чрезвычайно велика и в отношении утилизации (усвоения, преобразования, захоронения) отходов хозяйственной деятельности. Эта функция отражает экологическую роль водных объектов и гидрологических процессов.

         Геосферная функция водных объектов заключается в обеспечении и постоянном возобновлении круговорота воды, минеральных частиц, химических веществ, тепла на планете. На этой основе складывается зональное распределение условий природной среды, в частности, наличие природных территорий с большей или меньшей увлажненностью. В системе атмосфера-литосфера-гидросфера и т. п. возникают вещественные потоки определенной величины, продолжительности и интенсивности.

         Ландшафтные функции водных объектов заключаются в том, что в пределах природных зон наличие и перемещение воды в разных агрегатных состояниях достигается объединением всех элементов среды в единое целое. Вода является важнейшим фактором выветривания, эрозионных и русловых процессов, формирования зональных типов и внутризональных отличий почвенного и растительного покрова. В водных объектах осуществляется формирование, перемещение и трансформация различных составляющих речного стока (воды, наносов, химических веществ, биологических субстанций, тепла), изменение гидравлической энергии водных потоков. В результате возникает специфическое сочетание ландшафтной структуры территории и состояния водных объектов (зональной величины составляющих речного стока и их азональной изменчивости, обусловленной различием размеров водных объектов, площадей их водосборов и акваторий, длин водотоков, глубины их вреза, глубины озер и т. д.).

         Водохозяйственная функция водных объектов связана с предоставлением населению, различным отраслям хозяйства водных, энергетических, биологических, сырьевых и других ресурсов водных объектов и их бассейнов. Они используются для обеспечения водой населения, сельского хозяйства и промышленности за счет забора воды из рек, озер, подземных источников воды, водохранилищ. Вода - один из наиболее важных природных ресурсов. Ежегодный объем использования воды намного превосходит суммарный объем всех полезных ископаемых.

         Водные объекты предоставляют богатые рекреационные возможности. Одновременно они являются компонентом природной среды, который придает ландшафтам эстетическую неповторимость.

         Для оценки особенностей гидроэкологических функций и их изменений целесообразно рассматривать совокупность параметров, характеризующих состояние водных объектов, определяемых природными факторами (изменение стока воды, наносов, растворенных веществ и биологических субстанций, их внутригодового распределения в годы различной обеспеченности, сроков весеннего половодья и паводков; площади и продолжительности затопления поймы и дельты, теплового и ледового режима, русловых процессов и др.) и хозяйственной деятельностью человека (объемы водозаборов; поступления возвратных и сточных вод; параметры их очистки; физические, химические и биологические характеристики этих вод; параметры регулирования речного стока и т. д.). Все они связаны между собой, а их изменение основывается на законах сохранения вещества и энергии для поверхностных и подземных вод.

         Гидроэкологические функции водных объектов изменяются под влиянием природных и антропогенных изменений составляющих речного стока (рис. 1.1). Эти изменения приводят к затоплению освоенных территорий, маловодьям, деформации русел рек, негативному изменению ледовых явлений и качества воды (потребительские свойства речных вод зависят от их способности к самоочищению и разбавлению загрязняющих веществ). В зависимости от конкретных природных условий изменяется повторяемость, интенсивность и площадь негативного влияния опасных гидрологических явлений на население и хозяйство. Они могут оказаться следствием хозяйственной деятельности на водосборах рек и в их руслах, поскольку природо- и водопользование способно существенно влиять на водоносность рек, внутригодовое распределение стока, мутность воды, ее химический состав, температуру воды и энергию водных потоков. Изменение степени влияния отдельных гидроэкологических функций зависит не только от природных факторов, но и от уровня освоенности территории, экономического развития страны и положения ее отдельных регионов, используемых технологий природопользования, их масштабов и интенсивности, степени вовлеченности водных объектов в производственные операции, токсичности и объемов сточных вод и т. п.

         Нередко имеет место одновременное воздействие природных и антропогенных факторов на безопасность водопользования. Сочетание длительного маловодья и аварийного сброса сточных вод, например, приводит к экстремально высоким концентрациям загрязняющих веществ.

         Правовые аспекты гидрологических ограничений

         Требования гидроэкологической безопасности ограничивают сброс сточных и дренажных вод и другие виды антропогенного воздействия на водные объекты, при которых качество природных вод может стать неудовлетворительным для дальнейшего использования и стабильного состояния водных экосистем. Усугубляющими факторами могут быть высокая фоновая концентрация некоторых химических веществ и недостаточная способность водных объектов к разбавлению и самоочищению. Современное антропогенное влияние на качество природных вод достаточно велико: суммарный объем годового сброса сточных и дренажных вод в мире составляет около 1600 км , а в нашей стране - около 55 км . С учетом необходимости не менее чем десятикратного разбавления этих вод, объем требуемой для этой цели воды сопоставим с устойчивой, ежегодно гарантируемой составляющей суммарного годового стока. В ряде регионов мира и нашей страны уже сложилось критическое положение с качеством используемых вод [3, 36].

         При оценке качества природных вод учитываются ряд физических, химических и биологических характеристик: температура, мутность, минерализация, показатель щелочности или кислотности (рН), цвет, запах, биохимическое потребление кислорода за пять суток (БПК5). Учитываются концентрации кислорода, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), фенолов, нефтепродуктов, хлоридов, сульфидов, азота, радионуклидов, ртути и других тяжелых металлов [178, 209]. В странах Евросоюза для этой цели привлекается 21 показатель, в США - 25 [279]. В России используют 32 показателя качества воды, из которых около 30 определяются только эпизодически [178]. При оценке качества воды анализируются лимитирующие показатели (ЛПВ), которые включают органолептическую группу, общесанитарную группу и санитарно-токсикологическую группу. Наиболее сложным вопросом при оценке воздействия на водные объекты является разработка нормируемых показателей качества воды, соответствующих различной степени ущерба водным объектам. В качестве дополнения или замены используемых в настоящее время предельно допустимых концентраций (ПДК) предлагаются экологически допустимые нормативы (ЭДН), использующие различные индикаторы состояния гидробиоты. Сами водопользователи делятся на классы в зависимости от уровня требований к качеству воды. Например, к первому классу с самыми высокими требованиями к качеству воды относятся хозяйственно-питьевое водоснабжение и предприятия пищевой промышленности. Минимальные требования к качеству воды у водного транспорта [3].

         В основе требований гидроэкологической безопасности, предъявляемых к качеству воды, лежит условие непревышения фактическими значениями максимально допустимых значений каждого из показателей качества воды. Наиболее важным является отношение фактической концентрации С какого-либо ингредиента к его предельно допустимой концентрации ПДК. Критической считается ситуация, если отношение С/ПДК превышает 50. Для БПК5 критическим считается, если С/ПДК превышает 20. Для ряда токсичных соединений критической считается ситуация, если отношение С/ПДК превышает 5 [144,168].

         Для оценки качества воды не по отдельным показателям, а в целом, используются различные интегральные показатели [3, 209]. Индекс загрязнения вод (ИЗВ) определяется как где число учитываемых показателей т обычно берется равным 6. При этом в их число обязательно входят содержание в воде растворенного кислорода и БПК5. В зависимости от значения ИЗВ выделяется 7 классов загрязнения вод.

         Суммарный показатель химического загрязнения (ПХЗ) определяется по десяти ингредиентам с наибольшим отношением С/ПДК и рассчитывается как

         Для естественных (фоновых) условий показатель ПХЗю не должен превышать 1. Кризисной считается ситуация, если ПХЗю находится в промежутке от 1 до 10. Если ПХЗю превышает 10, то такую ситуацию следует рассматривать как экологическое бедствие [178].

         Единый критерий качества вод (ЕККВ) применяется при наличии надежной информации о значениях наиболее важных с экологической точки зрения показателях качества воды в течение достаточно продолжительного периода времени. Для каждого такого показателя в зависимости от его значения водный объект относится к одному из шести классов загрязнения вод. Оценка ЕККВ равна самому высокому классу загрязнения вод среди всех, полученных для отдельных показателей [178]. Таким образом, в основе требований ГЭБВ к качеству воды в каждом контрольном створе лежит соотношение между фактическим и максимально допустимым значением каждого из его показателей и, в частности, отношение фактической концентрации С каждого из т учитываемых ингредиентов к его предельно допустимой концентрации ПДК. Если обозначить через С, и тах(С,) фактическое и предельно допустимое значение не только концентрации, но каждого из т показателей качества воды, то требования ГЭБВ можно выразить в виде системы неравенств критическое значение для отношения С{/тах(С,). Коэффициент kt характеризует жесткость требований ГЭБВ к показателю качества воды с номером і: чем меньше kit тем жестче требования. Наряду с этой системой неравенств необходимо учитывать ограничения на описанные выше интегральные показатели качества вод.

         При определении и учете требований ГЭБВ к качеству природных вод принимаются во внимание процессы разбавления и осаждения поступающих в водный объект загрязняющих веществ, способность рек и водоемов к самоочищению. Они дополняются инженерными средствами очистки воды [36]. В результате негативного изменения вещественных и энергетических потоков в речной сети, а также последствий указанных изменений, возникают нарушения гидроэкологической безопасности различного характера [33], имеющие природное и (или) антропогенное происхождение.

         Проблема экологической безопасности является одним из предметов исследования геоэкологии [80]. Исследование гидроэкологической безопасности водопользования, закономерностей оптимального сосуществования водных объектов, населения, хозяйства и биоценозов водосборных территорий - предмет исследования гидроэкологии [24]. Объектом этой науки являются взаимосвязанные водные объекты, их биоценозы, гидрологические процессы, население и хозяйство (природно социальная и водохозяйственная система) в пределах малых или крупных водосборных территорий. Гидроэкология входит в комплекс научных дисциплин - экологическую климатологию [127], геоморфологию [148] и др. (рис. 1.5), которые объединяет экологическая география (или рациональное природопользование) [24]. Она изучает закономерности оптимального сосуществования объектов природно-социальной среды, учет которых обеспечивает устойчивое развитие общества, сохранение среды обитания человека и природного разнообразия.

         Положение гидроэкологии в системе географических знаний С гидрологией гидроэкология связана по объекту исследований (водные объекты и гидрологические процессы), с практической гидрологией - по методам исследования опасных гидрологических процессов. С биологией гидроэкология имеет общий частный объект исследования - водные биоценозы, а с водной экологией соприкасается в вопросах оценки последствий влияния хозяйственного изменения водных ресурсов и качества воды на состояние водных экосистем (рис. 1.6).

         Меженный сток рек ЕТР и его изменение

         После предоставления водных объектов в пользование задачей права является регулирование самой деятельности по водопользованию, направленное на предотвращение негативных изменений состояния водных объектов, качества воды, направленности и интенсивности гидрологических процессов, увеличение стоимости водоохранных мероприятий. Наибольшая часть всех правовых ограничений водопользования содержится именно в этих нормах, которые составляют систему требований, предъявляемых к хозяйственной и иной деятельности, связанной с использованием водных объектов и (или) оказывающую на них влияние. Сюда включаются как общие экологические требования, направленные на рациональное использование и предотвращение загрязнения окружающей среды и содержащиеся в экологическом законодательстве, так и общие и специальные требования водного, санитарно-эпидемиологического, градостроительного, земельного, лесного и др. отраслей законодательства, регулирующих отношения, связанные с использованием и охраной водных объектов. Данные ограничения выражаются в установлении обязательных для исполнения условий использования водных объектов или осуществления деятельности, способной негативно повлиять на их состояние и режим. Эти условия могут определяться также целевым назначением водного объекта или его особым правовым статусом.

         Особенностью правового регулирования водопользования в России является то, что большое количество конкретных требований и правил содержатся в многочисленных подзаконных правительственных и ведомственных нормативных актах, а также нормативно-технических документах: государственных и отраслевых стандартах (ГОСТ, ОСТ), строительных нормах и правилах (СНиП, СП и др.), санитарных правилах и нормах (СанПиН), методических указаниях (МУ) и пр. Многие из них были приняты еще в 70-80-е годы прошлого столетия, при этом часто дублируют и излишне детализируют технические требования, а, с другой стороны, уже устарели и не всегда соответствуют ныне действующему законодательству.

         Основным и наиболее разработанным правовым средством регулирования водопользования в действующем российском законодательстве является экологическое нормирование оказываемых при водопользовании негативных воздействий на водные объекты. Основные положения по нормированию, а также общие требования к разработке нормативов в области охраны окружающей среды содержатся в федеральном законе «Об охране окружающей среды» [236].

         Указанный закон устанавливает систему экологических нормативов в Российской Федерации, состоящую из нормативов качества окружающей среды и нормативов допустимого воздействия на окружающую среду при осуществлении хозяйственной и иной деятельности. Нормативы допустимого воздействия на водные объекты устанавливаются действующим водным законодательством как нормативы допустимого совокупного воздействия всех источников, расположенных в пределах речного бассейна или его части, на водный объект или его часть и используются для регламентации видов воздействия на водные объекты, исходя из целевого назначения водного объекта (например, для установления нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для конкретных водопользователей) [167, 191]. Правовое регулирование разработки и утверждения нормативов допустимого воздействия осуществляется не только Водным кодексом страны, но и принятым в его исполнение Постановлением Правительства [191], методическими указаниями по разработке данных нормативов [167]. Нормативы допустимого воздействия на водные объекты устанавливаются на период не менее 15 лет, исходя из состояния каждого конкретного водного объекта, определенного в ходе разработки данных нормативов. Они являются основанием при решении всех вопросов, связанных с использованием и охраной водных объектов. Основой нормирования допустимых воздействий на водные объекты являются нормативы качества вод. Разработка нормируемых показателей качества воды, соответствующих различной степени ущерба водным объектам - наиболее сложный вопрос при оценке воздействия на водные объекты. Ограничения при использовании поверхностных вод могут быть связаны с высокими фоновыми концентрациями химических веществ в природных водах; антропогенным воздействием, результатом которого является неудовлетворительное качество воды и невозможность ее дальнейшего использования в тех или иных водохозяйственных целях; недостаточной способностью водных объектов к самоочищению.

         Экологических нормативов качества поверхностных вод в действующем российском законодательстве пока нет. Традиционно нормативы качества воды в водных объектах в России устанавливаются исходя из целевого использования водных объектов. Даже само понятие «качество воды» определяется как характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных целей водопользования [177, 178]. В настоящее время система нормативов качества вод состоит из санитарно-эпидемиологических и рыбохозяйственных нормативов.

         Сложившаяся и действующая в России система нормирования качества воды в водных объектах отличается значительной сложностью, неоднородностью и громоздкостью. Количество нормируемых веществ в настоящее время достигло порядка двух тысяч. Существенной проблемой нормирования качества вод является степень научной обоснованности величин предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, установление которых требует длительных специальных исследований. Большинство ПДК химических веществ в поверхностных водах были установлены еще в советский период в соответствии с существовавшими тогда требованиями и научно-техническими возможностями и уже, несомненно, устарели. Кроме того, существует проблема и аналитического контроля нормируемых веществ.

         Для непосредственного регулирования хозяйственной и иной деятельности, оказывающей на водные объекты нормируемые виды негативного воздействия, к каким, прежде всего, относятся забор (изъятие) воды из водных объектов и сброс загрязняющих веществ, микроорганизмов и тепла в водные объекты, законодательство предусматривает индивидуальное нормирование этих воздействий для конкретных водопользователей. Оно осуществляется путем установления нормативов допустимых сбросов (НДС) загрязняющих веществ и микроорганизмов в водные объекты [236] и нормативов водоотведения и водопотребления. Правовое регулирование установления данных нормативов в настоящее время осуществляется на основе [167, 191].

         Маловодья как опасные гидрологические явления

         В условиях дефицита информации управленческие решения, связанные с поиском экономически эффективных и экологически безопасных вариантов водопользования в условиях опасных гидрологических явлений, могут оказаться не оптимальными. В результате возникают потери суммарного экономического эффекта в виде недополученной прибыли от водопользования, неверно оцененного вероятного ущерба от опасных гидрологических явлений и негативных экологических последствий хозяйственной деятельности. Оценка размеров таких потерь в зависимости от величины дефицита гидрологической информации соответствует определению экономически оправданных затрат на создание и функционирование системы гидрологического мониторинга.

         Научное обоснование экономически эффективных затрат на эти цели требует решения комплекса научных задач. Они связаны с учетом требований гидроэкологической безопасности при оптимизации водопользования, оценкой возможного изменения этих требований под влиянием природных и антропогенных факторов, формулировкой и обоснованием этих требований на основе мониторинга гидрологических процессов и оценкой надежности результатов такого мониторинга в зависимости от состава, объема и качества используемых при этом гидрологических наблюдений.

         Повышение эффективности гидрологического мониторинга требует использования новых подходов к его организации. Суть этих подходов детально рассмотрена при участии автора в работе [26] и кратко сводится к ряду позиций.

         Мониторинг гидрологических процессов предполагает проведение регулярных и эпизодических гидрологических наблюдений, которые необходимы для проведения и разработки гидрологических расчетов и прогнозов.

         Уровень развития системы гидрологического мониторинга определяет точность этих вычислительных операций и может быть признан достаточным в случае их незначительных погрешностей. Для этого используются процедуры оценки доли дисперсии погрешностей проверочных расчетов и прогнозов в суммарной дисперсии, в которой учтены и ошибки измерений.

         Эффективным средством повышения точности гидрологических расчетов и прогнозов является увеличение объема исходной информации. Увеличение продолжительности гидрометеорологических наблюдений (за счет накопления постоянно поступающей новой информации и привлечения данных за предшествующие периоды времени) - актуальная задача в проблеме изучения временной изменчивости состояния и режима водных объектов. Однако (даже при достаточной пространственно-временной однородности исходных гидрологических данных) увеличение их объема не всегда оправдано. Существует объективная зависимость между надежностью гидрологических расчетов и прогнозов и объемом исходной информации. Она следует из результатов сравнения дисперсии погрешности расчета (прогноза) по уточненной методике и использовавшейся ранее по ограниченному числу данных [253].

         Увеличение объема исходных данных с п до п+щ окажется эффективным, если выполняется неравенство:

         Величина Do (или так называемая остаточная дисперсия расчета или прогноза) не может быть устранена даже при использовании неограниченного объема исходных данных. Она включает дисперсию ошибок измерения фактически наблюдавшихся значений прогнозируемой или рассчитываемой гидрологической характеристики, а также погрешность самой методики, обусловленную ее неполной адекватностью и неучтенными факторами пространственной или временной изменчивости исследуемой гидрологической характеристики. По результатам проверочных расчетов или прогнозов на зависимом материале (по п наблюдениям), использовавшимся при построении проверяемой методики, можно получить статистическую оценку Д. D -дисперсия разностей между фактически наблюдавшимися значениями исследуемой гидрологической характеристики, полученная на новых данных. Методика недостаточно статистически устойчива относительно исходных данных, если остаточная дисперсия составляет менее 2/5 от суммарной погрешности расчета или прогноза, а вклад показателя статистической неустойчивости превышает 3/5. Только в этом случае увеличение объема исходных данных на величину иь определяемую неравенством (5.1), эффективно. Чем выше уровень статистической неустойчивости методики, тем более эффективным оказывается даже незначительное увеличение объема исходных данных. Тем не менее, повышение эффективности мониторинга опасных гидрологических явлений должно осуществляться не только за счет развития сети наблюдений, но и совершенствования методов расчета и прогноза характеристик опасных гидрологических явлений.

         Ограниченность и неточность данных гидрологических наблюдений может повышать риск нарушения требований гидроэкологической безопасности, уменьшения прибыли от водопользования [256]. Эти последствия зависят от точности экономических расчетов, используемых для оценки эффекта различных вариантов использования и охраны водных ресурсов. Одинаковая система гидрологического мониторинга может оказаться недостаточно надежной в странах с высоким уровнем экономического обоснования водохозяйственных мероприятий и избыточно надежной в государствах с низким уровнем такого обоснования. Выявление наиболее эффективных шагов по совершенствованию системы гидрологического мониторинга требует проведения специализированных расчетов для поиска оптимального решения и анализа целевой функции суммарного экономического эффекта для разных вариантов используемых исходных данных.