Введение к работе
Актуальность проблемы.„,Малые: реки являются основой гидрографической сети.-.питают средние и большие реки, выступают источниками., местного водопользования. Под влиянием хозяйственной.деятельности они испытывают засорение, загрязнение и истощение водных pecypcoa --=.-
Актуальность проблемы малых рек в'настоящее время существенно возрастает в свете новых социально-зкономических условий, которые неизбежно ведут к изменению структуры земле- и водопользования, а следовательно, и к неожиданным проявлениям прежних воздействий.
На севере Русской равнины и на территории Западной Сибири абсолютное большинство малых водосборов в своем составе имеют болота, доля которых может достигать 40-60%. Это специфические бассейны. Большая заболоченность оказывает влияние здесь на естественные процессы влагооборота, качество вод, предопределяет своеобразие хозяйственной деятельности на этих территориях.
В то же время для этих бассейнов отсутствуют комплексные территориальные оценки и прогнозы по воздействию на количество и качество вод хозяйственной деятельности как в русле, пойме и долине, так и на водосборе.
Концепция устойчивого развития предполагает сбалансированную деятельность, в результате которой обеспечивается высокая экономическая эффективность и экологическая безопасность, что может быть достигнуто, на наш взгляд, путем нормирования параметров хозяйственного вмешательства. Такое нормирование для территории распространения заболоченных бассейнов отсутствует.
Спецификой хозяйственной деятельности в пределах заболоченных водосборов является использование торфяных ресурсов, которые в подавляющем большинстве служат основой для развития растениеводства, путем мелиорации болот. Следует отметить, что наиболее заболоченная территория России - Западная Сибирь - является относительно новым районом мелиорации. Слабая изученность гидрологических процессов, сложность регулирования водного и воздушного режимов в корнеобитаемой зоне, вызванная длительным сезонным промерзанием почв, не позволяют надежно определять нормы осушения и увлажнения торфя-
ников. Возникает необходимость изучения (в рамках комплексного подхода к малым рекам) процесса тепловпагооборота зоны аэрации осушаемых почв с целью разработки обоснованных гидромелиоративных норм и методов их определения.
Цель исследования - разработка научно-методических основ изучения процессов тепловлагооборота и нормирования параметров антропогенной деятельности для охраны водных ресурсоЕз, рационального и экологически безопасного использования болот при хозяйственном освоении малых заболоченных водосборов.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:
изучить и интерпретировать основные закономерности формирования взаимосвязи элементов гидрологического цикла, режима и биогенного загрязнения на основании данных полевых наблюдений и исследований, использования фондовых и литературных материалов;
разработать модели гидрологического цикла зоны аэрации болот и весеннего склонового стока малого водосбора для расчетов и прогнозов при различных сценариях хозяйственной деятельности;
разработать основные технологические нормы для рационального сельскохозяйственного использования заболоченных контуров малых водосборов;
разработать оптимальный режим осушения при сельскохозяйственном использовании торфяников на основе полученных технологических норм;
выполнить оценку влияния на элементы гидрологического цикла антропогенизации конкретных малых водосборов в различных природных зонах;
оценить масштабы эвтрофирования малых рек и выполнить прогноз биогенной нагрузки при различных сценариях хозяйствования в пределах малых заболоченных водосборов.
Исходные материалы. Исследования основаны на многолетних режимных, тепловоднобалансовых, лизиметрических, метеорологических, гидрологических, агробиометрических и др. наблюдениях на 6 опытных участках, расположенных в различных почвенно-климатических условиях. На двух объектах наблюдения выполнены непосредственно автором, а на остальных - под его организационно-методическим руководством.
Использованы данные экспедиционного обследования болотных массивов, выполненного автором для установления зоны влияния при осушении в районах Тюменского Приишимья.
К исследованиям были привлечены материалы экспедиционного обследования порядка 50 малых водосборов, проведенного по руководством и при непосредственном участии автора в течение четырех полевых сезонов и охватывающего территорию Восточного Зауралья, в основном, в пределах Тюменской области.
Широко использовались фондовые источники и справочная литература Росгидромета по гидрометеорологическому режиму, водно-и теплобалансовым наблюдениям, качеству вод, водно-физическим свойствам почвы и др. Привлекались также данные ежегодной статистической отчетности.
В обобщение были включены все доступные исследования по гидрологии болот, водному балансу, биогенному загрязнению малых рек, характеристике природных условий и ресурсов Западной Сибири.
В теоретических построениях моделирования гидрологического цикла, разработке технологических норм и оценке биогенного загрязнения автор опирался на работы В.С.Мезенцева, И.В.Карнацевича, М.И.Будыко, К.Е.Иванова, В.В.Романова, Б.С.Маслова, С.Ф.Аверьянова, А.М.Субботина, Ю.Б.Виноградова, Н.И.Хрисанова и др. ученых, исследования которых послужили основой разработки темы и повлияли на решение конкретных задач.
Методика исследований. Изучение гидрологического цикла в пределах малых заболоченных водосборов основано на методах полевого эксперимента и. экспедиционного исследования. Описание тепловлагооборота выполнено с широким привлечением методов водного баланса и математического моделирования. При оценке антропогенных воздействий на количество и качество вод малых рек использовался географо-гидрологический подход к изучению природных ресурсов.
Полуэмпирические воднобалансовые модели влагооборота в пределах зоны аэрации болот и малых водосборов адаптированы к конкретным условиям с помощью численных методов решения трансцендентных уравнений.
При обработке материалов наблюдений применялись вероятностно-статистические методы, картографический метод, регрессионного анализа, интерполяционные расчеты и методы экстра-
поляции, методы сглаживания и выравнивания, методы объективной оценки полученных результатов.
Научная новизна диссертации состоит в .разработке новых подходов изучения іл\расчетов .гидрологического цикла с .учетом взаимосвязи и взаимозависимости элементов.водного баланса ландшафтно-технологических контуров в пределах малых заболоченных водосборов. При этом впервые предложенный метод позволяет учесть влияние на процессы влагооборота длительной сезонной мерзлоты, особенно на осушаемых торфяных почвах.
В процессе проведения экспериментальных работ прошли испытание и показали хорошие результаты предложенные автором лизиметры с двойным металлическим корпусом, позволяющие оценить влияние уровня грунтовых вод на глубину промерзания и другие гидротермические характеристики. Предложена новая трактовка и получены формулы оценки влияния лизиметрических условий на теплоэнергетические ресурсы. Экспериментально установлен факт миграции влаги от грунтовых вод в зону аэрации через мерзлую прослойку в весенний период.
Впервые для изучаемой территории "на новой методической основе дана оценка влияния хозяйственной деятельности на дифференциацию стока в Пределах малого заболоченного водосбора, его величину в замыкающем створе, биогенного загрязнения малых рек. при различных сценариях землепользования в бассейне.
Получены новые данныео влиянии осушения на уровень грунтовых вод прилегающей территории и выполнена оценка изменения элементов водного баланса при осушении болот.
Предложены технологические нормы и на их основе разработан новый оригинальный способ осушения болот с учетом зимнего режима грунтовых вод.
На защиту выдвигаются:
новые подходы к изучению процессов влагообмена при
моделировании гидрологического цикла.ландшафтно-технологи
ческих контуров с целью оптимизации хозяйственной деятельно
сти в пределах малых заболоченных водосборов;
методы и результаты оценки изменений речного стока и био
генного загрязнения при различных сценариях хозяйственного
освоения малых заболоченных водосборов;
методы оценки влагозапасов в почве, максимально возможного и суммарного испарения, миграции влаги от грунтовых вод и нижележащих слоев почвы в зону аэрации;
нормирование гидромелиоративных режимов для эффективного и экологически безопасного использования торфяников в растениеводстве и на этой основе - новый оригинальный способ осушения;
методика и результаты оценки влияния антропогенизацйи болот на изменение элементов водного баланса и уровень грунтовых вод
Практическое значение. Диссертационная работа в значительной мере связана с выполнением ряда государственных научных программ по изучению отдельных крупных болотных массивов Западной Сибири (№ ГР 71063137), разработке методов и технических средств освоения переувлажненных земель (№ ГР 01.83.0028400), разработке рекомендаций по гидрологическим расчетам (№ ГР 432620), а также договорной теме по исследованию антропогенного влияния на малые водосборы и реки (№ ГР 01910047512) и др.
По результатам исследований разработаны "Рекомендации по расчетам водного режима при проектировании осушения на мощных и среднемощных низинных торфяниках Тюменской области" (1981), "Рекомендации по прогнозу стока малых рек при различных сценариях землепользования на водосборе" (1995), "Временные рекомендации по определению биогенного загрязнения малых рек юга Тюменской области" (1995). Практические разработки автора вошли во Всесоюзное "Пособие по гидрологическим расчетам при проектировании осушительных и осушительно-увлажнительных систем" (Союзводпроекг, 1991), опубликованы в "Обзоре экологического состояния, использования природных ресурсов, охраны окружающей среды Тюменской области" (1996), внедрены в проекты более 50 осушительных систем.
Ряд положений диссертации используется в курсе "Геоэкологический мониторинг", спецкурсе "Мелиорация земель. Экологические аспекты", которые автор преподает в Тюменском госуниверситете.
Апробация работы и публикации. Основные теоретические положения и практические результаты докладывались и обсуждались на совещаниях, съездах, конференциях, на заседаниях кафедр, секций и ученых советов учебных и научно-исследо-
вательских институтов в Москве, Тюмени, Перми, Омске, Красноярске, Владивостоке и других городах.
Наибольшее количество докладов было сделано в рамках заседаний ученого совета Западно-Сибирского филиала ВНИИГиМ, научно-технических советов Тюменгипроводхоза и Нижнеобского водохозяйственного управления, экспертного совета комитета по охране окружающей среды Тюменской области (г.Тюмень), секции осушения ВНИИГиМ (г. Москва). Плодотворными были обсуждения на заседаниях кафедры гидрологии и водоснабжения Омского сельхозинститута.
Основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях по совершенствованию проектирования и использованию мелиоративных систем (г. Красноярск, 1976, 1978, 1980), "Мелиорация земель Западной Сибири и пути повышения их использования" (г. Тюмень, 1978), повышению эффективности сельскохозяйственного производства, которые проводились Тюменским сельхозинститутом и НИИСХ Северного Зауралья (г. Тюмень, 1979, 1987, 1989, 1995), на VII и IX научно-практических конференциях по водохозяйственному строительству (г. Омск, 1975, 1983), заседании секции ВАСХНИЛ "Проблемы закрытого дренажа в Сибири и на Дальнем Востоке" (г. Тюмень, 1984), на совещании по вопросам осушения в экстремальных климатических условиях (г. Хоби, Грузия, 1984), Международных гидрологических курсах ЮНЕСКО при МГУ (1989), Всесоюзном совещании "Роль мелиорации в природопользовании" (г. Владивосток, 1990), на международных конференциях по геоэкологическим аспектам хозяйствования (г. Пермь, 1993, 1995), в рамках регионального научно-практического семинара, где обсуждалась роль географии в решении экологических проблем (г. Челябинск, 1995), на международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере" (г. Тюмень, 1995) и на республиканской конференции "Рациональное природопользование и экологический мониторинг" (г. Барнаул, 1996).
Основное содержание работы опубликовано в монографии и 32 статьях общим объемом около 22 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы с учетом 92 таблиц составляет 233 страницы машинописного текста, 61 рисунок и 35 приложений. Список литературы включает 212 наименований.