Меню

Анализ водосбора малой реки

Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Закономерности формирования гидрологического режима водосборов малых равнинных рек. Влияние колебаний климата и хозяйственной деятельности на структуру водного баланса. Применение агротехнологий, улучшающих весенний склоновый сток и водный ресурс рек.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 27.12.2017
Размер файла 2,0 M
  • посмотреть текст работы
  • скачать работу можно здесь
  • полная информация о работе
  • весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

  • 1
  • 2
  • 3

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность: 25.00.27 — Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Ясинский Сергей Владимирович

Работа выполнена в лаборатории гидрологии Учреждения Российской Академии наук Института географии РАН

Официальные оппоненты:

профессор, доктор географических наук Кренке Александр Николаевич

профессор, доктор географических наук Евстигнеев Валерий Михайлович

профессор, доктор физико-математических наук Кондратьев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (ФГУП РосНИИВХ)», г. Екатеринбург.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН. Текст объявления и автореферат размещены на сайте ВАК.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат географических наук И.С. Зайцева

Актуальность темы

Улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек — одна из ключевых проблем гидрологии, водного хозяйства и других отраслей, связанных с использованием водных ресурсов. На берегах этих рек проживает большая часть населения России, а водохозяйственная и экологическая ситуация на большинстве из них неудовлетворительна.

Неблагоприятные ситуации проявляются, прежде всего, в их загрязнении отходами от различных видов хозяйственной деятельности, особенно хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. В последние десятилетия все большую угрозу для малых равнинных рек представляют вынос со склонов удобрений и ядохимикатов, продуктов эрозии с территории сельскохозяйственных угодий, загрязненный сток с урбанизированных площадей, а также неочищенные сточные воды, поступающие от сельских населенных пунктов и особенно животноводческих ферм. Массовое загрязнение рек послужило основной причиной потери ими рыбопродуктивности.

Усиленная эрозия почвы на водосборах этих рек, особенно в лесостепной и степной зонах, привела к сокращению длины их речной сети, заилению родников, способствовала подъему уровня грунтовых вод, миграции значительного количества питательных веществ из почвы и явилась одной из причин антропогенной эвтрофикации водных объектов.

В то же время, малые равнинные реки являются начальным звеном формирования водных ресурсов страны, и от их состояния во многом зависит количественное и качественное состояние средних и крупных рек и водоемов. Поэтому неблагополучие, наблюдаемое в настоящее время на крупных реках и водоемах Российской Федерации, является в значительной мере следствием положения на малых равнинных реках. Эти реки являются не только источником питания средних и крупных рек. Они сами и их водосборы интенсивно используются в хозяйственной деятельности человека для производства различных видов продукции, энергии, а также для удовлетворения рекреационных и эстетических потребностей населения.

На водосборе реки формируется основная часть ресурсов речного стока. Однако гидрологический режим водосборов, как правило, находятся вне внимания водного хозяйства, и в значительной мере традиционной гидрологии поскольку использование воды имеет неявный, рассредоточенный по территории характер в интересах преимущественно сельского и лесного хозяйства, непосредственно не регистрируется гидрометрической сетью, что во многом определяет и недостаточную его изученность.

Под гидрологическим режимом водосборов малых равнинных рек понимается закономерные изменения структуры их водного баланса и обусловливающих ее гидротермических, гидрологических и геохимических процессов во времени и пространстве под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.

Изучению различных аспектов формирования водных ресурсов и качества воды малых равнинных рек посвящено много исследований, в значительной степени обобщенных в ряде монографий [Малые реки. Вопросы географии. Сб.118, М.: 1981; Малые реки России, М.: 1994; Малые реки Волжского бассейна. М.: 1998; Вода России. Малые реки. Екатеринбург, 2001] и во многих статьях. В них рассмотрен ряд общих и региональных закономерностей формирования и методов расчета жидкого, твердого и химического стока, характеристик их хозяйственного использования, намечены пути оздоровления малых рек страны.

Однако до настоящего времени многие актуальные задачи формирования гидрологического режима на водосборах малых равнинных рек либо не нашли своего достаточно полного решения, либо вообще не рассматривались, особенно применительно к современным, достаточно специфическим условиям климата и хозяйственной деятельности на территории значительной части РФ. Прежде всего, не полностью раскрыта роль водосборов и поверхностного склонового стока, формирующегося на них, в гидроэкологическом состоянии малых равнинных рек. Недостаточно изучено влияние происходящих и особенно ожидаемых изменений климата на гидрологический режим водосборов и местный речной сток. Не в полной мере разработаны методы комплексной оценки антропогенной нагрузки на водосборы и влияния диффузного (рассеянного) загрязнения на качество водных ресурсов этих рек. Не развиты должным образом расчетные методы оценки гидрологической эффективности мероприятий по улучшению структуры водного баланса малых водосборов, направленных, прежде всего, на снижение поверхностного склонового стока, как фактора эрозии почвы и источника пополнения ресурсов почвенной влаги в засушливых регионах.

Целью данной работы является выявление пространственных и временных закономерностей формирования гидрологического режима водосборов малых равнинных рек под влиянием региональных колебаний климата и хозяйственной деятельности, в том числе мероприятий по улучшению структуры их водного баланса.

Достижение этой цели потребовало решения следующих научных задач:

Анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.

Выявления роли водосбора и поверхностного склонового стока в формировании гидроэкологического состояния этих рек.

Разработки геосистемной концепции улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Оценки реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на многолетние колебания регионального климата.

Разработки методики геоэкологического анализа антропогенной нагрузки на водосборы малых равнинных рек.

Разработки ландшафтно-гидрологического метода оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения и его вклада в формирование качества водных ресурсов малых равнинных рек.

Разработки динамико-стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока.

Проведения сравнительного анализа гидрологической эффективности применения современных агротехнологий по улучшению структуры водного баланса водосборов малых равнинных рек на основе динамико-стохастического моделирования.

Методологическая основа и методы исследования

Методологической основой работы является бассейновый подход. Согласно этому подходу водосбор и сама малая река рассматриваются как единая целостная автономная геосистема, все компоненты которой связаны между собой вертикальными и горизонтальными потоками вещества и энергии. При этом водосбор и малая равнинная река представляют собой каскадную ландшафтно-геохимическую систему, состоящую из водосборов притоков n-порядка, объединенных между собой поверхностным, почвенным и грунтовым стоком [М.А. Глазовская, 1981; Л.М. Корытный, 2001; В.Н. Голосов, 2003].

При проведении исследований использовался комплекс гидролого-географических методов анализа процессов взаимодействия в системе «водосбор — малая река», испытывающих интенсивное воздействие антропогенных факторов, накладывающихся на меняющиеся в последние десятилетия климатические условия.

Он включал в себя:

— многолетние экспериментальные гидрологические исследования на воднобалансовых объектах Курской биосферной станции ИГРАН в лесостепной зоне, обобщение полученных данных в динамико-стохастической модели формирования поверхностного весеннего склонового стока и ее использование для оценки гидрологической эффективности современных, в том числе нетрадиционных агротехнологий.

— статистический анализ данных о многолетней изменчивости характеристик климата, гидрологического режима водосборов и стока малых рек по данным опорных воднобалансовых и гидрометрических станций для разных (южной части лесной, лесостепной и степной) природных зон Русской равнины.

— полевые экспедиционные обследования малых водосборов бассейна р. Истры, расположенного в южной части лесной зоны Русской равнины и обобщение полученных данных путем разработки методики геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы и ландшафтно-гидрологического метода оценки характеристик диффузного загрязнения малых рек;

Достоверность полученных результатов расчетов подтверждена хорошим совпадением экспериментальных и расчетных данных с использованием принятых в гидрометеорологии критериев, а также при сравнении результатов расчетов, полученных разными методами.

Объектом исследования являются малые равнинные реки, природные и природно-антропогенные геосистемы их водосборов, расположенные в основных природных зонах Русской равнины.

Предмет исследования — гидрологический режим малых равнинных рек и их водосборов, преимущественно, в зимнее-весенний период года и его реакция на колебания регионального климата и антропогенные воздействия, в том числе — применение различных агротехнологий.

На защиту выносятся:

Результаты анализа современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек и роли поверхностного весеннего склонового стока как основного фактора, обусловливающего их гидроэкологическое состояние.

Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Закономерности реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на региональные колебания климата в разных природных зонах Русской равнины.

Методика геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы малых равнинных рек.

Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения, поступающего с водосбора и его вклада в формирование качества воды малой равнинной реки.

Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока.

Результаты сравнительного анализа гидрологической эффективности комплекса агротехнологий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек в период весеннего снеготаяния.

Научная новизна

В работе выявлены основные закономерности формирования гидрологического режима водосборов и его влияния на малые равнинные реки в основных природных зонах Русской равнины и разработана геосистемная концепция улучшения структуры их водного баланса. Получены следующие новые результаты:

установлена определяющая роль поверхностного весеннего склонового стока в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек и доказана устойчивость во времени связи средней многолетней величины этого процесса со средними многолетними значениями местного речного стока в период весеннего половодья.

выявлены основные закономерности и причины различной реакции гидрологического режима водосборов и речного стока малых равнинных рек на совместное влияние колебаний регионального климата и хозяйственной деятельности в разных природных зонах Русской равнины.

разработана методика геоэкологического районирования антропогенных нагрузок на водосборы и установлена связь между геоэкологическим состоянием территории водосборов и качеством воды дренирующих их малых равнинных рек.

разработан ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик диффузного загрязнения водных ресурсов малых равнинных рек, основанный на расчете средних многолетних значений весеннего склонового стока, эрозии почвы и потоков основных биогенных элементов — азота и фосфора с различных (лес, сельскохозяйственные угодья, урбанизированные территории, овражно-балочная сеть) геосистем, расположенных на их водосборах.

разработана динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока. В ней одновременно учитывается динамика определяющих его частных гидрометеорологических процессов (поступления воды из снега, впитывания ее в почву, стекания по склонам) и стохастический характер характеристик гидротермического режима водосбора (гидрофизические характеристики почвы, запасы воды в снеге, глубина промерзания и влажность почвы).

выявлена высокая гидрологическая эффективность таких нетрадиционных агротехнологий как создание с осени кулис из высокостебельных растений и мульчирование почвы растительными остатками в улучшении гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

Практическая значимость

Результаты исследований направлены на решение важной народнохозяйственной проблемы — улучшение гидроэкологического состояния малых равнинных рек за счет снижения интенсивности проявления негативных процессов, формирующихся на их водосборах под влиянием колебаний климата и антропогенных воздействий.

Полученные в работе оценки гидрологической эффективности нетрадиционных агротехнологий дают основание рекомендовать их для более широкого использования с целью не только улучшения водного режима и качества воды малых равнинных рек, снижения интенсивности эрозии почвы, но и в сочетании с другими мероприятиями (оптимизация ландшафтной структуры, лесоразведение и др.) — оздоровлению социально — экологической обстановки на их водосборах.

Практическими приложениями исследований являются:

Методика геоэкологического районирования территории водосборов малых равнинных рек и зон влияния малых водохранилищ по видам антропогенной нагрузки и степени экологической опасности;

Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик потоков биогенных элементов, поступающих с различных геосистем и водосбора в целом в овражно-балочную и речную сеть малой равнинной реки;

Метод руслового баланса масс для независимой оценки потоков биогенных элементов с водосбора, по данным об общем потоке этих загрязняющих веществ в русловой сети;

Рекомендации по применению мульчирования почвы с осени растительными остатками (соломой) в разные по температурному режиму зимы.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели, задач и научных положений, руководстве и непосредственном участии во всех теоретических и экспериментальных исследованиях, в камеральной обработке данных наблюдений и теоретическом обобщении их результатов.

Реализация результатов диссертационной работы

Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные научно-технические отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемые Институтом географии РАН, по ФЦП «Возрождение Волги» по разделу Малые реки, ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России», проект №К — 0669, по Российско-американскому проекту «Управление малыми водосборами бассейна р. Истра», Программе Отделения наук о Земле РАН «Динамика поверхностных и подземных вод и ледников», по гранту РФФИ №05-05-64884 «Управление гидрологическими процессами на водосборах малых рек», по хозяйственным договорам по проблеме «Экологическая безопасность регионов АЭС» и ряду других проектов.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на следующих совещаниях, конференциях, конгрессах: Международном совещании по применению дистанционных методов в изучении гидрологического цикла (Москва, 1978), Всесоюзной школе-семинаре «Экспериментальные методы исследования геосистем (Звенигород, 1981), Всесоюзном совещании «Геосистемный мониторинг/принципы, пути организации» (Курск, 1986), на Х сессии Всесоюзной школе — семинаре «Математическое моделирование гидрологических процессов (Звенигород,1989), на I, II, III, IY Международных конгрессах Вода — Экология — Технология «Экватек» (Москва, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), семинарах российско-американского проекта «Управление малыми водосборами в бассейне р. Истра», (Москва, 1995-1997 гг.), Международной научной конференции «Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы» (Тольятти, 2001), XI съезде Русского географического общества (Архангельск, 2001), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы водохранилищ» (Борок, 2002), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003), V1 Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), II Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России (Москва, 2006), заседаниях Ученого совета Института географии РАН и гидрологической комиссии Московского центра Русского географического общества.

Основные результаты исследований изложены в 43 печатных работах, 20 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы. Содержание работы изложено на 268 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и 42 таблиц. Список использованных источников включает 349 наименований.

Автор благодарен проф. д.г.н. А.М. Грину и проф. д.г.н. Н.И. Коронкевичу, под руководством которых он проводил исследования в Институте географии РАН, за всемерную поддержку всех его инициатив при выполнении данной работы. Сотрудничество с д.б.н. Е.М. Гусевым способствовало определению направлений научных исследований и поиску путей их решения. Совместные работы с д.с.-х.н. М.В. Кумани, к.г.н. Г.С. Шилькрот, к.г.н. Е.А. Кашутиной, Ф.Н. Гуровым, рядом сотрудников Института географии РАН и других учреждений ускорили решение ее отдельных задач, за что автор им очень признателен.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит актуальность темы, цель, задачи, объект и предмет исследования, его научную новизну и практическую значимость.

Глава 1. Современное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек

Малые равнинные реки являются природной основой гидрографической сети и начальным элементом более крупных гидрологических систем. К малым обычно относятся реки с водосбором не свыше 2000 км2 или имеющие длину не более 100 км (Концепция рационального…, М.:1991).

На малые реки длиной менее 100 км приходится около 99% общего числа рек и 92—93% их протяженности. В пределах территории Российской Федерации насчитывается 2,5 млн. малых равнинных рек.

1.1 Специфика малых равнинных рек в функционировании более крупных гидрологических систем

Основные отличия малой реки от средних и крупных заключаются не только в различиях их морфологических характеристик (площади водосбора и длины), но, прежде всего, в более тесной зависимости ее водного и гидрохимического режимов от физико-географических условий той или иной природной зоны, в которой расположен ее водосбор. Особенности взаимодействия в различных природных зонах процессов гидрологического цикла с рельефом, почвой, растительным покровом, животным миром, микроорганизмами и другими компонентами геосистем, слагающих водосборы малых рек, в сочетании с воздействием антропогенных нагрузок обусловливают специфику характеристик их водных, хемогенных и биогенных потоков. В то же время под влиянием местных факторов гидрологический режим и качество воды некоторых малых рек могут быть не характерны для данной природной зоны (например, карст).

Другой важной отличительной чертой малой реки является неполное дренирование подземных вод, что является одной из причин более тесной зависимости ее гидроэкологического состояния от степени освоенности водосбора и особенностей формирования на его территории гидрологических и других обусловленными ими процессов горизонтального перемещения вещества и энергии, в первую очередь поверхностного склонового стока. Гидрологический режим более крупных рек, дренирующих различные водоносные горизонты, в большей мере зависит от зональных условий изменения теплового и водного балансов их водосборов, в отличие от малых рек, на водосборы которых помимо зональных условий большое влияние оказывают местные факторы формирования стока и антропогенные нагрузки.

Еще одним важным отличием малых от средних и крупных рек является степень их изученности. Более крупные реки достаточно хорошо освещены данными гидрометрических наблюдений и водохозяйственной статистики. Для большинства малых рек такая информация отсутствует. Поэтому анализ гидроэкологического состояния малых равнинных рек и эффективности мероприятий по улучшению их водного режима и качества воды основан на использовании материалов многолетних наблюдений на воднобалансовых станциях (ВБС) и стационарах, расположенных на типичных для данной природной зоны малых водосборах, на реках — аналогах, а также картах различных гидролого-гидрохимических характеристик этих рек.

1.2 Малые равнинные реки в системе природных и хозяйственных связей и их основные проблемы

Изменения гидроэкологического состояния малых равнинных рек происходят под влиянием комплекса факторов естественного и антропогенного происхождения. Среди факторов естественного происхождения особо важную роль играют климатические, которые имеют циклический характер, выражающийся в сезонных и межгодовых колебаниях, в соответствии с законом географической зональности. Антропогенные изменения этих рек обусловлены хозяйственной деятельностью человека, как на водосборах, так и в руслах самих рек. Эти изменения могут быть не менее важны, чем климатические в связи с ярко выраженной зависимостью формирования стока и потоков других субстанций от ландшафтных условий и степени трансформации их водосборов [В.И. Данилов — Данильян и др., 2006].

Антропогенные нагрузки на малые и более крупные равнинные реки в целом определяются примерно одними и теми же видами воздействий на водосборы и источниками загрязнения водных ресурсов. Различия заключаются в интенсивности прямых и косвенных антропогенных воздействий на водосборы и масштабах изменения водных ресурсов этих водотоков. Водные ресурсы малых равнинных рек используются водопотребителями и водопользователями с обычно небольшими объемами производства, а на их водосборах выше доля косвенных нагрузок от сельского и лесного хозяйства, а также рекреации. Однако, учитывая высокую чувствительность и быструю реакцию этих рек на изменения антропогенных нагрузок, их суммарное влияние может быть очень велико и приводить к существенному ухудшению гидроэкологического состояния не только самих малых равнинных рек, но и в зонах их впадения в более крупные реки и водоемы.

Читайте также:  Река грушевка в новочеркасске

Так же как и естественные факторы, вид и интенсивность антропогенных воздействий на водные ресурсы и гидроэкологическое состояние малых равнинных рек, зависят от зональности природной среды [Н.И. Коронкевич, 1972; И.С. Зайцева, 1981]. Все виды этих воздействий на эти реки и их водосборы можно разделить на две группы: общие, присущие всем природным зонам, и характерные только для каждой из этих зон. В работе дана характеристика влияния различных видов антропогенных воздействий на гидроэкологическое состояние малых равнинных рек.

1.3 Прямые и косвенные антропогенные нагрузки на водные ресурсы и водосборы малых равнинных рек

На примере р. Волги проведен анализ динамики водопотребления и водоотведения в малые реки ее бассейна и изменения таких косвенных антропогенных нагрузок как площадь пашни, дозы внесения минеральных и органических удобрений, урожайности сельскохозяйственных культур в постсоветский период. В течение этого периода произошло резкое уменьшение антропогенных нагрузок на водосборы и водные ресурсы, однако это не привело к адекватному улучшению качества воды и гидроэкологического состояния малых равнинных рек. Одной из важных причин неадекватной их реакции на снижение антропогенных нагрузок являлся поступление в реки значительного объема загрязняющих веществ, накопленных ранее в почве водосборов в результате неоптимального использования удобрений [Н.И. Алексеевский и др., 2000]. При анализе данных о прямых антропогенных нагрузках учтено, что водопотребление из них составляет 34%, а водоотведение — 46% от объемов забора свежей воды и сброса сточных вод во всем бассейне, соответственно [Малые реки Волжского бассейна, 1998]. Показана роль динамки косвенных антропогенных нагрузок в изменениях элементов водного баланса водосборов малых равнинных рек.

В целом современное состояние проблемы малых равнинных рек можно оценить как весьма неблагоприятное. Определенные перспективы ее решения связаны с новым Водным Кодексом РФ (2006 г.), в частности, на разработке предусмотренных законом схемах комплексного использования и охраны водных объектов, обязательных для органов государственной власти и местного самоуправления. При разработке таких схем для конкретного речного бассейна специфика малых рек может быть учтена путем определения приоритетов в осуществлении водоохранных мероприятий. Значительные возможности в улучшении гидроэкологического состояния малых равнинных рек во всех природных зонах имеет воссоздание малой гидроэнергетики, которая рассматривается не только как дополнение к действующим энергосистемам, но и способную обеспечить решение ряда экологических проблем этих рек и других социально-экономических вопросов жизнеобеспечения населения и развития отраслей хозяйства [Л.К. Малик, 2005].

В работе сформулированы предложения по организации исследований, призванных обеспечить научное обоснование решения проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек и других наиболее актуальных вопросов этой проблемы.

Глава 2. Поверхностный весенний склоновый сток и его роль в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек

Одним из важнейших гидрологических процессов, обеспечивающих тесную связь водосбора и малой реки, является поверхностный склоновый сток, особенно в период весеннего снеготаяния (ПВСС), играющего определяющую роль в формирования гидрологического режима рек на территории Русской равнины. Различные вопросы формирования ПВСС и его вклада в возникновение эрозии почвы исследовались в работах Н.И. Алексеевского, А.Т. Барабанова, Н.Н. Бобровицкой, Ю.В. Бондаренко Г.Г. Борисовой, В.Е. Водогрецкого, В.П. Герасименко, А.М. Грина, В.С. Дыгало, В.В. Демидова, С.А. Кондратьева, В.И. Корзуна, Н.И. Коронкевича, М.С. Кузнецова, М.В. Кумани, Г.А. Ларионова, Л.Ф. Литвина, М.И. Львовича, В.М. Мишона, Г.В. Назарова, А.И. Субботина, Г.П. Сурмача, Ю.П. Сухановского, Е.П. Чернышова, Р.С. Чалова, и других исследователей.

В работе рассмотрены вопросы терминологии и генезиса этого процесса, основные влияющие на него природные и антропогенные факторы, масштабы пространственно-временных изменений его характеристик, приведен обзор методов его изучения и расчета — экспериментальные стационарные и полустационарные полевые наблюдения на воднобалансовых станциях, в первую очередь на стоковых площадках и малых логах, картографирования, математического моделирования [Н.И. Коронкевич, 1990; А.Т. Барабанов, 1993; В.П. Герасименко,1993; Л.С. Кучмент и др, 1983; С.А. Кондратьев, 1990; Е.М. Гусев, 1993].

В практических расчетах широко используются физически обоснованные зависимости среднего многолетнего ПВСС от среднего многолетнего весеннего речного стока, полученные в Институте географии РАН при разработке метода элементной дифференциации водного баланса территории Русской равнины [Н.И. Коронкевич, 1973; Н.И. Коронкевич, 1990, Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов, 1993]. Такие зависимости получены для основных видов подстилающей поверхности на водосборах к моменту установления снежного покрова: зяби, уплотненной к осени почве и леса. В группу подстилающей поверхности с уплотненной почвой включались такие разные типы поверхности, как многолетние травы, озимые, пастбища, залежь, стерня, однако, обладающие сходным типом режима ПВСС [Н.И. Коронкевич, 1990]. При построении таких зависимостей использовались данные экспериментальных наблюдений только до 1970 года, и вопрос об их неизменности во времени оставался неизученным.

В этой связи в работе исследовался вопрос об устойчивости зависимостей Увс = f (Урс) во времени. Для этого имеющие ряды данных о ПВСС и среднемноголетних величинах речного стока весеннего половодья были продлены до 1988 для 15 воднобалансовых станций (ВБС) различной ведомственной принадлежности, расположенных на территории Русской равнины. Результаты обобщения этих данных приведены на рис. 1.

Рис. 1. 1 — зябь (до 1970), 2 — уплотненная почва (до 1970), 3 — зябь — объединенный ряд, 4 — уплотненная почва — объединенный ряд, 5 — зябь — зависимость до 1970 г., 6 -уплотненная почва — зависимость до 1970 г., 7 — зябь Yвс = f (Yрс) — для объединенного ряда, 8 — уплотненная почва; Yвс = f(Yрс) для объединенного ряда

Сопоставление зависимостей Увс = f (Урс) показывает, что для зяби они полностью совпадают, а для площадок с уплотненной почвой отклонение между ними довольно существенны. Это объясняется дифференциацией условий формирования ПВСС внутри группы, объединенной понятием, как «поля с уплотненной» к весне почвой. Практически полное совпадение зависимостей Увс = f (Урс) для зяби и общая их форма за разные периоды наблюдений для площадок с уплотненной почвой позволяет сделать вывод об их устойчивости во времени.

Для использования в практических приложениях эмпирические зависимости Увс = f (Урс) этих объединенных рядов были аппроксимированы степенными функциями:

Yвсз = 0,07 x Yрс. 1,47 R 2 = 0.76 (1),

Для угодий с уплотненной почвой:

Yвс уп. = 7,23 x Yрс 0,53 R 2 = 0.48 (2),

Для леса, в связи с отсутствием новых данных использовалась информация, полученная до 1970 г. [Н.И. Коронкевич, 1992]:

Yвсл. = 10 -4 9.0 Yр. 2.22 R 2 = 0.56 (3),

где — коэффициент детерминированности.

Объем и гидрограф ПВСС — основные характеристики этого процесса, обусловливающие один из важных факторов гидроэкологического состояния малых рек — их водоносность. Вклад ПВСС в формировании годового и весеннего стока на примере бассейна р. Волги, который расположен на большей части Русской равнины, показан в табл. 1.

Структура речного стока в бассейне Волги [по Н.И. Коронкевичу, С.В. Ясинскому и др, 1996]

Составляющие речного стока

Полный речной сток

Поверхностная составляющая стока

Подземная составляющая стока

Сток по поверхности почвы

В том числе со склонов

С площади гидрографической сети

Сток инфильтрационного происхождения

Из приведенных данных видно, что поверхностным путем стекает примерно 20% годового стока Волги, практически только в весенний период со склонов. Вместе со стоком верховодки, который быстро улавливается первичной гидрографической сетью и включается в поверхностную составляющую, со склонов стекает 36% годового и более половины весеннего стока Волги. В разных природных зонах роль ПВСС в формировании водности малых рек меняется. В лесной зоне по сравнению с другими природными зонами выше увлажнение территории и доля стока инфильтрационного происхождения, обусловленная высокими инфильтрационными свойствами почв под лесом, способствующими формированию устойчивого подземного стока и стока верховодки. В лесостепной и степной зонах снижаются общая увлажненность территории и все виды стока, но увеличивается доля стока по поверхности почвы в годовом и весеннем речном стоке. Для лесостепи она составляет около 60-70%, в том числе со склонов — 30-40%, в степной зоне — 80-90%, в том числе со склонов 40-45%.

Другим важным фактором гидроэкологического состояния малых равнинных рек является качество их водных ресурсов, в формировании которого велика роль ПВСС, как основного процесса, обеспечивающего значительное поступление с жидким и твердым стоком в русла этих рек разнообразных загрязняющих веществ, в том числе ядохимикатов и радионуклидов. На пути от водосбора до русла происходит трансформация характеристик жидкого и твердого стока и содержащихся в них загрязняющих веществ. Если объем жидкого стока, сформированный на склонах, на этом пути увеличивается за счет поступления талых вод из гидрографической сети, то значительная часть твердого стока отлагается в ее нижних частях, в задернованных оврагах и балках, на поймах малых рек. По существующим оценкам только 10-20% продуктов эрозии почвы на малых водосборах достигает русла рек. При этом в многоводные годы полной промывки отложенного твердого материала не происходит. В маловодные годы мощность слоя этих отложений увеличивается. В результате во многих балках лесостепной зоны мощность балочного аллювия достигает в среднем 0.5-3.5 м, [Р.С. Чалов, А.В. Чернов, 1994]. В степной зоне толщина этих отложений достигает уже 8-10 м. Они заполняют все отвершки гидрографической сети, в том числе и устья боковых оврагов [Е.П. Чернышев, Н.А. Барымова, 1992]. Несмотря на аккумуляцию в начальных звеньях гидрографической сети значительного объема выносимого со склонов материала, не менее 1/3 всего объема загрязняющих веществ выносится в реки стоком с водосборов [Гос. доклад…, 1993]. Снижение водности, загрязнение водных ресурсов и заиление русел, ведущим фактором возникновения которых является формирование ПВСС — наиболее актуальные проблемы современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.

Глава 3. Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Неудовлетворительное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек, вызванное, в том числе, влиянием поверхностного склонового стока и обусловленных им гидролого-геохимическими процессами вызывает необходимость разработки и внедрения экологически безопасных и экономически выгодных технологий по улучшению гидрологического режима их водосборов. Наиболее эффективна организация мероприятий по применению таких технологий на геосистемной основе. Сущность геосистемной концепции заключается в представлении территории водосборов малых равнинных рек как природно-антропогенных геосистем локального уровня [Л.И. Мухина,1986]. В настоящее время они представляет собой мозаику, сложенную из набора элементарных природно-антропогенных геосистем: городов, поселков, деревень, сельскохозяйственных полей, лесов, болот и других. Основу этих геосистем составляет природный комплекс, трансформированный той или иной деятельностью человека. От степени трансформации этих геосистем зависит объем, интенсивность, качественный состав поверхностного и подземного стока, который через элементарную гидрографическую сеть поступает в малую равнинную реку. Именно все усиливающееся отклонение элементарных природно-антропогенных геосистем в речных бассейнах от своей естественной составляющей обусловило возникновение и необходимость решения “проблемы малых равнинных рек”.

Представление о водосборах малых равнинных реках как о природно-антропогенных геосистемах локального уровня позволяет осуществлять целенаправленные адаптивные мероприятия по улучшению их гидрологического режима [С.А. Пегов, П.М. Хомяков, 1991]. Сущность этих мероприятий основана на постоянном учете и согласовании природной и антропогенной составляющих геосистем, позволяющим оптимизировать их функционирование как целостных, саморегулирующихся систем.

Цель экологически безопасного улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек заключается в проведении на их территории комплекса природоохранных мероприятий, обеспечивающих оптимальное функционирование наземных геосистем, снижение интенсивности или ликвидация ряда негативных процессов и достижения за счет этого существенного улучшения водного режима и качества воды.

Достижение этой цели должно основываться на профилактическом принципе, согласно которому необходимо, прежде всего, не допускать и устранять причины возникновения и развития негативных процессов на водосборах и в речной сети малых рек, а не бороться с их последствиями. В каждом конкретном случае выбор методов будет зависеть от места расположения малого водосбора, интенсивности протекающих процессов, степени его трансформации под влиянием антропогенной деятельности. В большинстве случаев природно-антропогенные геосистемы малых равнинных рек характеризуются преобладанием природной составляющей, в отличие от крупных рек, в долинах которых расположены большие города и мощные промышленные предприятия. Основными видами хозяйственной деятельности на их водосборах являются сельское и лесное хозяйства. Часто эти виды хозяйственной деятельности рассматривают как одно сельскохозяйственное производство [Н.А. Воронков, 1989]. К этим видам хозяйственной деятельности нужно добавить жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) сельских населенных пунктов и рекреацию, которые раньше учитывались недостаточно.

Арсенал методов по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек достаточно велик. Они могут иметь чисто технологический характер: сооружение и правильная эксплуатация очистных сооружений для объектов сельского ЖКХ и рекреации, создание простейших противоэрозионных гидротехнических сооружений (валы — террасы и др.), воссоздание малых ГЭС, совершенствование и реконструкция мелиоративных систем, расчистка русел малых рек и др.

Другим важным комплексом этих методов является оптимизация ландшафтной структуры их территории в сочетании с применением современных почвозащитных и противоэрозионных агротехнологий. Под оптимизацией ландшафтной структуры понимается научно-обоснованное размещение на данной территории природно-антропогенных геосистем с различным функциональным назначением и режимом использования [А.Г. Исаченко, 1980]. Она предусматривает рациональное размещение на малых равнинных водосборах естественных и культурных угодий — лесных массивов, сельскохозяйственных полей, садовых и кустарниковых насаждений, лугов с естественной и культурной растительностью, водоемов и болот, а также искусственной инфраструктуры, обеспечивающей жизнедеятельность человека. К основным научным задачам оптимизации ландшафтной структуры водосборов относится обоснование размеров площадей и конфигурации этих природно-антропогенных геосистем, а также их взаимной расположенности на малом водосборе и оценка резко выраженных конфликтных ситуаций, например, между животноводческими фермами и водными объектами, различными коммуникациями и лесными насаждениями [В.М. Яцухно А.С. Помелов, 1990]. Наиболее перспективным направлением решения задач оптимизации структуры ландшафтов в улучшении гидроэкологического состояния водных ресурсов малых равнинных рек является совместное использование методов моделирования гидролого-геохимических процессов, формирующихся на их водосборах и ГИС — технологий. С использованием ГИС — технологий задаются несколько вариантов конфигурации и размещения на водосборе набора природно-антропогенных геосистем и для каждого из них производится расчет потоков исследуемых субстанций, поступающих и трансформирующихся в речной сети или в водном объекте, с использованием того или иного вида моделей. Выбор оптимального варианта пространственной структуры ландшафта может быть сделан при достижении рассчитанных характеристик, которые используются для оценки гидроэкологического состояния водных ресурсов их пороговых значений — критериев.

В научной и практической деятельности эти критерии относятся к трем основным группам. В первую группу входят экологические критерии. Как правило, они представляют собой заданные пороговые значения натуральных показателей того или иного процесса или явления, например, предельно допустимые концентрации элемента в воде (ПДК). Критерии ПДК для биогенных элементов использованы в работе при оценке качества воды р. Истры в период весеннего половодья (глава 6). Вторая группа критериев — экономические критерии. В основу этих критериев положен принцип минимизации затрат или максимума дохода при достижении запланированного результата, например, нормативного качества воды. Однако, как отмечают Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов (1993 г.), наиболее перспективно использование эколого-экономических критериев. Их необходимо применять при рассмотрении различных вариантов проведения водоохранных мероприятий, где на каждом этапе их проведения применяются сначала экологические критерии, а оптимальные варианты оцениваются по экономическим критериям. Именно эти критерии наиболее полно отвечают сущности адаптивного природопользования, при котором вся процедура принятия решений о проведении тех или иных мероприятий на водосборах включает в себя несколько этапов рассмотрения. Реализация изложенного выше подхода к оптимизации ландшафтной структуры водосборов сопряжена со значительными трудностями методического, технического и информационного характера. Поэтому и его практическое применение ограничено весьма немногочисленными примерами, показанными, например, в [Имитационное моделирование…, 1989; Н.А. Назаров, 1996].

На данном же этапе развития методов улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек практическое применение геосистемной концепции рекомендуется осуществляться в следующей последовательности:

1. Дается общая характеристика природных условий и хозяйственной деятельности в рассматриваемом бассейне малой реки;

2. Проводится оценка региональных изменений характеристик климата и реакции на них гидрологических процессов, формирующихся на этом водосборе (ПВСС, местного речного стока и др.);

3. Осуществляется геоэкологическое районирование водосбора по видам антропогенных воздействий, по степени экологической опасности, по интенсивности диффузного загрязнения;

4. Производится выбор малого водосбора, находящегося в «критическом» экологическом состоянии и определяется набор методов улучшения его гидрологического режима.

5. Для агросистем этого водосбора определяются вид и параметры различных агротехнологий, дается оценка гидрологической эффективности их применения по снижению ПВСС и изменению структуры водного баланса водосборов;

6. С использованием экологических критериев производится оценка гидрологической эффективности улучшения водного режима и качества воды малой реки «критического» водосбора;

7. Рассматриваются варианты применения различных методов улучшения гидрологического режима «критического» водосбора и осуществляется выбор оптимального варианта с использованием экономических критериев.

8. Даются оценки гидрологической эффективности применения комплекса мелиоративных мероприятий, разработанных для «критического» водосбора, по улучшению гидроэкологического состояния основной реки, структурным элементом которой он является.

Оценивая в целом состояние проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек необходимо отметить, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в решении ее основных наиболее актуальных вопросов, многие из них требуют своего дальнейшего более глубокого анализа. Проведение такого анализа возможно только на основе выявления новых закономерностей протекания как гидрологических, так и других природных и социально-экономических процессов, обусловливающих функционирование природно-антропогенных геосистем различных пространственных масштабов. Важным моментом такого анализа является разработка и использование моделей и методов, позволяющих все более адекватно описывать и прогнозировать наблюдаемые в реальности динамику и развитие этих процессов и самих природно-антропогенных геосистем водосборов малых равнинных рек.

Глава 4. Реакция гидрологических процессов, формирующихся на водосборах и речного стока малых равнинных рек на изменения регионального климата и хозяйственной деятельности

Одной из актуальных проблем современности, затрагивающей жизненно важные интересы всего человечества, является проблема глобальных изменений климата. Исследованию различных аспектов этой проблемы посвящено множество работ, выполненных в разных странах мира, которые в значительной степени обобщенны в трудах М.И. Будыко, Г.С. Голицина, Ю.А. Израэля, К.Я. Кондратьева, В.М. Котлякова и других исследователей, а также в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, IPCC) [Ю.А. Израэль и др., 2007].

Глобальные изменения климата неизбежно приводят к трансформации естественного хода многих природных процессов и изменениям во всех компонентах биосферы на глобальном, региональном и локальном уровнях [С.Г. Добровольский, 2002]. Оценка экологических, экономических и социальных последствий изменения климата является важным направлением исследований этой проблемы [Материалы Конференции по климату, 2004].

В диссертации приведен обзор основных работ, выполненных в рамках этого направления. Отмечено, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в исследовании реакции различных природных процессов и социально-экономических систем на колебания климата, малоизученным остается вопрос о влиянии этих изменений на ПВСС и речной сток малых равнинных рек и на факторы, определяющие условия формирования этих процессов и характеризующие гидротермическое состояние водосборов на начало снеготаяния (максимальные снегозапасы, влажность почвы, глубина ее промерзания). В тоже время его решение очень важно для выявления тенденций изменения водного режима водных объектов и территорий, а также разработки и осуществления адаптационных мероприятий [И.А. Шикломанов, В.А. Георгиевский, 2002]. Как отмечалось ранее (глава 1), на ПВСС и обусловленный им годовой и весенний речной сток малых рек помимо колебаний регионального климата существенное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека. Поэтому многолетние колебания этих гидрологических процессов необходимо рассматривать как результат их совместного влияния.

Читайте также:  Угрюм река сцена в бане полная версия

4.1 Основные задачи и исходные данные

Оценка реакции межгодовой изменчивости рассматриваемых гидрологических процессов на соответствующие колебания характеристик регионального климата в данной работе основана на решении нескольких частных задач с использованием различных статистических методов анализа временных рядов [А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев, 1974; В.М. Евстигнеев, 1990].

Такими задачами являлись:

1. Оценка репрезентативности данных наблюдений о многолетней и годовой изменчивости характеристик климата на опорных метеостанциях для других территорий в пределах рассматриваемых природных зон;

2. Оценка вклада изменчивости показателей климата в теплые (апрель-октябрь) и холодные (ноябрь — март) сезоны года в формирование многолетней изменчивости их средних годовых величин;

3. Выявление закономерностей в многолетних колебаниях средних годовых значений показателей климата, факторов гидротермического состояния водосборов, ПВСС и речного стока малых равнинных рек;

4. Оценка однородности рядов наблюдений;

5. Оценка времени запаздывания в наступлении маловодных и многоводных фаз в многолетних колебаниях гидрологических процессов на водосборах и речного малых равнинных рек по отношению к соответствующим многолетним колебаниям характеристик климата.

Исходными данными являлись длительные ряды ПВСС и факторов гидротермического состояния для экспериментальных водосборов трех опорных БВС (более 40 лет), средних месячных величин температуры воздуха и сумм осадков, годового стока на ближайших к ним метеостанциях и в замыкающих створах малых рек, расположенных в южной части лесной, лесостепной и степной зонах Русской равнины (от 60 до 75 лет). Ими являлись: лога «Лесной» и «Полевой» воднобалансового стационара «Малая Истра», м/с «Новый Иерусалим», р. Истра — п. Павловская Слобода; лог «Малютка» Нижнедевицкой ВБС с одноименной м/c, р. Хопер — п. Новохоперск; стоковые площадки с разным видом подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) Волгоградского стационара Всероссийского НИИ агролесомелиорации РАСХН (ВНИАЛМИ), м/c «Волгоград — СХИ», и р. Иловля — п. Александровка, соответственно. Особенностью использованных данных являлось то, что они охватывали современный период, вплоть до 2000-2004 годов. При этом исходили из того, что ПВСС, формирующийся в логах, включает в себя также сток верховодки и внутрипочвенный сток, доля которых в отдельные годы в его общем объеме может составлять 10-20%.

Для восстановления пропущенных данных о значениях факторов формирования ПВСС и речного стока использованы приведенные в работе уравнения регрессии между этими факторами и различными гидрометеорологическими характеристиками в зимние сезоны, коэффициент корреляции между которыми r > 0,4.

4.2 Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах природных зон

В работе рассматривается возможность распространения многолетних метеорологических данных наблюдений на опорных метеостанциях для территорий других регионов в пределах рассматриваемых природных зон.

В табл. 2 приведены осредненные величины средних многолетних характеристик показателей климата и их пространственной изменчивости, рассчитанные по данным для субъектов РФ и сопредельных государств (Белоруссия, Украина, страны Балтии), агрегированных по рассматриваемым природным зонам [Научно-прикладной справочник…, 1989].

Результаты расчетов показывают, что пространственная изменчивость средних многолетних годовых осадков и средней многолетней годовой температуры воздуха в каждой из природных зон в целом невелика. Это позволяет считать, что закономерности их многолетних изменений, полученные для рассматриваемых опорных метеостанций, могут быть распространены на территории других регионов, расположенных в пределах одной и той же природной зоны.

Характеристики пространственной изменчивости средних многолетних значений показателей климата на территории Русской равнины

Источник

Ландшафтно-гидрологические исследования на малых водосборах

Географо-гидрологические исследования уже много лет осуществляются как в рамках гидрологии, так и в рамках комплексной географии и ландшафтоведе- ния. Накоплен значительный фактический материал, имеются теоретические обобщения, но разделение научных дисциплин мешает развитию исследований в этой области. К.Н. Дьяконов, опираясь на основное методологическое противоречие объекта ландшафтоведения — противоречие между косной и живой средой, считает необходимым в рамках космических циклов четко обозначить интегральные индицирующие показатели: 1) сток; 2) вынос вещества; 3) структура природно-территориального комплекса (ПТК), которые реально отражают динамику процессов, состояние и функционирование ПТК, в том числе бассейнов малых рек [93, 113].

Системный подход в ландшафтной гидрологии [157, 317]. Последние десятилетия ландшафтную гидрологию, как пограничную дисциплину между гидрологией и ландшафтоведением, пронизали системные идеи, требующие обсуждения. При этом сохраняется неупорядоченность и противоречивость взглядов научных школ, отсутствие в работах четких количественных (или однозначных качественных) показателей ландшафта, характеризующих сток. Это может быть связано со становлением новой научной дисциплины — ландшафтной гидрологии.

Географо-гидрологический метод [270] имеет глубокие исторические корни и широко представлен работами гидрологов Европейской России и сибирской школы профессора B.C. Мезенцева. Ландшафтно-гидрологическое направление, интенсивно развиваемое в Институте географии СО РАН, можно считать ведущим в России. Об этом свидетельствуют публикации [5, 142, 307].

Одним из основополагающих понятий ландшафтной гидрологии является ландшафтно-гидрологическая система (ЛГС) или ландшафтно-гидрологический комплекс (ЛГК), под которым по А.Н. Антипову: «. следует понимать часть земной поверхности, где взаимодействие гидрологических процессов и природных структур обладает локализованно специфичными, предопределенными одним или рядом географических факторов закономерностями» [5, с. 11]. Однако один и тот же ПТК может играть различную стокообразующую роль и не только от года к году, но и ежедневно, т. е. быть переменным. Примером таких ПТК с переменной ролью могут служить микрозападины на водосборе малых рек юга Западной Сибири. Анализ крупномасштабного картографического материала, экспедиционные исследования позволяют сформулировать понятие ЛГК применительно к ландшафтной гидрологии — это близкий по условиям формирования стока набор природно-территориальных комплексов, меняющийся от года к году или ото дня ко дню, т. е. ЛГК не есть что-то застывшее — его площадь непрерывно меняется. ЛГК — набор ПТК, имеющих в конкретный период времени близкое состояние по отношению к стоку (например, близкие емкостные особенности за период половодья). ПТК лишь косвенно характеризует площади на водосборе с близкими емкостными особенностями, поэтому для точной оценки площади ЛГК необходимы экспериментальные наблюдения в каждом малом бассейне. Однако в большинстве случаев ЛГК формируются из набора ПТК.

Другим, не менее важным, в ландшафтной гидрологии является понятие «ландшафтный подход в гидрологии», которое, характеризует применение ландшафтной информации в гидрологии [246].

Третьим основополагающим понятием ландшафтной гидрологии является «ландшафтно-гидрологический анализ». А.Н. Антипов [5] считает, что ландшафтно-гидрологический анализ направлен на изучение закономерностей взаимодействия гидрологических процессов и природных структур в двух аспектах: формирование процессов в различных природных комплексах и структурообразующие функции водных объектов. Действительно термин «ландшафтно-гидрологический анализ» имеет два аспекта: ландшафтный и водный. В течение ряда десятилетий гидрологи в той или иной мере анализируют ландшафтные особенности [187, 305, 308, 309]. Естественно, что мера привлечения ландшафтной информации зависит от характера гидрологических исследований (целей и методов), поэтому она изменяется от вида работ. Можно считать, что использование ландшафтно-гидрологического анализа — это стратегия получения новых совместных знаний о ландшафтах и водах. В отличие от ландшафтного подхода привлекаются как ландшафтные, так и гидрологические сведения.

Синтез ландшафтных и гидрологических показателей осуществляется на бассейновом уровне, когда необходимо использовать первые для уточнения расчета последних или оценить распределение JIFK в бассейне [45]. Ландшафтно-гидрологический синтез — это объединение ландшафтных и гидрологических показателей в некоторые целостные объекты — состояния (определенные пространственно-временные структуры, имеющие свои особенности функционирования). Смены состояний ПТК на локальном и региональном уровнях следует отличать от смены литогенной основы, биоты, почвы.

В физико-географических исследованиях показания массоэнергообмена используются, главным образом, при описании функционирования ландшафтных систем [32 — 34]. Связям между геометрией и режимными характеристиками систем уделяется сравнительно мало внимания. Лучшим количественным критерием устойчивости ландшафтов является время возврата системы в исходное состояние.

Оценка ландшафтных систем возможна в разных условиях, но в балансовых исследованиях, особенно при расчете и прогнозе стока, она приемлема на начальном и заключительном этапах работ по использованию ландшафтной информации [267, 368]. Это позволяет наметить направление и исключить неоправданные (но иногда подтверждаемые расчетом) заключения. В гидрологических водно-балансовых исследованиях наиболее характерным критерием определения равновесия служит коэффициент стока. В бессточных районах его величина незначительна, поэтому ПТК, слагающие такие водосборы, очень ранимы. Количественные значения коэффициента стока косвенно определяют степень их равновесия и устойчивости.

Решение ландшафтно-гидрологических проблем сталкивается с недостаточной теоретической разработкой многих понятий: анализ, синтез, устойчивость, равновесие, состояние, граница, активность и др. Ландшафтногидрологический анализ и синтез на локальном уровне позволяют выделять типы ПТК, имеющие различную активность по отношению к стоку. Это дает возможность с определенной степенью точности определять действующую площадь на водосборах, где топографическая площадь — переменная во времени величина (бессточные площади бассейна р. Обь). Определение меры активности в ландшафтоведении позволяет перейти к ее практическому применению в гидрологии, прежде всего, для унифицирования использования ландшафтной информации и ряда практических целей (расчета и прогноза стока, ландшафтно-гидрологического районирования и картографирования, экологического мониторинга вод, оптимизации природопользования на водосборах и т. п.) [317].

  1. C. Преображенский [246, с. 76] высказал положения, важные для понимания рассматриваемой проблемы: «История становления ландшафтоведения как науки свидетельствует о том, что применение даже самых общих, чрезвычайно размытых, далеко не оформленных представлений о ландшафтах в ряде отраслей науки зафиксировано почти одновременно, если не ранее, чем признание ландшафта предметом географического исследования». По мнению

В.Н. Солнцева: «. любое подлинно комплексное исследование взаимодействия природы и общества, вне зависимости от профессиональной принадлежности его исполнителей, было, есть и будет ландшафтным исследованием» [298, с. 40].

Следуя представлениям B.C. Преображенского, ландшафтным подходом в гидрологии является применение ландшафтной информации в гидрологическом анализе. Предложенная трактовка понятия и сути ландшафтного подхода, а также отсутствие работ с применением этого понятия в гидрологии, позволяют, опираясь на исследования, сформулировать, что ландшафтный подход в гидрологии включает в себя: во-первых, частные методы анализа и обобщения географических данных, во-вторых, дополнительное использование ландшафтной информации для решения следующих взаимосвязанных задач:

  1. определение ландшафтной структуры водосборов как основы для индикации процессов, формирующих сток или величин стока (в данной работе — это оценка действующих площадей по ландшафтной структуре водосборов);
  2. проведение гидрологически значимых границ ландшафтов. Включает в себя, помимо методики ландшафтного картографирования и оценки динамики границ, анализ принципов определения гидрологической значимости;
  3. разработка и применение конкретных моделей расчета и прогноза стока.

Среди множества взаимосвязанных процессов, происходящих в ландшафте, гидрология высвечивает только определенную их часть, связанную с формированием стока. Объекты такого исследования названы Ю.Б. Виноградовым стокоформирующими комплексами (СФК). СФК — отдельные участки земной поверхности, в пределах которых процесс формирования стока представляется качественно единообразным, а их количественные характеристики могут быть осреднены. По нашему мнению, понятие СФК близко к понятию ЛГК, применяемому в Институте географии СО РАН. ЛГК — близкий по условиям формирования стока набор ПТК, меняющийся от года к году [141].

Под ПТК, согласно общепринятым нормам, понимается пространственно ограниченный набор компонентов, объединенный относительно тесным взаимодействием [227]. ПТК — элементарный ландшафт, соответствующий понятию фации или урочища в ландшафтоведении (например, неглубокие заболоченные западины междуречий с дернисто-осоковыми березняками и ивой на луговоболотных почвах). В понимании гидрологов такому ПТК соответствует понятие «колок», т. е. любой заболоченный колок на междуречье. Таким образом, любые ПТК в понимании ландшафтоведов можно легко интерпретировать в категориях гидрологии (например, балка, кювет, лесополоса и т. п.). При этом понятие МПТК» соответствует термину «элемент ландшафта», традиционно используемому в гидрологии.

Ландшафтно-гидрологическое районирование. В.Б. Сочава, А.А. Крауклис,

В.А. Снытко [301] определили районирование как пространственную классификацию природных условий. Любое районирование характеризуется целью, объектом, методом и масштабом исследований. Районирование — это важная в научном и прикладном отношении проблема. Физико-географическому районированию в стране за 80 лет посвящено свыше 1200 опубликованных работ. Существуют и опыты районирования, основанные на различных (нередко противоречивых) принципах и положениях.

Среди гидрологов распространено представление о том, что районирование является первой стадией географического обобщения при недостаточной гидрологической изученности той или иной территории. И, наоборот, районирование иногда рассматривается как более совершенный (по сравнению, например, с интерполяцией) способ обобщения гидрологических данных, которому должно быть отдано предпочтение на стадии более детального исследования при высокой степени гидрологической изученности [149].

Гидрологическое районирование является частным природным районированием. Наиболее известные работы по гидрологическому районированию в соответствии с основными классификационными признаками можно разделить на три группы:

  1. с преимущественным использованием физико-географических признаков — климата, рельефа, почв, растительности [278, 285];
  2. с преимущественным использованием гидрологических показателей [297, 320];
  3. с совместным использованием физико-географических признаков и гидрологических показателей [148, 292].

В итоге исследователями определен наиболее показательный, комплексный гидрологический признак для целей картографирования и районирования — сток. Это — среднегодовые характеристики стока, связанные с основными факторами его формирования: атмосферными осадками, испарением, подземным питанием. Первая из вышеперечисленных категорий работ — общегеографическая. Здесь гидрологическими являются только цели районирования. Объективно — это физико-географическое районирование. Работы второй категории по объекту и целям районирования — гидрологические. Их можно назвать работами по гидрологическому районированию. Далее рассмотрим работы третьей группы.

Кроме объекта и целей при анализе районирования следует учитывать ряд других требований, прежде всего — выбор методов районирования. Наиболее важные из них:

  1. метод сопряженного анализа компонентов;
  2. метод ведущего фактора;
  3. районирование на ландшафтно-типологической основе (под типологией понимается соединение в один ряд однородных территорий, иногда удаленных друг от друга, но в пределах картографируемого участка). От типологического следует отличать индивидуальное районирование, когда в один тип объединяются только смежные территории.

Метод сопряженного анализа компонентов убедительно реализован в комплексном подходе к гидрологическому районированию, разработанному П.С. Кузиным [148]. Суть районирования заключается в совместном (сопряженном) учете характеристик гидрологического режима и физико- географических особенностей. В практике такое районирование нашло широкое применение, особенно в мелком масштабе [6, 7, 149, 213]. Однако сочетание часто совершенно разнородных признаков в гидрологическом районировании (элементы водного баланса, водный и ледовый режим рек, компоненты природной среды) приводит на деле к проведению границ на основании учета одного или двух-трех основных показателей. В итоге работы получаем сетку контуров, проведенных в разных частях карты по различным признакам. Это не позволяет оценить точность границ, а самое главное — использовать схему районирования в практических целях, особенно — в крупном масштабе. Наиболее удачным среди такой категории работ может быть признано районирование, где районы выделяются по характеру зависимости стока от определяющих его факторов. В качестве примера можно использовать районирование Горного Алтая А.М. Комлевым, где гидрологические районы выделяются по виду зависимости стока от высоты местности. Такое районирование выигрывает в однозначности, но резко проигрывает в комплексности [129].

Метод ведущего фактора в гидрологическом районировании реализован благодаря бассейновому принципу, имеющему глубокие исторические корни. Отдавая должное бассейновому принципу районирования, необходимо отметить, что для бессточных площадей этот принцип в качестве единственного не подходит. На бессточных площадях величина малого бассейна есть переменная во времени величина.

Районирование с учетом ландшафтной типологии применяется, главным образом, для прикладных целей, на что указывает Д.Л. Арманд [14, 15].

С точки зрения дальнейшей разработки идей А.А. Соколова привлекают внимание работы А.И. Субботина, который продвинулся не просто в области внедрения ландшафтных поправок к величинам стока, но и в область использования ландшафтной информации в подготовке исходных данных для территориально общих моделей стока [307 — 309]. Однако вопросы, связанные с поэтапным (типологическим) районированием, остались незатронутыми. А.И. Субботин и коллектив авторов, работавших вместе с ним, не смогли оторваться от привычных многословных трактовок ландшафта, от использования в качестве поправки долей площади ландшафтов в бассейне [309, 310]. Следует отметить работу Н.К. Минина, В.И. Булатова, Д.А. Буракова, в которой, как и у А.И. Субботина, сток оценивается по ландшафтной структуре малых речных бассейнов [193].

В настоящее время считается бесспорным, что даже один элементарный ландшафт (ПТК) может играть разную гидрологическую роль, т. е. находиться в различных состояниях. Поэтому только в связи с развитием близких друг с другом понятий — ландшафтно-гидрологический комплекс и стокоформирующий комплекс — стало возможным оперировать площадями ПТК, объединенными по отношению к стоку. Имея такой поэтапно накопленный арсенал сведений, в бессточных районах юга Западной Сибири нам удалось связать площади ЛГК с величиной действующей площади водосбора. Решение этого вопроса максимально упрощается, когда удается разработать методику ландшафтно-гидрологического районирования, позволяющую на практике выделять ЛГК. Конечным продуктом прикладных исследований является карта районирования, отражающая именно те особенности территории, которые необходимо учитывать при ландшафтно-гидрологическом анализе [315, 317].

Ландшафтно-гидрологическое картографирование. В общем смысле под картографированием (термин, заменивший с 1966 г. «картирование” [314]) понимается процесс составления карт. Для этого в картографии существует целый ряд способов картографического изображения: способ изолинии, способы качественного и количественного фона, картограмм, картодиаграмм, локализованных диаграмм и др. Характеристика применения перечисленных способов в гидрологии приводиться в табл. 2.3

Способы картографического изображения в гидрологии

Источник



Геоэкологический анализ территории водосбора малой реки : на примере бассейна Угры Левин Алексей Валерьевич

Геоэкологический анализ территории водосбора малой реки : на примере бассейна Угры

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ‘, MOUSEOFF, FGCOLOR, ‘#FFFFCC’,BGCOLOR, ‘#393939’);» onMouseOut=»return nd();»> Диссертация, — 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат — бесплатно , доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Левин Алексей Валерьевич. Геоэкологический анализ территории водосбора малой реки : на примере бассейна Угры : диссертация . кандидата географических наук : 25.00.36 / Левин Алексей Валерьевич; [Место защиты: Моск. гос. обл. ун-т].- Москва, 2007.- 191 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-11/254

Введение к работе

Актуальность темы. В современный период переустройства общественных отношений существенное внимание уделяется выявлению путей устойчивого развития регионов России. В условиях значительного сокращения занятости населения следует обратить внимание на использование местных природных ресурсов. Именно к таким видам ресурсов, способным повысить устойчивость сельских и городских общностей населения, следует отнести природные ресурсы территорий в наименьшей степени модифицированных деятельностью человека Решение задач их охраны и рационального использования можно рассматривать как один из факторов социально-экономического роста на региональном уровне.

Однако для развития наиболее доходных статей рационального природопользования (например, рекреации), подходят совсем не все территории, что, не в последнюю очередь, связано с особенностями имеющегося природного потенциала Наиболее перспективны территории в наименьшей степени измененные человеком, как в частности, территория бассейна реки Угры в Смоленской области.

Природно-ресурсный потенциал бассейна реки Угры предоставляет значительные возможности, прежде всего для расширения сферы приложения труда в сельской местности и в малых городских поселениях Вопиющие факты нерегулируемого освоения территорий области, наиболее ценных для реализации программ рационального природопользования, давно сделало необходимым научную проработку и обеспечение реальной управляемости использования природных ресурсов

Читайте также:  Женщина бросилась в реку

Исходя из развития науки в целом, возрастания роли территорий с ненарушенными экосистемами, недостаточного количества исследований в данной области, есть все основания утверждать, что существует актуальная проблема в разработке теоретических основ и практических путей эколого-географическо-го анализа бассейна малой реки с ненарушенными экосистемами

Объект исследования — территория водосбора бассейна реки Угры в пределах Смоленской области Утра является притоком первого порядка реки Оки Длина реки около 400 км Из них 257 км приходится на Смоленскую область (так называемый верхний Угранский бассейн или бассейн верхнего течения реки Угры) и около 142 км — на Калужскую область. Площадь водосбора составляет 15700 км 2 , из которых 6070 приходится на территорию Смоленской области

В качестве предмета исследования выступает пространственный анализ геоэкологической ситуации на территории водосбора малой реки в целях рационального природопользования и устойчивого развития экосистем

Цель исследования заключается в геоэкологическом анализе, прогнозе развития и оценке основных компонентов природно-территориального комплекса

бассейна реки Угры и в поиске наиболее эффективных путей их использования в свете концепции устойчивого развития территории Задачи исследования:

произвести анализ размещения и развития основных компонентов при-родно-территориального комплекса бассейна реки Угры, выявить общие природные особенности региона,

дать качественный и количественный анализ современного экологического состояния территории бассейна реки Угры;

-дать прогноз дальнейшего использования природно-ресурсного потенциала территории бассейна реки Угры, обозначить основные проблемы и перспективы его оптимизации;

— разработать систему геоэкологического районирования территории
Угранского бассейна по степени антропогенной трансформации, обосно
вать необходимость дальнейшего изучения региона и мониторинговых ис
следований,

—разработать основные направления оптимизации использования территории для хозяйственно-рекреационных целей, показать возможности практического использования результатов исследования для решения вопросов обеспечения устойчивого развития в системе управления природопользованием

Научная новизна и теоретическая значимость данного исследования заключается в следующем

выполнен комплексный геоэкологический анализ природных и социально-экономических условий территории бассейна реки Угры в пределах Смоленской области -уникального природного комплекса средней полосы России

рассмотрено современное состояние природоохранной системы бассейна, обозначены пути и перспективы ее дальнейшего развития

впервые составлена карта антропогенной нагрузки на территорию водосбора реки Угры, исследовано современное состояние сети особо охраняемых природных территорий

впервые проведено районирования бассейна по величине антропогенной нагрузки на регион и проанализированы основные закономерности районооб-разования на примере бассейна верхнего течения Угры

на основе практического опыта автора разработана система наблюдательной сети комплексного экологического мониторинга

Практическая значимость состоит в возможном использовании материалов диссертации экологическими и природоохранными организациями при разработке и оптимизации конкретных экологических программ, как для изучаемого региона, так и для других регионов России, в том числе для совершенствования систем мониторинга территорий водосбора малых и средних рек Так, к примеру, система наблюдательной сети мониторинга водных объектов, разработанная автором исследования, предложена к рассмотрению Смоленскому терри-

ториальному центру государственного мониторинга геологической среды и водных объектов ТЦ «Геомониторинг-Смоленск»

Практическое значение результатов исследования определяется возможностью использования полученных сведений в природоохранной деятельности Материалы работы могут быть рекомендованы научно-исследовательским, проектным организациям для использования при планировке зон отдыха, оздоровлении среды посредством управления антропогенными нагрузками

Материалы диссертации использованы в учебном процессе в СмолГУ по курсам «Картография», «Геоинформатика», «Геоэкология и природопользование», «Экологическая экспертиза», при проведении учебных и научно-производственных полевых практик

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в форме докладов и выступления на научных конференциях, в том числе на 52 конференции молодых ученых (Смоленск, 2004), П Всероссийской научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс России состояние, проблемы, перспективы» (Пенза, 2004), V Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (Смоленск, 2006), П Международной научно-практической конференции «Идеи В В. Докучаева и современные подходы к изучению природной среды, решению региональных социально-экологических проблем» (Смоленск, 2006)

По теме диссертации опубликовано девять научных статей, из них две в научно-методическом издании из списка ВАК

Работа прошла успешную экспериментальную проверку в областных органах мониторинга окружающей среды, в частности ТЦ «Геомониторинг-Смоленск»

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, который насчитывает 165 наименований Общий объем работы составляет 183 страницы, включая 15 рисунков и 23 таблицы

Источник

Водосбор и бассейн реки. Морфометрические характеристики бассейна реки

Следует различать водосбор и бассейн реки. Водосбор реки – это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание . поскольку питание рек может быть поверхностным и подземным, различают поверхностный и подземный водосборы, которые могут не совпадать . Бассейн реки- это часть суши, включающая данную речную систему и ограниченная орографическим водоразделом.

Обычно водосбор и бассейн реки совпадают. Однако нередки случаи и их несовпадения. Так, если в пределах речного бассейна, в состав водосбора реки не входит. Такие случаи весьма характерны для засушливых районов с плоским рельефом.

Несовпадение границ бассейна, выделяемых по орографическому водоразделу, и границ водосбора может быть и в тех случаях, когда границы поверхностного и подземного водосборов не совпадают, т.е. когда часть подземного стока либо поступает из-за пределов данного бассейна, либо уходит за его пределы.

Бассейны (водосборы) рек, впадающих в один и тот же приемный водоем (озеро, море, океан), объединяются соответственно в бассейны( водосборы) озер, морей, океанов. Выделяют главный водораздел земного шара, который разделяет бассейны рек, впадающих в Тихий и Индийский океаны, с одной стороны, и бассейны рек, впадающих в Атлантический и Северный Ледовитый океаны — с другой. Кроме того, выделяют бессточные области земного шара, откуда находящиеся там реки не доносят воду до Мирового океана. К таким бессточным областям относятся, например, бассейны Каспийского и Аральского морей, включающие бассейны Волги, Урала, Терека, Куры, Амударьи, Сырдарьи.

Основными морфометрическими характеристиками речного бассейна служат : площадь бассейна F; длина бассейна Lб , обычно определяемая как прямая , соединяющая устье реки и точку на водоразделе, прилегающую к истоку реки; максимальная ширина бассейна Вбmax, которая определяется по прямой, нормальной к длине бассейна в наиболее широкой части; средняя ширина бассейна Вбср, вычисляемая по формуле: Вбср = F/ Lб

Длина водораздельной линии Lвдр.

Важной характеристикой бассейна служит распределение площади бассейна по высотам местности, представленное гипсографической кривой, показывающей, какая часть площади бассейна( в км2 или %) расположена выше любой заданной отметки местности.

С помощью гипсографической кривой можно рассчитать такую важную характеристику, как средняя высота бассейна. Для этого площадь фигуры F^, ограниченной гипсографической кривой и осями координат, делят на площадь бассейна F. Среднюю высоту бассейна можно определить и без гипсографической прямой по формуле: Hср=1/F (знак суммы n по i=1)Hi *fi,

Где Hi – средняя высота любых любых высотных интервалов в пределах бассейна, вычисляемая как среднее из отметок горизонталей(изогипс), ограничивающих эти интервалы; fi – площадь части бассейна между горизонталями; F – полная площадь бассейна; n – число высотных интервалов. Средний уклон поверхности бассейна определяют по формуле: iср =дельта H/F( знак суммы n-1 по i=1 ) *Li, где Li –длины горизонталей; дельта H – разность отметок смежных горизонталей( сечение рельефа); F – полная площадь бассейна; n – число высотных интервалов.

22. Река и речная сеть. Долина и русло реки. Совокупность водотоков (рек, ручьев, временных водотоков, ка­налов), водоемов (озер, водохранилищ) и особых водных объектов (болот, ледников) в пределах речного бассейна составляет гидрогра­фическую сеть бассейна. Совокупность естественных и искусствен­ных водотоков называют русловой сетью. Частью гидрографической (и русловой) сети является речная сеть. Речную систему составляют главная река, впадающая в при­емный водоем (океан, море, бессточное озеро), и все впадающие в нее притоки различного порядка. В качестве главной реки в разных случаях считают либо наиболее длинную реку в бассейне (Волга длиннее более полноводного притока Камы), либо наиболее много­водную реку (Миссисипи при слиянии с более длинной Миссури).

Длина реки L — это расстояние вдоль русла между истоком и устьем реки..Длины рек обычно определяют по крупномасштаб­ным картам или аэрофотоснимкам (расстояния измеряют по гео­метрической оси русла или фарватеру).

Исток — это место начала реки (выход из озера, болота, ледни­ка, родника и т. д.). Если река начинается в гористой местности там, где подземные воды выходят из-под скопления обломочного материала (осыпи), то это место и считают истоком. Откуда бы река ни вытекала, ее исток не может находиться на самом орогра­фическом водоразделе. Устье реки —это место впадения реки в море, озеро, другую реку. Иногда река заканчивается там, где прекращается речной сток из-за потерь на испарение и инфильтрацию или в результате полного разбора воды на орошение. Такое место иногда называют слепым устьем. Отношение длины участка реки Li, к длине прямой li, соединя­ющей концы этого участка, называется коэффициентом извилисто­сти реки на данном участке: Kизвi=Li/li .

Коэффициент извилистости на отдельных участках рек изменя­ется от 1 до 2—3, а иногда и больше. Поскольку на отдельных участках извилистость реки разная, общий коэффициент извилистости реки определяют по формуле

Σизв.общ.=ΣLi/ Σli=L/ Σli

Сумма длин всех рек в пределах бассейна или какой-либо терри­тории дает протяженность речной сети ΣLi,. Отношение протяжен­ности речной сети к площади бассейна характеризует густоту реч­ной сети бассейна или территории:

имеющую размерность км/км 2 . Здесь f— площадь рассматриваемой территории. Густота речной сети в пределах равнинных территорий Евро­пейской части России в целом уменьшается с севера на юг. Речная сеть по характеру рисунка может быть древовидной (или центрической), прямоугольной, центростремительной и др.

Речная сеть — это сложный результат тектонических и эрозион­но-аккумулятивных процессов, движения ледников, крупномасштаб­ных колебаний уровня океана и морей и т. д.

Долина и русло реки. Речные долины по происхождению могут быть тектоническими, ледниковыми и эрозионными.

По форме поперечного профиля речные долины подразделяют на теснины, ущелья, каньоны, V-образные, трапецеидальные, ящикообраз­ные, корытообразные и др. В поперечном профиле долины (рис. 6.3, а)

Рис. 6.3. Поперечный профиль долины (а) и русла (б) реки: / — бровка долины (коренного берега); 2 — уступ коренного берега; 3 — первая надпойменная терраса (аккумулятивная); 4 — вторая надпойменная терраса (эрозионная); 5 — бровка террасы; б —русло реки; 7—низкая пойма; 8— высокая пойма; 9— коренные породы; 10 — аллювиаль­ные отложения; 11 — прирусловой вал

выделяют склоны долины (вместе с уступом долины и надпоймен­ными террасами) и дно долины. В пределах дна (ложа) долины находятся русло реки (наиболее низкая часть долины, занятая вод­ным потоком в межень) и пойма (заливаемая водами половодья или значительных паводков часть речной долины).

Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие) (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Типы речных русел: а — прямолинейное; 6 — извилистое; в — раз­деленное на рукава; г — разбросанное; 1 — ли­ния наибольших глубин; 2 — отмель; 3 — осе­редок или остров; 4 — размываемый участок берега; 5 — направление течения

Основные морфологические элементы русла следующие: излучи­ны (меандры), затопляемые подвижные повышения дна — осередки и более высокие, более стабильные и закрепленные растительно­стью острова, глубокие и мелкие участки русла — плесы и перека­ты, донные гряды различного размера.

Полоса в русле реки с глубинами, наиболее благоприятными для судоходства, называется фарватером. Иногда помимо фарватера выделяют линию наибольших глубин. Линии на дне речного русла, соединяющие точки с одинаковыми глубинами, называют изобатами.

Основными морфометрическими характеристиками речного русла (см. рис. 6.3, б) являются площадь поперечного сечения со, ширина русла В между урезами русла при заданном его наполнении, мак­симальная глубина русла hmax. Среднюю глубину русла hcp в данном поперечном сечении вычисляют по формуле

hcp =Ѡ/В

Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение hcp

2/3hmax В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.

В гидравлических расчетах часто используют еще две характе­ристики русла реки — длину смоченного периметра р (см. рис. 6.3, б) и гидравлический радиус R, равный

R =Ѡ/р

Смоченный периметр — это длина подводного контура попереч­ного сечения речного русла, т. е. линия контакта воды с ограни­чивающими ее твердыми поверхностями — с дном и берегами, а зи­мой также и с ледяным покровом. Максимальная ширина русла на реках может достигать десят­ков километров (р. Амазонка), а максимальная глубина — 100—110 м (низовья Енисея). Здесь не учитываются те случаи, когда море затопило древние русла или каньоны (устья Конго, Св. Лаврентия) и когда глубины достигают 300—400 м.

23. Питание рек. Классификация рек по видам питания (классификация Львовича). Расчленение гидрографа реки по видам питания.Выделяют четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Дождевое питание. Каждый дождь характеризуется слоем выпав­ших осадков (мм), продолжительностью (мин, ч, сут), интенсивно­стью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км 2 ). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливнии обложные дожди. Чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока. Наоборот, дожди, выпа­дающие на влажную почву при пониженной температуре воздуха, дают большую величину дождевого стока. Таким образом, один и тот же дождь в зависимости от состояния подстилающей поверх­ности и влажности воздуха может быть в одних случаях стокооб­разующим, а в других — почти не давать стока.

Снеговое питание. В умеренных широтах основным источником питания рек служит вода, накапливающаяся в снежном покрове. Снег в зависимости от толщины снежного покрова и плотности может при таянии дать разный слой воды. Запасы воды в снежном покрове распределяются по площади бас­сейна обычно неравномерно — в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, влияния растительного покрова и т. д. Следует различать процессы снеготаяния и водоотдачи снежно­го покрова, т. е. поступления не удерживаемой снегом воды на поверхность почвы. Весеннее снеготаяние подразделяют на три периода: 1) началь­ный период (снег залегает сплошным покровом, таяние замедлен­ное, водоотдачи снежного покрова практически нет, сток еще не формируется); 2) период схода основной массы снега (начинается интенсивная водоотдача, возникают проталины, быстро нарастает величина стока); 3) период окончания таяния (стаивают оставши­еся запасы снега). Территорию, где происходит в данный момент таяние снега, называют зоной одновременного снеготаяния. Эта зона ограничена фронтом таяния (линией, отделяющей зону таяния от области, где таяние снега еще не началось) и тылом таяния (линией, отделяю­щей зону таяния от области, где снег уже сошел). Важной характеристикой снеготаяния служит его интенсивность. Она определяется характером изменения температуры воздуха в ве­сенний период («дружностью весны») и особенностями подстилаю­щей поверхности.

Расчет таяния снега и оценку его роли в формировании стока проводят различными способами. Простейшие из них основаны на данных об изменении температуры воздуха как главной причины снеготаяния. Так, нередко используют эмпирическую формулу вида: h=α ΣТ

где h — слой талой воды (мм) за интервал времени Δ t; ΣТ— сумма положительных средних суточных температур воздуха за тот же интервал времени, а — коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом стаивания (это слой талой воды, приходя­щийся на один градус положительной средней суточной темпера­туры воздуха). Подземное питание рек. Оно определяется характером взаимодей­ствия подземных (грунтовых) и речных вод. Реки получают подзем­ное питание в течение всего года, кроме пика половодья. Ледниковое питание. Это питание имеют лишь реки, вытекаю­щие из районов с высокогорными ледниками и снежниками. Классификация рек по видам питания. Известный русский климатолог А. И. Воейков был первым, пред­ложившим классификацию рек земного шара по видам питания.

В настоящее время более распространена классификация рек по источникам, или видам питания, М. И. Львовича. Для определения степени преобладания того или иного вида питания приняты три градации. Если один из видов питания дает более 80 % годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания (другие виды питания не учитываются). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80 % стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания учитываются лишь, если на их долю приходит­ся больше 10 % годового стока). Если же ни один из видов питания не дает больше 50 % годового стока, то такое питание называют сме­шанным. Указанные диапазоны градаций (80 и 50 %) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового пита­ния соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25 %.

Гидрограф-график колебания расхода воды в течение года. графика у меня нет!

24. Водный баланс бассейна реки.С учетом общих положений о водном балансе участка суши и результатов рассмотрения водного баланса различ­ных вертикальных зон в речном бассейне уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени At в наибо­лее общем виде представим следующим образом (рис. 6.6):

X+y1+w1+z1=y2+w2+z2± Δu

Здесь х — жидкие (дождь) и твердые (снег) осадки на поверх­ность речного бассейна; у1— поверхностный приток из-за пределов бассейна (при правильно проведенной водораздельной линии такой приток может быть лишь искусственным — с помощью пересекаю­щих водораздел трубопроводов, каналов, часто с системой подпор­ных сооружений, насосных станций и т. д.); w1 — подземный при­ток из-за пределов бассейна. Z1— конден-

Рис. 6.6. Схема составляющих водного баланса бассейна реки (обозначения в тексте): 1 — канал; 2 — гидроузел

сания водяного пара, У2

поверхностный отток за пределы бассейна (он может быть представлен прежде всего стоком самой реки у’2, а также искусственным оттоком у», осуществляемым через водораздел с помощью гидротехнических сооружений); w2 — подземный отток за пределы бассейна, Z2 — испарение с поверхности бассей­на, складывающееся из суммарного испарения, а также испарения с поверхностей, покрытых водой или снегом и льдом, ± Δи — изменение запасов воды в бассейне (руслах рек, водоемах, почве, водоносных горизонтах, снежном покрове и т. д.) за интер­вал времени Δ t (с плюсом — при увеличении запасов воды, с ми­нусом—при их уменьшении). Атмосферные осадки, подземный приток и искусственный по­верхностный приток из-за пределов бассейна составляют приходную часть уравнения водного баланса; поверхностный и подземный стоки за пределы бассейна и испарение объединяются в расходную часть уравнения водного баланса.

Единицами измерения составляющих уравнения водного балан­са речного бассейна обычно служат либо величины слоя (мм), либо объемные величины (м 3 , км 3 ), отнесенные к какому-либо интервалу времени (месяц, сезон, год). Во многих случаях возможны некоторые упрощения уравнения водного баланса.

В таких случаях и при отсутствии искусственного перерас­пределения стока между смежными бассейнами уравнение водного баланса примет вид: x=y+z± Δu. Уравнение широко используют в гидрологии для анализа водного баланса речных бассейнов для отдельных месяцев, сезонов, лет.

Источник

Adblock
detector