Гидрологические последствия хозяйственной деятельности на водосборах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрологические последствия хозяйственной деятельности на водосборах

Коронкевич Н.И., Бибикова Т.С., Долгов С.В., Кашутина Е.А., Мельник К.С., Ясинский С.В. Гидрологические последствия хозяйственной деятельности на водосборах // Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения. Новочеркасск: Лик, 2017. С. 78-84.

Коронкевич Н.И., Бибикова Т.С., Долгов С.В., Кашутина Е.А., Мельник К.С., Ясинский С.В.

Институт географии РАН, г. Москва

hydro-igras@yandex.ru

Введение

На водосборах, т.е. вне русловой сети, формируется основная часть речного стока. Очевидно, что состоянием водосбора, которое во многом зависит от характера хозяйственной деятельности, определяется величина, режим речного стока, качество воды. Учитывая масштабы хозяйственной деятельности можно достаточно уверенно говорить о том, что на значительной части суши земного шара речной сток давно уже не является естественным, а антропогенно изменен. На всей суше земного шара (без Антарктиды) антропогенно измененные (нарушенные) ландшафты занимали к концу XX столетия почти ѕ всей площади, в том числе в Европе более 80%, Азии свыше 55%, Африке 50%, Северной Америке более 40%, Южной Америке и Австралии около 40% [1]. В настоящее время эти масштабы еще больше. По сравнению с началом XX столетия, т.е. за 100 лет, площадь нарушенных территорий во всем мире увеличилась более, чем в 3 раза. На всех этих территориях рассчитанные нормы стока уже включают в себя влияние хозяйственной деятельности за период их исчисления. Поэтому оценка гидрологической роли хозяйственной деятельности обычно представляет собой сравнение стока или испарения за исследуемый период с периодом исчисления их нормы. Долгое время норма стока для большинства рек СССР определялась с конца XIX века до 60-х гг. XX столетия [2]. В последние годы Государственный гидрологический институт (ГГИ) предложил определять норму стока за период 1930-1980 гг. Вообще же сравниваемые периоды для различных видов хозяйственной деятельности могут существенно отличаться. Например, при оценке гидрологической роли агротехнических мероприятий в России особый интерес представляет сравнение гидрологических показателей современного периода с периодом до 1930-х гг., когда такой широко распространенный агротехнический прием, как зяблевая пахота под яровые культуры, пришедший на смену весновспашке на огромных площадях и существенно уменьшивший поверхностный сток на водосборах (до нескольких раз в степных и лесостепных районах), практически не применялся.

Хозяйственная деятельность на водосборах весьма многообразна. В числе основных, наиболее преобразующих ландшафты - неорошаемое земледелие, лесохозяйственная деятельность, урбанизация территории. Исследованию гидрологической роли каждого из этих видов хозяйственной деятельности посвящено немало работ: неорошаемому земледелию и сопутствующим ему агротехническим и агролесомелиоративным приемам - И.А. Кузника [3], М. И. Львовича [4], А.М. Грина [5], В.Е. Водогрецкого [6], Н.И. Коронкевича [7], лесному хозяйству - И.С. Шпака [8], Н.А. Воронкова [9], О.И. Крестовского [10], урбанизации ландшафтов - В.В. Куприянова [11], М.И. Львовича [12] и др. Большинство этих работ освещают гидрологические ситуации, сложившиеся довольно давно. К тому же нередки противоречивые оценки гидрологической роли одного и того же вида хозяйственной деятельности. Авторы данной статьи в последнее время вновь обратили внимание на данную тематику [13-15]. Сейчас появился ряд новых данных и разработок, позволяющих уточнить ранее полученные результаты. Некоторые из них представлены ниже.

1. Механизм влияния хозяйственной деятельности на водосборах на сток и испарение

Рассматриваемые виды хозяйственной деятельности влияют на сток и испарение косвенно - через рельеф, почвы, биоту. Так, мероприятия неорошаемого земледелия изменяют микрорельеф, инфильтрационные и водоудерживающие свойства почвы, растительный покров, т.е. влияют на факторы, которые воздействуют на структуру водного баланса на водосборе, в засушливых районах обеспечивают дополнительное влагонакопление и рост урожайности. В тех случаях, когда после вегетационного периода остается неиспользованная влага, рост урожайности приводит к дополнительному увеличению испарения и, как следствие, к уменьшению стока. Кстати, следует обратить внимание на распространенное заблуждение, когда в расчетах гидрологических последствий в весенний период ведения неорошаемого земледелия оперируют понятием «пашня» без учета того, является ли она зяблевой пахотой или весновспашкой, влияние которых на сток диаметрально противоположно.

Рубки леса приводят к резкому снижению транспирации и увеличению поверхностного стока, а последующее восстановление леса и сопутствующие ему сукцессионные процессы способствуют увеличению транспирации и суммарного испарения, уменьшению стока и в конечном счете во многих случаях приводят к восстановлению через много лет первоначальной структуры водного баланса. Это хорошо показано О.И. Крестовским [10].

Урбанизация территории, появление водонепроницаемых или мало водопроницаемых участков приводит к увеличению поверхностного стока. Существует мнение, разделяемое, правда, не всеми исследователями, что городской рельеф способствует увеличению осадков [16].

При всем своеобразии проявлений различных антропогенных факторов для большинства из них довольно отчетливо выделяются две фазы изменения водного баланса и водных ресурсов: сравнительно непродолжительная начальная и последействие. Первая характеризуется быстрым, взрывным, революционным изменением сложившегося водного баланса в ходе и сразу же после антропогенного воздействия и выраженной нестационарностью всего процесса. Второй фазе присуще сравнительно медленное, эволюционное изменение водных ресурсов вплоть до возвращения геосистемы в первоначальное состояние (если таковое возможно под действием компенсационных механизмов) после окончания конкретной деятельности человека или его стабилизация на новом уровне. Наиболее ярко две фазы антропогенного воздействия на водные ресурсы и водный баланс проявляются при рубках леса.

Еще одно важное обстоятельство, на которое следует обратить внимание, - процессы саморегулирования и компенсации гидрологических изменений, происходящих на водосборе. Наиболее известно увеличение подземного стока при уменьшении поверхностного. Но оно происходит не всегда - лишь при относительно близком залегании грунтовых и подземных вод. В условиях непромывного водного режима (по А.А. Роде [17]), который был свойствен водосборам степных районов, уменьшение поверхностного стока приводит и к уменьшению подземного как в результате отсутствия сплошного промачивания зоны аэрации, так и уменьшения притока к так называемым потускулам (гидрографическая сеть, замкнутые отрицательные формы рельефа, участки с повышенной инфильтрационной способностью почвы). Правда, в последние десятилетия в связи с улучшением условий увлажнения почвогрунтов территории с отсутствием сплошного промачивания в Европейской части страны резко сократились и впору пересматривать положения А.А. Роде о распространении типов водного режима почвы. Компенсационным можно считать и увеличение ветрового сноса снега с зяби в гидрографическую сеть, где коэффициент стока выше, чем на склонах.

2. Методы исследования

Для условий большинства регионов России с ярко выраженным весенним половодьем и засушливым вегетационным периодом основным методом расчета гидрологических изменений под влиянием мероприятий неорошаемого земледелия является воднобалансовый, основанный на результатах наблюдений на водно-балансовых станциях и учитывающий трансформацию стока на пути к реке, включая компенсационные факторы. Расчет изменения речного стока базируется на методе М.И. Львовича [4] с учетом корректив, внесенных Н.И. Коронкевичем [7]. Для районов с хорошим увлажнением в вегетационный период, а также для ориентировочных расчетов при отсутствии данных воднобалансовых станций, можно использовать зависимость испарения от биологической продуктивности и урожайности зерновых (рис.), составленную по данным Л.И. Зубенок [18] и А.И. Булавко, Н.И. Логиновой [19] .

Влияние лесного хозяйства на сток и испарение оценивается на основе принципиальной схемы изменения этих элементов водного баланса после вырубки и восстановления леса, разработанной О.И. Крестовским [10], реализованной для Европейской части страны Е.А. Кашутиной и Н.И. Коронкевичем [13].

В основу расчетов влияния урбанизации ландшафтов на сток положен метод М.И. Львовича [4], усовершенствованный Н.И. Коронкевичем и К.С. Мельником [14].

3. Влияние на сток мероприятий неорошаемого земледелия

Рассчитанный на основе обобщения данных воднобалансовых станций поверхностный склоновый сток с пахотных угодий России за период исчисления нормы по К.П. Воскресенскому [2] оценивается в среднем более чем в 40 км³/год, в том числе на Европейскую часть приходится более 2/3. На дерново-подзолистых и подзолистых почвах слой поверхностного склонового стока составлял 60-70 мм, на серых лесных почвах, оподзоленных и выщелоченных черноземах - 40-60 мм, на типичных, обыкновенных и южных черноземах - 20-40 мм, на темно-каштановых почвах - 10-40 мм. Мероприятиями земледелия к середине 1980-х гг. этот сток уменьшен в зоне дерново-подзолистых и подзолистых почв на 10-20%, в зоне серых лесных почв, оподзоленных и выщелоченных черноземов - на 20-40%, в зоне типичных, обыкновенных и южных черноземов - на 25-60%, в зоне темно-каштановых почв - на 65-90%. Это привело к уменьшению полного речного стока в бассейне Волги - на 2-3%, а в бассейне Дона - на 12-13%.

В последние десятилетия в связи с распадом СССР с сопутствующими социально-экономическими последствиями, в том числе в сельском хозяйстве, а также климатическими изменениями, в сложившиеся представления о величине поверхностного склонового стока и влиянии на него и речной сток мероприятий неорошаемого земледелия необходимо вносить коррективы. К сожалению, по большинству воднобалансовых станций сделать это невозможно, так как они или закрылись, или ведут наблюдения в очень ограниченном объеме. В этой связи особый интерес представляют результаты продолжающихся наблюдений ВНИАЛМИ на трех стационарах - Новосильской АГЛОС (лесостепь, серые лесные почвы), Поволжской АГЛОС (степная зона, обыкновенный чернозем), Волгоградском стационаре ВНИАЛМИ (южная часть степной зоны, светло-каштановые почвы). Они были обобщены нами вместе с А.Т. Барабановым и другими сотрудниками этой организации.

Сравнение поверхностного склонового стока за периоды до 1980 гг. и после показало, что сток на зяби под влиянием в основном климатических факторов снизился в среднем за последние годы (1981-2015) на Новосильской АГЛОС с 39 до 8 мм, на Поволжской АГЛОС - с 12 до 9 мм, Волгоградском стационаре - с 6 до 1 мм, а с уплотненной к весне пашни - с 49 до 21, с 48 до 42 и с 23 до 7 мм соответственно. То есть, сток с зяби стал меньше, чем с уплотненной пашни на этих станциях соответственно в 2.6 раза, 4.7 раза и в 7 раз. Тогда как до 1980 г. эти соотношения были 1.3, 4, 3.8 раза. лесохозяйственный антропогенный земледелие водосбор

Таким образом, налицо увеличение гидрологического эффекта зяблевой пахоты. Однако вклад водосборов в формирование стока половодья под влиянием климатических факторов снизился, что отразилось на уменьшении стока половодья и, отчасти, на уменьшении годового стока. В то же время изменение общего склонового стока могло быть и больше, если бы не изменение структуры земельных угодий, в результате чего снизилась площадь зяблевой пахоты и возросла доля полей с уплотненной к весне пашней с более высокими значениями стока. В районе Новосильской АГЛОС доля площади зяблевой пахоты снизилась почти в 1.6 раза, Поволжской АГЛОС - в 1.5 раза, Волгоградского стационара - в 1.9 раза. В результате, это способствовало увеличению среднего взвешенного склонового стока в районе рассматриваемых станций на 10-20%, что все же значительно меньше, чем уменьшение поверхностного склонового стока под влиянием климатических факторов.

При исчислении изменений речного стока под влиянием агротехнических мероприятий, помимо климатического фактора и изменения структуры угодий необходимо иметь в виду и то, что, по предварительным данным, изменения склонового стока в лесной зоне были существенно ниже, чем в степной и лесостепной зонах, а также существенную роль такого компенсационного фактора как улучшение условий инфильтрации и увеличение в 1.5-2 раза подземного стока [20, 21]. С учетом всего этого современное уменьшение стока Волги под влиянием агротехнических мероприятий по сравнению с нормой стока по К.П. Воскресенскому [2] можно оценить в 1-1.5%, а Дона - в 4-6%, то есть, по крайней мере, в 2 раза ниже, чем прежде.

Ориентировочные расчеты по зависимости испарения от урожайности на неорошаемых землях для всего мира подтверждают ранее выполненные оценки [22], которые дают величину уменьшения речного стока в результате роста продуктивности земледелия в последние десятилетия примерно на 10%.

4. Лесное хозяйство

Анализ состояния лесов в Европейской части страны свидетельствует о продолжающемся их омоложении, сопровождающимся увеличением испарения и уменьшением стока. Если для бассейна Дона, ввиду незначительной площади, занимаемой лесами, этим обстоятельством можно пренебречь, то для бассейна Волги уменьшение стока можно оценить в размере 2%. Процесс омоложения лесов имеет место и во многих районах мира, но пока неясно, как в этих районах соотносится уменьшение стока вследствие роста биологической продуктивности лесов с увеличением стока вследствие их вырубки и замены сельскохозяйственными и другими угодьями.

5. Урбанизация территории

Расчеты, выполненные для бассейнов Волги и Дона, показали, что при современной площади урбанизированных территорий, соответственно, 2% и 3.5%, где 1/3-1/4 занимают водонепроницаемые участки, годовой речной сток возрастает по сравнению с периодом исчисления нормы стока примерно на 1.5-2% в бассейне Волги и 3-5% в бассейне Дона в основном за счет теплого периода года.

Руководствуясь полученными соотношениями между общей площадью урбанизации, площадью водонепроницаемых территорий, с одной стороны, и изменениями годового речного стока, согласно которым один процент урбанизации речного бассейна приводит приблизительно к такому же увеличению стока, а один процент водонепроницаемых участков - к 2-3% его увеличения, выполнены расчеты влияния урбанизированных ландшафтов на речной сток рр. Шпрее (площадь бассейна 10105 км², средний слой годового стока 112 мм), Темзы (12900 км², 160 мм), Москвы (17600 км², 180 мм), Сены (78650 км², 212 мм). Вначале определено влияние на сток столичных городов, соответственно, Берлина (площадь 892 км²), Лондона (2303 км²), Москвы (1081 км² до ее расширения в 2012 г.) и Парижа (1796 км²) при доле водонепроницаемых площадей 53, 38, 50, 36%, а затем всех урбанизированных площадей в рассматриваемых бассейнах, которые составили по данным Института политики землепользования Линкольна [23], соответственно, 25, 35, 20, 20%.

По сравнению с периодом исчисления нормы стока значительнее всех увеличилась площадь Парижа (в 5.5 раза), Лондон вырос почти в 4 раза, Москва - в 2.6, Берлин - в 1.6 раза. Площади прочих урбанизированных территорий в бассейнах рассматриваемых рек за период исчисления нормы стока определены весьма приближенно - в среднем в 2 раза меньше, чем в настоящее время. Было выполнено несколько вариантов расчета, учитывающих увеличение коэффициентов стока с урбанизированных участков с течением времени, - учет только всей урбанизированной площади и только водонепроницаемых участков.

В результате получены следующие величины увеличения годового стока рассматриваемых рек. Для Шпрее 6.3% за счет Берлина и 10.3% за счет всей урбанизированной площади, для Темзы 12.4 и 19.7%, для Москвы 5 и 11%, для Сены 1.7 и 10.8%.

В зарубежной Европе площадь урбанизированных территорий достигает в настоящее время около 12%. Ориентировочно они возросли вдвое по сравнению с периодом исчисления нормы стока (с конца XIX века до 1960-х гг.). В основном урбанизированные площади приурочены к равнинным территориям и к среднегорью, на долю которых приходится, по ориентировочным расчетам, половина ресурсов речного стока Европы, то есть около 1100 км³/год. Исходя из того, что 1% урбанизированной территории на столько же увеличивает сток, можно полагать, что общий сток в зарубежной Европе возрос в результате прироста урбанизированных площадей на 60-70 км³/год (на 3% по сравнению с периодом его исчисления) [24]. Конечно, это весьма приблизительный расчет, требующий уточнения.

Заключение

Различные виды хозяйственной деятельности на водосборах неоднозначно влияют на речной сток и испарение и в значительной мере в отдельные периоды это влияние взаимокомпенсируется. В то же время необходимо отметить все возрастающую роль урбанизации ландшафтов.

Прежде выполненные расчеты гидрологической роли хозяйственной деятельности на водосборах, в основном характеризующие ее влияние в средних климатических условиях прошлого, нуждаются в коррективах, учитывающих современные и ожидаемые изменения климата.

Очень актуальна проблема реанимации работы воднобалансовых станций с целью совершенствования знаний о современной роли различных видов хозяйственной деятельности на водосборах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-05-04207)

Литература

1. Hannah L., Lohse D., Hutchinson Ch., et al. A preliminary inventory of human disturbance of world ecosystems. Ambio. 1994 . № 4-5. P. 246-251.

2. Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза. Л., Гидрометеоиздат, 1962. 548 с.

3. Кузник И.А. Агролесомелиоративные мероприятия, весенний сток и эрозия почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 230 с.

4. Львович М.И. Человек и воды. М.: Географгиз, 1963. 568 с.

5. Грин А. М. Динамика водного баланса Центрально-Черноземного района. М., Наука. 1965. 148 с.

6. Водогрецкий В.Е. Влияние агро-лесо-мелиораций на годовой сток. Методика исследований и расчеты. Л., Гидрометеоиздат, 1979. 184 с.

7. Коронкевич Н. И. Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения. М., Наука, 1990. 205 с.

8. Шпак И.С. Влияние леса на водный баланс водосборов. Киев: Наук. Думка, 1968. 284 с.

9. Воронков Н.А. Роль леса в охране вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 287 с.

10. Крестовский О.И. Влияние вырубок и восстановления лесов на водность рек. Л., Гидрометеоиздат, 1986. 119 с.

11. Куприянов В.В. Гидрологические аспекты урбанизации. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 184 с.

12. Львович М.И. Вода и жизнь. М.: Мысль, 1986. 254 с.

13. Кашутина Е.А., Коронкевич Н.И. Влияние изменения состояния лесов европейской части России на годовой речной сток // Водные ресурсы. 2013. Т. 40. № 4. С. 339-349.

14. Коронкевич Н.И., Мельник К.С. Антропогенные воздействия на сток реки Москвы. М., МАКС Пресс, 2015. 168 с.

15. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Милюкова И.П., Кашутина Е.А., Барабанова Е.А. Современные и сценарные изменения речного стока в бассейнах крупнейших рек России. Часть 2. Бассейны рек Волги и Дона. М., МАКС Пресс, 2014. 214 с.

16. Влияние урбанизации на гидрологический режим и качество воды. Методическое пособие. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. 64 с.

17. Роде А.А. Водный режим почв и его регулирование. М.: Издательство Академии наук СССР, 1963. 119 с.

18. Зубенок Л.И. Испарение на континентах. Л., Гидрометеоиздат, 1976. 264 с.

19. Булавко А.Г., Логинова Н.И. Основы комплексной оценки динамики испарения сельскохозяйственных культур и интенсификации земледелия // Тр. IV Всесоюз. гидрол. съезда. Т. 2. Л., Гидрометеоиздат, 1976. С. 337-344.

20. Водные ресурсы России и их использование. СПб., Государственный гидрологический институт, 2008. 600 с.

21. Современные ресурсы подземных и поверхностных вод Европейской части России. Формирование, распределение, использование / Отв. ред. Р.Г. Джамалов, Н.Л. Фролова. М., Геос, 2015. 320 с.

22. Коронкевич Н.И., Барабанова Е.А., Бибикова Т.С., Долгов С.В., Зайцева И.С., Кашутина Е.А., Мельник К.С., Ясинский С.В. Гидрологические последствия хозяйственной деятельности на водосборах // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов: Труды Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием. Москва, 15-18 сентября 2015 г. М., ИВП РАН, 2015. С. 305-308.

23. http:// www. lincolnist.edu/

24. Коронкевич Н.И., Мельник К.С. Влияние ландшафтов Берлина, Лондона, Москвы, Парижа на речной сток // Геология, география и глобальная энергия. Т. 1. № 64. С. 62-72.

Размещено на Allbest.ru