Оценка влияния мероприятий по русловому регулированию стока на гидрологический режим и твердый сток малых рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка влияния мероприятий по русловому регулированию стока на гидрологический режим и твердый сток малых рек

Ю.В. Бондаренко

В статье освещены вопросы, касающиеся оценки влияния руслового регулирования стока на гидрологический и гидравлический режимы, а также изменение твердого стока малых рек.

The article deals with the issues of estimation of the impact of the channel flow regulation on the hydrological and hydraulic regimes, and changes in the solid runoff of small rivers.

В последние десятилетия из-за резкого увеличения масштабов хозяйственной деятельности и ее влияния на все компоненты природной среды обострилась проблема рационального использования водных, биологических и рекреационных ресурсов рек.

Воздействие на биотические факторы окружающей среды приводит к изменениям гидрологических, гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических характеристик водного объекта, а также к изменению состояния водосборной территории. Хотя эти изменения могут быть связаны с природными процессами, например, изменением климата или естественной сукцессией экосистем, основные факторы риска связаны с антропогенной деятельностью (cм. табл. 1). Особенно это касается малых рек, как наиболее уязвимой водной экосистемы, где негативные последствия антропогенного воздействия видны резче и проявляются раньше, чем на средних и крупных реках. водосборный антропогенный водный

Большинство малых рек - это самые верхние звенья крупных речных систем, в значительной мере определяющее своеобразие состава воды и водных биоценозов, особенности гидрологического и биологического режима питающихся их водами средних и крупных рек. Сток малых рек, впадающих непосредственно в крупные, служит одной из важных причин трансформации состава и качества воды в низовьях речных систем в отдельные фазы их гидрологического режима.

Мероприятия по русловому регулированию рек (созданию прудов и водохранилищ) являются наиболее распространенным и эффективным способом устранения дефицита водных ресурсов в маловодные годы и лимитирующие периоды. Однако данные мероприятия оказывают большое влияние, а в некоторых случаях и коренным образом меняют гидрологический режим водотоков путем резкого изменения скорости обмена речных вод в русловой сети.

Таблица 1

Антропогенные факторы, оказывающие влияние на гидрологический режим водного объекта и изменяющие состояние его водосборной территории

В настоящее время водохранилища рассматриваются как неотъемлемый элемент ландшафта, как часть сложной природно-технической системы, подверженной антропогенному влиянию и одновременно постоянно оказывающую влияние на окружающую среду.

Особенностью малых водохранилищ и важнейшим фактором для широкого их строительства является их полифункциональность. Они являются источниками технического водоснабжения, приемниками и утилизаторами стоков, объектами рыбоводства, носителями рекреационной нагрузки.

Характерной чертой малых водохранилищ является высокая динамичность развития, обусловленная такими факторами как изменчивость гидрометеорологических процессов, определяющих гидрологический режим водоема и стремительное изменение воздействия хозяйства на природную среду. Совокупное воздействие указанных факторов приводит к тому, что водохранилища нельзя считать стационарными объектами. Равновесие - динамическое (прогнозируемое) состояние водохранилища, как природно-хозяйственного объекта, может резко нарушится при изменении любого из указанных выше факторов. Динамичность водохранилища проявляется во всех его характеристиках: процессе формирования берегов, изменении качества воды, структуры и продуктивности водных и наземных экосистем.

Согласно современным представлениям, между прудом и водохранилищем не существует принципиальной разницы, если не считать различия в их размерах и размещении в разных звеньях гидрографической сети. Водоемы имеют морфологическое сходство, определяющее общность многих процессов, развивающихся в них, общим является и назначение их - искусственное регулирование стока. В научной литературе к прудам условно относят водохранилища объемом менее 1 млн м3, хотя никаких физически обоснованных критериев для такого деления не существует. Таким образом, в дальнейшем изложении понятие «пруд» и «малое водохранилище» следует рассматривать как синонимы.

Выравнивание годовых колебаний речного стока и преобразование водного баланса приводят к существенным изменениям естественных природных условий речных русл и пойм в верхнем и нижнем бьефах. Влияние малых водохранилищ на сток малых рек имеет зональный характер и увеличивается с севера на юг и с запада на восток по мере увеличения внутригодовой неравномерности стока, уменьшения общей водности рек и возрастающей степени их хозяйственного использования. В зоне недостаточного увлажнения уменьшение годового стока изменяется от 10…15 % в средние по водности годы до 20…30 % в маловодные годы. Приведенные значения уменьшения стока малых рек включают в себя потери на дополнительное испарение с водной поверхности и заборы воды на хозяйственные нужды. При общей площади водного зеркала водохранилищ, составляющей менее 5 % площади водосбора, величина дополнительного испарения практически не сказывается на суммарном стоке рек. Таким образом, более существенно влияние прудов и водохранилищ на сток малых рек при использовании их как основы комплекса водохозяйственных мероприятий, создаваемых для повышения урожайности, борьбы с эрозией и для пополнения запасов подземных вод [1].

Особого внимания требует вопрос влияния пойменных гидротехнических сооружений на гидрологический режим рек, так как даже незначительное изменение параметров потока при выходе его на пойму во время половодья зачастую вызывает существенное изменение уровенного режима верхнего бьефа.

Данное обстоятельство наблюдается на реках Аткара и Медведица, где в 1988 г. была создана дамба автодороги, которую можно рассматривать как пойменное гидротехническое сооружение, аккумулирующее речной сток во время половодья.

Многолетними наблюдениями за стоком р. Медведица и ее притока I-го порядка малой р. Аткара установлено, что сток данных рек наблюдается в течение всего года. По внутригодовому режиму стока р. Аткара относится к Восточно-европейскому типу рек с весенним половодьем. Отсюда многоводный период включает один сезон - много-водный - весну. Внутригодовое распределение стока реки крайне неравномерное. Основной объем стока (60…80 %) проходит в период весеннего половодья.

Для количественной и качественной оценки водоаккумулирующего влияния данного пойменного сооружения на гидрологический режим рек был применен способ, при котором устанавливаются параметры гидравлической связи между расходами и уровнями воды.

По многолетним наблюдениям за период с 1950 по 2008 гг., были построены осредненные кривые зависимости максимальных расходов от уровней Q = Q(H) с 1950 по 1988 и с 1989 по 2008 гг. (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализируя рис. 1, можно сделать вывод, что после 1988 г. наблюдается устойчивое отклонение группы точек влево, что подтверждается положением осредненной кривой Q=Q(H), которая при достижении расхода 50 м3/с резко отрывается и проходит по более высоким ординатам.

Это свидетельствует о том, что при достижении высоких уровней воды река испытывает попеременный подпор (при одних и тех же расходах, уровни становятся выше).

Это находит отражение на осредненной кривой Q = Q(H), построенной по значениям, наблюденным до 1988 г., где после уровня 400 см некоторые точки (уровень больше 500 см) отрываются влево от соответствующих точек свободного русла. Отчасти это можно объяснить выходом реки на пойму, но в этом случае, точки должны разбрасываться хаотично в обе стороны.

Одновременно поднимаясь, уровни рек Аткары и Медведицы достигают такой величины, при которой р. Медведица затапливает свою пойму, перегороженную дамбой автодороги. В этих условиях наступает момент стопора, затормаживающий прохождение стока и провоцирующий поднятие уровня. Затем устанавливается квазиустойчивое состояние балансового равновесия и те же самые расходы проходят через створ реки при повышенных уровнях [2].

Таким образом, из приведенного выше примера необходимо сделать вывод о том, что сооружение пойменных гидротехнических сооружений должно проводиться при всестороннем гидрологическом и топографическом обследовании водотока. Особенно ответственно необходимо подходить к выбору водосбросного сооружения.

Следствием влияния мероприятий по русловому регулированию стока на гидрологический режим водотоков является существенное изменение режима твердого стока рек.

С первых лет создания водохранилищ в них происходит частичное или полное отложение поступающих с водосбора и образующихся в них органических и минеральных веществ, что свойственно всем водоемам замедленного водообмена. Это объясняется тем, что с момента возникновения подпора резко нарушается гидрологический и гидравлический режимы речного потока. Уменьшение скорости приводит к интенсификации процессов аккумуляции взвешенных наносов. Седиментация эрозионного материала в водохранилищах представляет собой саморегулируемый динамический процесс, возникновение и развитие которого определяется взаимодействием потока и русла.

Эрозионно-аккумулятивная способность русловой сети зависит от многих факторов: геометрических размеров частиц, плотности и поступающих с водосбора наносов, морфологического строения русл и пойм, их уклонов, характеристик шероховатости, естественной и искусственной зарегулированности русл, гидрологических условий, хозяйственной деятельности человека и др.

Следовательно, количественная и качественная оценка наносоудерживающей способности водохранилищ зависит не только от знания объективных закономерностей процессов осаждения наносов в условиях подпора, но и в большей степени от точности численных характеристик стока наносов, поступающих к замыкающему створу [3].

На формирование стока наносов на малых водосборах решающее влияние оказывают локальные (азональные) условия (площадь бассейна, рельеф, почвогрунты и т.д.), которые обусловливают большую пестроту и изменчивость эрозионных явлений на их бассейнах. Величина стока, фиксируемая в подпорном бьефе, является обобщенным итогом реализации стоковых и эрозионных факторов, наблюдающихся в конкретных физико-географических условиях.

Формированию эрозионных процессов, кроме весеннего, в значительной степени способствует ливневый поверхностный сток. Ливневые дожди, выпадающие с большой интенсивностью, в отдельные годы проявляют высокую эрозионную эффективность. Необходимость учета потерь почвы от дождевой эрозии продиктована тем, что в последнее время существует тенденция увеличения доли жидких (летних) осадков в их общем годовом цикле.

Многолетние исследования процесса водной эрозии, проводимые на овражно-балочных водосборах малых речных систем Волжского бассейна, характеризующихся различными почвенными условиями и хозяйственной освоенностью, позволили получить достоверные среднемноголетние значения эрозионных потерь почвы весной при снеготаянии и летом от ливней с угодий различного генезиса (табл. 2).

Таблица 2

Потери почвы от водной эрозии, т/га

В среднем потери почвы от ливней на одних и тех же агрофонах в 1,4…2 раза превышают потери от весеннего половодья.

Рис. 2. Хронологический график стока наносов р. Вязовка

Однако натурные наблюдения за годовым стоком наносов малых рек показывают, что основной сток наносов (до 80 %) транспортируется весной (март - май). В летний период (июнь - август) транспортируется около 5 % их годовой величины. Заметное увеличение (по сравнению с летним периодом) стока наносов в осенний период (сентябрь - ноябрь) до 10 % объясняется увеличением дождевого стока. Сток наносов зимнего периода (декабрь - февраль) составляет 5 %. Хронологический график стока наносов малой р. Вязовка приведен на рис. 2.

Несоответствие между количеством суммарных эрозионных потерь почвы от водной эрозии на водосборе и стоком наносов в реке можно объяснить тем, что через наблюдательный гидроствор проходит только часть продуктов эрозии на водосборе, и их отложение происходит на всем пути перемещения, начиная от склонов и заканчивая руслами рек. Особенно это касается летнего периода, когда травяная растительность существенно аккумулирует продукты эрозии на склонах. Так, наблюдения за эрозионно-гидрологическим процессом на водосборе малой реки Вязовка показали, что в среднем 30% продуктов эрозии выносится за пределы водосбора, остальные 70% остаются на водосборной площади. Многолетними мониторинговыми исследования в бассейнах рек Курдюм и Карабулак установлено, что до 80% смываемых с водосборов наносов откладывается в нижней части склонов суходольной части гидрографической сети, образуя намытые почвы, а оставшаяся часть наносов более мелких фракций формирует иловые отложения в руслах рек.

Большинство водохранилищ, построенных на временных водотоках и малых реках, можно отнести по гидрологическому режиму к слабо или периодически проточным. Величина сброса наносов в нижний бьеф водохранилища связана с транспортирующей способностью верхнего бьефа, определяемой гидрологическим и эксплуатационным режимом, конструкцией и расположением водосбросных сооружений.

Нами, по уравнению (1), было осуществлено приведение фактического (измеренного) стока наносов рек к естественному, то есть к такому, который бы имел место при отсутствии водохранилищ

МРВ = MР + МАК, (1)

где МРВ - восстановленный средний годовой модуль стока наносов рек, т/км2; MР - измеренный средний годовой модуль стока взвешенных наносов рек, т/км2; МАК - средний годовой модуль стока наносов, задержанных водохранилищами, т/км2.

Средний годовой модуль стока наносов, задержанный прудами, может быть оценен приближенно по выражению

МАК = R/F, (2)

где R, F - соответственно, средний годовой сток наносов и площадь водосбора изучаемого водохранилища.

Расчеты показали, что в среднем в малых водохранилищах степной зоны задерживается от 70 до 90 % годового твердого стока рек.

Так, для малых рек Саратовского Правобережья Вязовка и С. Карабулак соотношение задерживаемого водохранилищами и естественного стока наносов составило, соответственно, 71 и 88 % (табл. 3).

Таблица 3

Естественный (восстановленный) сток наносов рек

Определенная таким же образом аккумуляция воды в водохранилищах составляет в степной зоне 12% годового стока рек. Таким образом, малые водохранилища значительно больше влияют на годовой сток наносов рек, чем на сток воды, перехватывая практически весь сток наносов верхних звеньев гидрографической сети и предохраняя, реки и нижерасположенные водохранилища от заиления.

Библиографический список

1. Прыткова М.Я. Малые водохранилища лесостепной и степной зон СССР. - Л.: Наука, 1979. 302 с.

2. Бондаренко Ю.В., Афонин В.В., Хрястов Ю.П. и др. Гидрологический анализ паводковых явлений в бассейне рек Аткара и Медведица (Заключение специалистов по научно-исследовательской работе). - Саратов, 2005. 79 с.

3. Молдованов А.И. Заиление прудов и водохранилищ в степных районах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 286 с.

Размещено на Allbest.ru