Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Антропогенные изменения годового стока рек Средней Азии и Закавказья

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Цыценко, Кирилл Викторович, Санкт-Петербург

у/. 0$. / / // • '

# ^ ч/ ; / ' /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЦЫЦЕНКО КИРИЛЛ ВИКТОРОВИЧ

АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

ГОДОВОГО СТОКА РЕК СРЕДНЕЙ АЗИИ И ЗАКАВКАЗЬЯ

11.00.07. Гидролог ия суши, водные ресурсы, гидрохимия

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора географических наук

резидиум ВАК Росси;-' ' _

от » А" Жп . судил ученую степень ДО К. Юг I

На дальни

.наг-

»авлеЪия ВАК ?осси.я ;

5ург -1997

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Н.И.Коронкевич,

доктор географических наук, профессор А.М.Догановский,

доктор географических наук В.И.Бабкин.

Ведущая организация: ИЦ Союзводпроект.

Защита состоится -а^Л*'«- £ на за.

седании диссертационного совета А 024.03.01 Государственного гидрологического института, 199053 г.Санкт-Петербург, ВО, 2-я линия, 23.

С диссертацией в виде научного Государственного гидрологически

литься в библиотеке

Диссертация в виде научного докл

Ученый секретарь Аиссертационного совета, к.т.н.

■ -л " ' : ' .г. ' -

V -

ы

Н.А.Лемешко

5Ш - 99

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет защиты. В предлагаемом научном докладе представляется концепция оценки и прогноза антропогенных изменений годового стока рек под влиянием орошаемого земледелия, последовательно отражающая весь процесс использования поверхностных вод на нужды ирригации. Основы ее состоят в исследовании и оценке ресурсов поверхностных вод, изъятий стока на орошение, безвозвратного водопотреб-ления и водоотведения с орошаемых земель, антропогенных изменений водности рек и компонентов природной среды.

Выполненные разработки опираются на результаты многолетних комплексных наблюдений за элементами водного баланса в высокогорных областях и на мелиорируемых равнинных территориях. Производство комплексных воднобалансовых исследований, их анализ и теоретическое обобщение осуществлялись автором последовательно в 1958-1971 гг. в УГМС Киргизии, а с 1972 по 1995 гг. в Государственном гидрологическом институте Росгидромета.

Актуальность темы. Оценка влияния хозяйственной деятельности на речной сток представляет собой одну из центральных проблем гидрологической науки. В рамках этой проблемы автором разрабатывались научно-методические вопросы, связанные с расчетами антропогенных изменений годового стока рек под преимущественным воздействием орошаемого земледелия, которое, как известно, является наиболее водоемкой отраслью хозяйства. Поэтому естественно, что объектами таких исследований стали в первую очередь бассейны рек Средней Азии (Амударьи, Сырдарьи, Чу и Талас, оз. Иссык-Куль, оз. Балхаш) и Закавказья (Куры), где к концу 80-х годов размещалось около 50% всех поливных земель бывшего СССР. Общим для всех этих бассейнов является то, что их сток формируется в горах, а используется на равнине.

Изменение (трансформация) стока под влиянием орошаемого земледелия Представляется весьма сложным и многофакторным процессом. Масштабы и темпы изменений водности рек зависят от изменчивости стока в зоне формирования, климатических характеристик и условий погоды в зоне его использования, величин безвозвратно водопотребления и возвратных вод, соотношения антропогенных и естественных .ерь стока.

влияние упомянутых факторов невозможно установить без детального изучения нтов водного баланса и его структуры как в горной части речных бассейнов,

и на мелиорируемых землях равнинных пространств. Между тем широкое при-и: воднобалансовых методов исследований и расчетов заметно сдерживалось гидрометеорологической изученностью высокогорных районов и недостатком о водном балансе орошаемых территорий. В связи с этим организация и про-

ведение комплексных воднобапансовых наблюдений имели, несомненно, важное научное и практическое значение.

Особенно пристальное внимание всегда привлекала к себе проблема расчета безвозвратного водопогребления и возвратных вод с орошаемых земель. Это связано как с различным влиянием упомянутых характеристик на антропогенные изменения водности рек, так и с острой потребностью в надежных данных о величине и структуре затрат речного стока на орошение, необходимых для оценки эффективности использования водных ресурсов. Расхождение расчетных значений безвозвратного водопо-требления или их отсутствие негативно сказывались при разработке комплексных Схем использования и охраны водных ресурсов. В этом отношении выделялась проблема формирования и оценки возвратных вод, ряд моментов которой остаются дискуссионными до сих пор.

Научная и практическая значимость исследования антропогенных изменений стока состояла не только в потребности внести определенную ясность в различные взгляды на рассматриваемый вопрос,, но и в необходимости определения экологического будущего бессточных водоемов аридных территорий (Арала, Балхаша и др.).

•"'• Непосредственно в эту проблему входила задача исследования преобразования деятельной поверхности в дельтах рек, решение которой требовалось для расчетов притока речных вод в озера и внутренние моря. Оценки антропогенных изменений стока были также необходимы для гидрологического обоснования мероприятий, направленных на улучшение гидроэкологической ситуации в бассейнах рассматриваемых рек.

Перечисленные выше задачи и определили актуальность проведения научных разработок по исследованию условий формирования стока в горах и оценке изменений его количественных характеристик на равнине.

Целью исследований явилась разработка концепции по оценке и прогнозу антропогенных изменений годового стоха рек под преимущественным воздействием .орошаемого земледелия. Основные научные направления в рамках этой концепции следующие:

• разработка научно-методических основ организации стационарных и экспеди-, ' ционных комплексных наблюдений для исследования элементов водного баланса в

зонах формирования и использования стока;

• создание методики определения безвозвратного водопотребления и возвратных вод

с орошаемых земель;

• разработка методики количественной оценки изменения годовых значений стока под влиянием орошаемого земледелия и сопутствующих ему гидротехнических мероприятий;

• создание методики по оценке трансформации потерь речных вод в дельтах в связи с преобразованием их деятельной поверхности, обусловленным антропогенными изменениями стока.

Научная новизна и личный вклад автора. Результаты научных исследований, представляемые к защите, заключаются в обосновании автором концепции оценки и прогноза антропогенных изменений водности рек, разработке ее научно-методических основ, базирующихся на исследовании закономерностей изменения элементов водного баланса в горах и на равнине под влиянием оросительных мелиорации, а также использование этих методик в гидрологических и водохозяйственных расчетах.

Предлагаемая концепция предусматривает последовательную оценку комплекса естественных и антропогенных факторов, участвующих в процессе использования речных вод при орошении: водных ресурсов, характеристик орошаемого земледелия (водозабора и площадей орошаемых земель), безвозвратного водопотребления и возвратных вод, преобразования природной среды бассейнов под воздействием антропогенных изменений стока.

С этой целью автором были разработаны или усовершенствованы методические приемы по оценке стока зоны формирования (водных ресурсов), затрат речного стока и водоотведения с орошаемых земель, изменений стока под влиянием антропогенных и естественных факторов. В рамках подготовленных методик были предложены технологические схемы инженерных расчетов рассматриваемых характеристик, способы анализа и обобщения главных показателей орошаемого земледелия, необходимых как для оценки безвозвратного водопотребления и возвратных вод, так и антропогенных изменений водности рек. Выполненные на основе разработанных методических приемов расчеты позволили получить достаточно надежные данные, характеризующие потери поверхностных вод при орошении и антропогенные изменения водности рек в различных по своим физико-географическим условиям бассейнах.

Принципиальная особенность предлагаемой концепции состоит в том, что речной сток в ней рассматривается не только как источник орошения, но и как важнейший компонент природной среды, обеспечивающий существование экосистем аридных областей. .

Практическое значение работы. Перечисленные результаты научных исследований, полученные лично автором и под его руководством, использовались различными проектными организациями для решения гидрологических и водохозяйственных задач, связанных с действующими и проектируемыми оросительными системами при подготовке Схем комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейнов рек Куры, Чу, Талас, Аральского моря и оз. Балхаш. Исследования автора но оценке антропогенных изменений стока явились составной частью ряда международных справочных пособий и технических документов, посвященных проблеме изучения изменения водного режима бассейнов под влиянием ирригации, которые были изданы под эгидой ЮНЕСКО и рекомендованы дня практического использования в других регионах земного шара.

Предложенные автором методические приемы и результаты количественных оценок затрат стока в сфере орошаемого земледелия были включены Союзводопроектом в Рекомендации по определению стока оросительных и возвратных вод с орошаемых земель, предназначенных для применения проектными институтами при разработке региональных и бассейновых Схем развития мелиорации и водного хозяйства. Многолетний опыт проведения автором комплексных, воднобалансовых исследований нашел свое применение и при подготовке Указаний по производству и обработке материалов наблюдений на мелиорируемых землях.

Результаты количественных оценок затрат стока при орошении и его изменений под воздействием ирригации широко использовались в работах Правительственной комиссии и комиссий СОПСа, Госстроя, ГКНТ, АН СССР и Казахстана для гидрологического обоснования мероприятий, направленных на кардинальное улучшение гидроэкологического состояния Аральского моря и оз. Балхаш.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конгрессах, съездах, симпозиумах, конференциях, всесоюзных и междуведомственных совещаниях, важнейшими из которых являются:

• Пятая научная конференция Тянь-Шаньской физико-географической станции, Фрунзе, 1963 г.

• Семинар по расчетам водного баланса речных бассейнов, Валдай, 1967 г.

• Заседание президиума Научного совета по проблеме "Водные ресурсы и баланс вол", Алма-Ата, 1968 г.

• Четвертый всесоюзный гляциологический симпозиум, Баскан, 1968 г.

• Конференция но проблеме развития теории и методов расчета водных балансов речных бассейнов, Ленинград, 1970 Т.

• Четвертый и пятый Всесоюзные гидрологические съезды, Ленинград, 1973, 1986 гг.

• XXIII Международный географический конгресс, Ленинград, 1976 г.

• Всесоюзные совещания по проблеме Арала, Алма-Ата, 1977 г. и Москва, 1979 г.

• Междуведомственное совещание по воднобалансовым исследованиям на мелиорируемых землях, Валдай, 1979 г.

• Седьмой съезд Географического общества СССР, Фрунзе, 1980 г.

• Заседания секции 1'К.НТ "Поверхностные и подземные водные ресурсы и баланс вод", Алма-Ата, 1984 г., Ленинград, 1986 г., Омск, 1988 г.

• Совещания по проблеме мониторинга природной среды Приаралья, Обнинск 1989, 1991 гг., Ташкент 1990 г.

• Международные высшие гидрологические курсы ЮНЕСКО при МГУ им. Ломоносова, Москва, 1981-1993 гг.

• Заседания Ученого совета Государственного гидрологического института и его секций.

Публикации. Основные итоги научных разработок автора, представленные в докторской диссертации в виде научного доклада, опубликованы в трех монографиях, сборниках Трудов ГТИ, журналах "Метеорология и гидрология", "Водные ресурсы", сборниках "Человек и стихия" и др. Всего по теме диссертации автором было издано свыше 60-ти печатных работ, в том числе и за рубежом.

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. ФОРМИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

Проблеме изучения условий формирования стока и, соответственно, оценке ресурсов поверхностных вод в гидрологии всегда придавалось первоочередное значение. Исследования по антропогенному изменению стока также невозможны без наличия данных о водности рек.

В отличие от равнинных территорий, где зоны формирования и использования стока, как правило, совпадают между собой, в горных областях, вследствие различия

в процессах стокообразования, они разделяются. К зоне формирования стока относятся горные поднятия, дня которых характерно превышение осадков над испарением и отсутствие влияния па сток хозяйственной деятельности. Зона использования (рассеивания) стока располагается ниже зоны его формирования, и отличается значительными потерями речных вод на испарение и инфильтрацию. В ряде речных бассейнов (Сырдарьи, Чу, Таласа и др.) она отличается появлением небольших рек или ручьев, образованных выклинивающимися подземными водами различного генезиса.

Соотношение между зонами формирования и использования стока для различных бассейнов изменяется в широком диапазоне. Так в Иссык-Кульской котловине, бассейнах Куры и Аракса преобладает зона формирования стока — 75-80%, а относительная доля этой же зоны в бассейне Амударьи не достигает и 20%.

Верхняя граница зоны формирования стока в бассейнах рек с ледниково-снеговым питанием проходит примерно по фирновой линии, разделяющей области абляции и аккумуляции глетчеров. Нижняя ее граница располагается, как правило, по подножьям гор, выше вершин конусов выноса рек, по выходу их из горных ущелий. При проведении детальных воднобалансовых исследований она может быть определена по соотношению сумм осадков и испарения или по состоянию и развитию растительного покрова по аэрокосмическим снимкам.

Вследствие различной увлажненности водосборов, обусловленной их географическим положением и ориентацией горных хребтов относительно алагонесущих воздушных масс, высотное положение нижней границы зоны формирования стока не остается постоянным. Если в бассейне оз. Иссык-Куль ее отметки приближаются примерно к 1800-2000 м, то в бассейне Сырдарьи, на отрогах хребта Каратау, простирающегося далеко на север, — они опускаются до высот порядка 500-800 м. Нижняя фаница зоны формирования стока не .остается постоянной в течение года, заметно перемещаясь вверх летом или опускаясь вниз, особенно в снежные и холодные зимы, как, например, в 1969 году в бассейне Аральского моря.

Вопросами исследования закономерностей формирования стока в горных областях занимались такие известные ученые как Большаков М.Н., Важнов А.Н., Валесян В.П.. Владимиров Л.А., Давыдов Л.К., Ольдекоп Э.М., Рустамов С.Г., Соседов И.С., Шульц В.Л., Щеглова О.П. и многие другие. Их трудами были заложены основы в деле изучения водного баланса горных бассейнов, оценены средние многолетние значения стока рек, его изменчивость и распределение по горным районам Средней Азии и' Закавказья. При исследовании антропогенных изменений стока нельзя было, ограничиться только нормой последнего, появилась необходимость в годовых величинах водности рек.

В связи с этим потребовалось оценить влияние внутригодового изменения нижней границы зоны формирования стока на надежность гидрологических расчетов. Выполнить это было невозможно без тщательного изучения водного баланса горных областей, характеризующихся значительным перепадом высот местности, расчлененностью рельефа и связанных с этим изменений условий климата в различных высотных поясах водосборов. Наиболее предпочтительным для решения поставленной задачи являлось применение метода водного баланса, который представляет собой достаточно полный и генетически обоснованный способ получения надежных данных об элементах влагооборота в бассейнах. Вместе с тем, использование воднобалансовой методики требует большого объема исходной информации, в особенности при расчетах за короткие интервалы времени. Получить такие сведения по высокогорным районам, вследствие их слабой гидрометеорологической изученности, оказалось крайне затруднительно.

Для детального исследования водного баланса горных областей наиболее целесообразной йвшйсь организация длительных стационарных наблюдений на репрезентативных горных бассейнах, обладающих типичными для данной территории условиями климата'и ландшафта. В ряде горных массивов Средней Азии было создано несколько таких бассейнов, в том числе в бассейне р. Алаарча (Киргизский хребет). На этом водосборе под руководством и при участии автора в течение 1958-1971 гг. был выполнен полный комплекс режимных наблюдений за э