Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование водного режима крупных долинных водохранилищ

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Девяткова, Тамара Павловна, Пермь

Л)

ч

/ с?3 'Л

/ / ')

■А

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДЕВЯТКОВА ТАМАРА ПАВЛОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА КРУПНЫХ ДОЛИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ (НА ПРИМЕРЕ КАМСКИХ) НА ОСНОВЕ СИСТЕМНО-ДИАЛЕКТИЧЕСКОЙ МЕТОДОЛОГИИ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

.........¿5-19 Ш

_в виде дау-нного— дек^^еда — на сряск&нщ-^^е^оЪ; ч

доктора''географических наук

Пермь, 1997

Работа выполнена на кафедре гидрологии и охраны водных ресурсов Пермского государственного университета

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук, профессор А.М.Гареев

Доктор технических наук, профессор В.И.Косов

Доктор географических наук, профессор М.А.Андреева

Ведущая организация: Институт биологии внутренних вод Российской академии наук, п.Борок Ярославской области.

Защита состоится " Х"?4' ¿^¿Ркбря 1997 г. в час. на заседании

диссертационного Совета Д.099.01.01 при Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу:

г.Екатеринбург, ул.Мира, 23.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ

Диссертация в ......лада разослана

¿о 1997Г.

Отзывы на диссертацию в 2 экземплярах, заверенные гербовой печатью просим нал1"4 -.яять по адресу:

620049, Г.Е1. ринбург, ул.Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь диссертационного^Срвега Д.099.01.01,

канд. техн. наук, с.н.с. || ^ Ю.С.Рыбаков

<5« <з '

К

а 5396-99

с1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Необходимость комплексного и рационального использования водных ресурсов на рубеже ХХ-ХЙ веков превратилась в одну из главных экологических и социально-экономических проблем, имеющих актуальное значение для Земли в целом и для каждого региона в частности.

Решение этой проблемы зависит как от конкретных действий по обеспечению комплекса водохозяйственных, природоохранных и мониторинговых мероприятий, так и результативности комплексных эколого-ге-ографических исследований, особенно в районах активного преобразования природной среды (Авакян, Широков, 1994). Последняя зависит, во первых, от имеющихся представлений об объектах исследования - характера процессов и отражающих его параметров и, во вторых, от надежности применяемых методов.

Современный период социально-экономического развития характеризуется усложнением связи между человеческим обществом и природой. Природа и ее ресурсы включены в сферу деятельности человека не только как биологического, но и социального организма. В этих условиях при решении проблем устойчивого развития природы и общества нужна система организации и управления, основанная на знании объективных законов функционирования и развития сложных природно-антропогенных систем.

Отсюда среди современных научных проблем все большее значение приобретает поиск методологической основы исследований - принципов и механизма реализации, способных обеспечить решение исследовательских и сугубо практических задач - от их постановки до конкретных рекомендаций в области использования и охраны ресурсов.

Согласно Д.Харвею (Научное объяснение в географии, 1974) "При--А»^ение абстрактного методологического инструментария конкретной на-<и предполагает соблюдение двух основных условий: 1) этот инструментарий должен быть в принципе пригоден для любой конкретной науки любой метод предполагает некоторое предуготовление того объекта, к которому этот метод собираются применять. Таким образом, выб-. инЫй для исследования объект должен обладать наиболее возможной важностью, а метод исследования - стремиться к универсальности.

Оценивая состояние водных ресурсов, следует отметить, что рек с

естественным режимом, не нарушенный сооружением плотин, остается все меньше. Использование больших водохранилищ в России играет особую роль, обеспечивая не только потребности гидроэнергетики, но и создавая возможности для регулирования водного стока, транспортного освоения территории, водоснабжения, рекреации и т.п. В этой связи комплекс параметров, определяющих состояние и динамику водохранилищ как составной части водных ресурсов, должен базироваться на гидрологической основе. В то же время составление нормативных рекомендаций по расчету гидрологических характеристик водохранилищ и их анализу требует иного подхода, чем применяемые в настоящее время принципы и методы оценок водного режима рек, опирающиеся в большинстве случаев на вероятностный подход. Особенности водного режима искусственных водоемов, обусловленные антропогенным, планируемым характером регулирования, делают этот подход недостаточным. Так, при различных видах использования водохранилищ (строительство мостов, дамб, ведение рыбного хозяйства, транспорта и пр.) недостаточно определения максимальных и минимальных уровней и расходов с заданной обеспеченностью.

Необходим также учет продолжительности периодов с определенным характером процессов, имеющих индивидуальный характер не только для всех водохранилищ, но отдельных их частей. Все это делает актуальной проблему обоснования и расчета таких характеристик водного режима, которые позволили бы учесть с одной стороны - индивидуальность каждого водоема, но с другой - с помощью единого методологического подхода к исследованию всех водохранилищ, или, по крайней мере, их определенного типа. Решение проблемы требует нетрадиционных подходов, тем более , что от него зависит и выбор водоохранных мероприятий, и управление всем народнохозяйственным комплексом .прилегающих к водохранилищу территорий , и достижение экологической безопасности.

Накопления материалов натурных наблюдений недостаточно, так как их обобщение позволяет определить закономерности развития процессов в прошлом, но экстраполяция их на будущее возможна только в условиях функционирования, но не развития - природных и природно-антропоген-ных комплексов. Поэтому наибольшую актуальность представляют поиски .методологии исследования, адекватной объективно существующим законам развития, применимой для изучения различных процессов - в различных условиях. Наконец, необходимо осознать, что познание природных закономерностей в сфере экологии как науки, без которого невозможна при- родоохраннак деятельность общества в целом, должно быть связано с

пониманием значимости водного режима любого объекта. Применительно к водохранилищам это означает, что основой их системной экологии является экология водная - со своим вполне определенным кругом основных понятий, принципов, законов и методологии исследований.

Цель работы

На основе комплексных исследований Камских водохранилищ и системного подхода к выделению, постановке и решению практических задач создать и обосновать общеметодологические принципы изучения сложных систем и механизм их реализации на примере водного режима Камских водохранилищ как крупных искусственных водоемов долинного типа.

Задачи и методика исследования

Основными задачами являются: 1) создание структурно-функциональной схемы процессов и явлений, позволяющей на единой методологической основе оценить закономерности взаимодействия элементов, составляющих систему на определенных иерархических уровнях; 2) применение созданной схемы для определения, расчета и анализа основных характеристик водного режима; 3) использование полученной системы абсолютных характеристик и относительных показателей для решения некоторых прикладных задач в области гидравлики, гидрофизики, гидрохимии водохранилищ и других целей.

Методика исследования базируется на диалектическом способе познания мира, гипотетико-дедуктивном методе логического мышления, эко-и геосистемных принципах изучения природных систем. В качестве основополагающего принципа принято, положение о дискретно-континуальном характере природных процессов, который реализуется через потоки вещества и энергии, осуществляемые в свою очередь через водный режим любого природного объекта. Для решения прикладных задач используются общепринятые методы гидравлики, гидрофизики, гидрологии.

объекты исследования и материалы

Объектом исследования являются Камские водохранилища - Камское и Боткинское, имеющие довольно длительный срок (40 и более 30 лет соответственно) существования и изучения - как натурного, так и аналитического. Оба водохранилища долинного типа, занимающие последовательное положение в каскаде.

Материальной основой работы являются результаты проведения по-

- б -

левых работ с частичным участием автора; расчеты, выполнявшиеся под руководством или при непосредственном участии последнего; сведения, имеющиеся в Гидрологических ежегодниках и научной литературе, а также фондовые материалы.

Научная новизна работы

1. Создана и обоснована системно-диалектическая методология (СДМ) изучения крупных водохранилищ, как сложных природно-антропо-генных систем.

2. Предложен механизм реализации СДМ для всех компонентов природной системы.

3. Предложена система показателей для всех процессов одного иерархического уровня.

4. Выполнена проверка предложенной методологии на примере одного из элементов системы - водного режима.

5. Получено конкретное числовое выражение показателей водного режима - водного баланса и его динамики, органически увязанных между собой, для основных морфоучастков и районов Камских водохранилищ по основным фазам водного режима.

6. Предложена методика расчета расходов воды транзитного течения через замыкающие створы участков долинных водохранилищ.

7. Определен физический и системный смысл предложенного коэффициента проточности с позиции СДМ.

8. Предложена методика расчета и анализа баланса минеральных веществ.

9. Рассчитан тепловой сток с участков водохранилищ и оценено их тепловое взаимодействие с окружающей средой.

10. Определена шероховатость ложа водохранилищ и особенности внутреннего водообмена.

11. Получен план транзитных течений - как основа для оценки течений нерегулярного характера, в том числе ветровых.

предмет защиты

1. Создание, обоснование и применение системно-диалектической методологии - от общенаучного уровня до решения практических задач, на примере исследования водного режима крупных долинных водохранилищ

2. Структурно-функциональные схемы взаимодействия природных процессов в системе водохранилища.

3. Структурно-функциональная схема применительно к водному режиму - как способ его анализа и реализации СДМ.

4. Разработанная методика определения водного баланса участков водохранилищ по основным фазам водного режима.

5. Применение полученных результатов для расчета химического и теплового балансов, а также для оценки процессов внутреннего водообмена и динамики водных масс водохранилищ.

Практическая реализация результатов исследований

Результаты работы внедрены в практику и используются при выполнении научных исследований и хоздоговорных работ кафедры Гидрологии суши и Лаборатории комплексных исследований водохранилищ Естественно-научного института ПГУ. Системно-диалектическая методология положена в основу планирования и постановки задач исследования Камских водохранилищ. Автор доклада является либо руководителем, либо сору-ководителем следующих работ, где используется предложенная им методика расчета: 1. "Методические указания по оценке степени изменений гидрологического режима в результате создания водохранилищ и при изменении регламентов их эксплуатации. Разработать методические указания и нормы по предотвращению вредного влияния водохранилищ на окружающую среду севера Европейской части СССР" (1975-1976); 2. "Вопросы обоснования рациональной эксплуатации Камского водохранилища в связи с народно-хозяйственным и гражданским освоением водоемов и прилегающих территорий" (1975-1976); 3. "Методические указания по расчету химического баланса водохранилищ и их частей, а также изменению его составляющих при смене регламентов эксплуатации ГЭС и территориальных перебросках стока" (1979); 4. "Разработать прогноз экологических изменений водоемов Камского каскада в связи с переброской части стока северных рек в р.Волгу" (1980-1981); 5. "Разработать прогноз экологических изменений водоемов Камского каскада в связи с переброской части стока северных рек в р.Волгу. Современное состояние, оценка и прогноз гидро- и геодинамических процессов, донных отложений, качества воды и биологической продуктивности Камского водохранилища" (научная программа Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы". Комплексная целевая подпрограмма "Кама") (1982-1984); 6. "Комплексные экологические исследования водоемов и водотоков бассейна Камы, включаемых в тракт переброски стока северных рек" (подпрограмма "Кама") (1985); 7. "Гидрологическое и эколо-

гическое заключение для строительства мостового перехода через р.Об-ву" (Пермгипроводхоз, 1995).

Основные принципы системно-диалектической методологии были использованы автором при составлении программ дисциплин "Гидравлика с основами гидромеханики" и "Гидрофизика" по типовому учебному плану специальности Гидрология [53, 54, 58, 59] для государственных университетов (1991,1996).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научных съездах, конференциях и координационных совещаниях: на IV и V Всесоюзных гидрологических съездах {Ленинград, 1975, 1986); симпозиуме МГП XXIII Международного географического конгресса (1976); Всесоюзных лимнологических совещаниях по "Круговороту вещества и энергии" (Иркутск, 1981, 1985); Координационном совещании во ВНИИГе по влиянию водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду (Ленинград, 1979); Научно-практических конференциях и семинарах (Пермь, 1984, 1987, 1991, 1994); XXVIII научной конференции по вопросам изучения влияния водохранилищ на природу и хозяйство (Калинин, 1970); Всесоюзной научной конференции по проблемам комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна Волги (Пермь, 1975); Школах-семинарах ИБП АН СССР в Звенигороде (1988) и Ростове (1989); Международной научно-практической конференции "Регион и география" (Пермь, 1995); ежегодных научных отчетных конференциях ПГУ, а также заседаниях секции водохранилищ при Роскомводе (Борок, 1988, 1990, 1992, 1993, 1997).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 60 научных работ из их общего количества 80; результаты представленных исследований отражены в 13 отчетах из 30, в которых участвовал автор. Все они имеют государственную регистрацию. Научный доклад является обобщением результатов теоретических и методологических исследований, выполненных лично автором и под его руководством.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Современная ситуация в развитии общества, производства и культуры характеризуется всеобщим общественным и научным интересом к

- д -

проблемам окружающей среды. В особенности это относится к проблемам создания, использования и изучения водохранилищ, которые за всю историю своего существования вызывали к себе самое разнообразное отношение - от восхищения их техническими "возможностями" до ненависти к ним и их создателям за изменение ими природной среды, и как следствие, желание их уничтожить. Однако, благодаря многоаспектному и разностороннему исследованию различных водохранилищ становится все более ясно, что: во-первых, за годы существования водохранилищ в природной среде произошли необратимые изменения, и попытка снова вмешаться в ход ставших "стабильными" процессов может привести к катастрофическим последствиям (не говоря об экономических затратах); во-вторых - само существование человека и человеческого общества неизбежно воздействует на развитие природных процессов; в-третьих проблема не в прекращении воздействия на эти процессы, а в изучении этого воздействия с целью такого использования природных и природ-но-антропогенных объектов, которое обеспечивало бы выполнение необходимых экологических требований.

Решение задач, связанных с экологической оценкой водохранилищ (как, впрочем и других водных объектов), зависит от специфики самих водных объектов, методологических и методических возможностей фундаментальной экологии, а также от наличия необходимого натурного материала и его репрезентативности во времени и пространстве.

Не вдаваясь в анализ существующих представлений об экологии как науке, отметим лишь их неоднозначность, несмотря на которую общепринятым методолологическим принципом фундаментальных экологических исследований является экосистемный подход. Последний представляет научное направление, основанное на количественном описании взаимосвязанных процессов вещественно-энергетического обмена в экосистемах, являющихся некоторым целостным образованием природной среды