Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Охрана водных объектов от загрязнения диффузным стоком путем воздействия на аккумулирующую емкость водосбора

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Федорова, Елена Владимировна, Екатеринбург

Министерство природных ресурсов РФ

Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

(РосНИИВХ)

На правах рукописи

Федорова Елена Владимировна

ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДИФФУЗНЫМ СТОКОМ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АККУМУЛИРУЮЩУЮ ЕМКОСТЬ ВОДОСБОРА

( НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ СРЕДНЕГО УРАЛА)

Специальность: 11.00.11-Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научные руководители: доктор географических наук, профессор Шахов И.С. доктор географических наук Дальков МП

Екатеринбург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................4

1. АККУМУЛИРУЮЩАЯ ЕМКОСТЬ ВОДОСБОРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТОКА.......................................................................9

1.1. Природные особенности водосборов, определяющие их аккумулирующую емкость...................................................................................................9

1.1.1. Аккумулирующая емкость водосбора и ее влияние на речной сток........9

1.1.2. Морфометрические особенности водосборов...........................................11

1.1.3. Рельеф..........................................................................................13

1.1.4. Почвенный покров.............................................................................18

1.1.5. Растительность.......................................................................................23

1.2. Изменение аккумулирующей емкости водосбора под влиянием антропогенных факторов.............................................................................................26

1.2.1. Агротехнические приемы обработки почв.............................................27

1.2.2. Лесотехнические мелиорации.......................................................32

1.2.3. Осушение болот и заболоченных земель.........................................37

1.2.4. Селитебные территории.............................................................42

2. ОБЪЕКТЫ, СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВНИЙ.......................48

2.1. Объект и содержание исследований....................................................................48

2.2. Методика исследований........................................................................51

2.2.1. Методика экспериментальных исследований......................................51

2.2.2. Методика восстановления гидрографа стока.....................................54

3. ФОРМИРОВАНИЕ РЕСУРСА СТОКА В УСЛОВИЯХ МАЛОГО, АНТРОПОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННОГО ВОДОСБОРА..................61

3.1. Влияние структуры водосбора на формирование количественных характеристик речного стока....................................................................61

3.1.1. Природные условия и характер использования водосбора...................61

3.1.2. Влияние природных факторов и хозяйственного использования водосборов на формирование речного стока в основные гидрологические фазы..............................................................................................66

3.2. Формирование качества речного стока...................................................................86

3.2.1. Влияние водности гидрологического цикла и структуры водосбора на концентрацию биогенных элементов в речном стоке............86

3.2.2. Оценка массы выноса биогенных элементов с элементарных водосборов...................................................................................................97

4. ИЗМЕНЕНИЕ АККУМУЛИРУЮЩЕЙ ЕМКОСТИ ВОДОСБОРА С ЦЕЛЬЮ ВЛИЯНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ СКЛОНОВОГО СТОКА...............111

4.1. Обоснование необходимости и способы регулирования аккумулирующей емкости водосбора......................................................................................................................111

4.2. Результаты стационарных исследований............................................................115

4.2.1. Местоположение, рельеф, почвы, схема опыта..................................115

4.2.2. Динамика влагозапасов почвы..........................................................118

4.2.3. Влияние изменения аккумулирующей емкости почв на урожайность сельскохозяйственных культур ................................................... 133

4.3. Эколого-экономическая оценка щелевания почв с целью аккумулирования склонового стока......................................................136

4.3.1. Оценка почвенно-гидрологических условий...............................136

4.3.2. Экономическая эффективность применения щелевания на серых лесных слабосмытых почвах......................................................140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................................................147

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Количественные и качественные характеристики речных вод формируются в результате естественного функционирования геосистемы речного бассейна и антропогенных воздействий на ее структурные элементы. Возрастающие с каждым годом антропогенные нагрузки вызывают деградацию природных комплексов. Ее проявления очень разнообразны. Наиболее существенными, имеющими значительные последствия, являются: ухудшение качества вод, повышение неравномерности режима стока, происходящее под влиянием изменения аккумулирующей емкости водосборного бассейна. Условия подстилающей поверхности (азональные факторы) создают особенности режима малых рек, которые проявляются в большой изменчивости их водности. Изменение фильтрационных и водоаккумули-рующих свойств почв, происходящее под влиянием сельскохозяйственных обработок, сведения лесной растительности, размещения населенных пунктов, осушения переувлажненных земель, в еще большей степени увеличивает неравномерность стока, а в ряде случаев и загрязненность рек. В то же время малые реки отличаются слабой изученностью, что не позволяет обеспечить высокую оправдываемость прогноза последствий антропизации.

Сельскохозяйственное освоение водосборов привело к увеличению выноса биогенных веществ в водные объекты. Особую опасность представляют растворенные вещества, поскольку их повышенное поступление приводит к ускоренной эвтро-фикации водоемов и водотоков. Данный факт выдвигает на передний план задачи водоохранной деятельности: выделение и обустройство водоохранных зон и прибрежных полос, нормирование антропогенной нагрузки на водосборы водных объектов. Их решение невозможно без точного представления о закономерностях формирования количественных и качественных характеристик водотоков, как в условиях антропогенного пресса, так и в условиях естественного режима.

Пути поступления загрязнений в водные объекты очень разнообразны. Поллю-танты попадают в водотоки с концентрированными сбросами промышленных предприятий, диффузным путем с поверхности водосбора, а также аэрогенным, непосредственно, на акваторию водного объекта. Наиболее трудно оцениваемой составляющей процесса формирования качества речных вод является диффузная, в значительной

степени зависящая от природных особенностей водосборов. Несмотря на имеющиеся разработки, качественные характеристика стока при диффузном поступлении веществ недостаточно увязаны с водностью и структурой водосбора. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, отражающие территориальные особенности формирования количественных и качественных характеристик стока малых рек, что позволяет подойти к планированию и проведению водоохранных мероприятий на научной основе.

Цель диссертационной работы: на основе изучения закономерностей формирования количественных и качественных характеристик стока малых рек разработать способ защиты водных объектов от загрязнения диффузным стоком путем воздействия на аккумулирующую емкость водосбора.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать современный уровень изученности пpqцeccoв формирования количественных и качественных характеристик стока рек и их взаимосвязи;

- на основе экспериментальных исследований выявить зависимости между количественными характеристиками стока малой реки и природными и антропогенными факторами их формирования;

установить закономерности формирования качества вод реки в различные фазы водного режима в зависимости от обеспеченности слоя стока и характера антропогенных воздействий на ее водосбор;

- разработать способ регулирования склонового стока с целью защиты водных объектов от загрязнений, поступающих с диффузным стоком;

- разработать способ эколого-экономической оценки эффективности регулирования склонового стока с помощью щелевания в различных природных зонах.

Объектом исследований являются водосборы малых рек.

Предметом исследований являются закономерности формирования количественных и качественных характеристик стока малых рек и способы защиты водных объектов от загрязнения диффузным стоком.

Методология и методы выполнения работы. Методологической основой диссертации послужило теоретическое обобщение современных знаний и представлений о процессах формирования количественных и качественных характеристик стока малых рек. В основу экспериментальных исследований положены методы пассивного и активного экспериментов. При обработке полученных данных использовался метод сравнений. Результаты экспериментов подвергались теоретическому анализу с применением аппарата математической статистики (дисперсионный и корреляционный анализы).

Научная новизна. Впервые на примере малых рек Среднего Урала в процессе натурных исследований установлены закономерности формирования количественных и качественных характеристик стока в различные гидрологические фазы в зависимости от водности и величины сельскохозяйственной нагрузки на водосбор.

Разработан способ определения типа почвенно-гидрологических условий, определяющих ведущие факторы формирования весеннего стока.

Установлена приоритетность учета предзимней увлажненности почв водосбора перед глубиной промерзания и запасами воды в снеге для залесенных водосборов южнотаежной подзоны Урала.

Доказана эффективность щелевания склоновых почв для повышения водо-обеспеченности сельскохозяйственных культур и защиты водных объектов от загрязнений, поступающих диффузным путем, за счет повышения аккумулирующей емкости водосбора.

Разработан способ оценки эффективности регулирования склонового стока агротехническими приемами в различных природных зонах в зависимости от соотношения многолетних значений дефицитов влажности почв и осадков определенных периодов.

Предложена методика экономической оценки щелевания почв как одного из водоохранных мероприятий.

На защиту выносятся:

- способ определения ведущих факторов формирования стока половодья в различных природно-климатических условиях в зависимости от соотношения многолетних значений бассейновых дефицитов влажности и запасов воды в снеге перед снеготаянием;

- установленные в процессе экспериментальных исследований зависимости между аккумулирующей емкостью водосборной территории, определяемой как природно-климатическими, так и антропогенными факторами и концентрацией биогенных веществ в речном стоке разной обеспеченности по гидрологическим фазам;

- применение щелевания склоновых почв для целей защиты водных объектов от загрязнения диффузным стоком и способ определения его эффективности в зависимости от почвенно-гидрологических условий.

Практическая ценность работы: Установленные величины выноса биогенных веществ с единицы площади водосбора на 1 мм стока в зависимости от интенсивности сельскохозяйственной нагрузки могут быть использованы для эколого-водохозяйственной оценки водосборных территорий и нормирования антропогенных нагрузок, как на водотоки, так и их водосборы. Выявленные закономерности формирования стока малых рек в весенний период, в зависимости от природно-климатических и антропогенных факторов, могут быть использованы для прогноза стока половодья. Доказанная в процессе исследований эффективность щелевания склоновых почв позволяет рекомендовать его применение на Среднем Урале для снижения водно-эрозионных процессов, улучшения качества вод в водотоках и повышения водообеспечения сельскохозяйственных культур. По материалам исследований автором были составлены "Рекомендации по переводу поверхностного стока в почвенно-грунтовый с целью защиты водных объектов от загрязнений с водосбора." Ряд положений диссертации были учтены при разработке "Типовой схемы обоснования границ и мероприятий по обустройству прибрежных полос и водоохранных зон рек, озер и водохранилищ".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы апробировались на:

- Всероссийской научно-практической конференции "Управление водным хозяйством России", Екатеринбург, 1993;

- Всероссийской научно-практической конференции " Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейне рек", Екатеринбург, 1994;

- Научно-практической конференции "Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий", Уфа, 1994;

- Второй республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы республики Татарстан", Казань, 1995;

- Всероссийской конференции "Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального использования", Екатеринбург, 1996;

- Втором съезде общества почвоведов, Санкт-Петербург, 1996;

- Втором международном конгрессе "Вода: экология и технология", Москва, 1996;

- Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием", Москва-Екатеринбург, 1997;

- Научно-практическом семинаре "Уралэкология - 97", Екатеринбург, 1997;

- Международном симпозиуме "Чистая вода России - 97", Екатеринбург, 1997;

- Международной выставке "Уралэкология - 98", Екатеринбург, 1998;

- Третьем международном конгрессе "Вода: экология и технология", Москва, 1998;

- Научно-практической конференции "Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий", Иркутск, 1998.

- VI Горно-экологическом форуме "Природные ресурсы стран СНГ", Санкт-Петербург, 1998.

По материалам диссертации опубликовано: 16 научных работ, получен 1 патент на изобретение. Автор принимал участие в написании двух монографий.

Работа выполнена в отделе "Защиты водных объектов от загрязнений с водосборной территории" РосНИИВХ.

1. АККУМУЛИРУЮЩАЯ ЕМКОСТЬ ВОДОСБОРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК СТОКА

1.1. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОДОСБОРОВ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ АККУМУЛИРУЮЩУЮ ЕМКОСТЬ 1.1.1. АККУМУЛИРУЮЩАЯ ЕМКОСТЬ ВОДОСБОРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РЕЧНОЙ СТОК

Количественные и качественные характеристики речных вод формируются под влиянием большого числа стокоформирующих факторов, которые делят на климатические и факторы подстилающей поверхности. Роль факторов подстилающей поверхности особенно велика в формировании стока малых рек. Склоновые поверхностные воды в периоды повышенной водности являются преобладающими в русловом стоке небольших водотоков. Поэтому исследования по выявлению роли аккумулирующей емкости водосбора в формировании характеристик речного стока необходимо проводить на малых реках. В наименьшей степени изучено влияние структуры водосбора на химический состав речных вод. В данном отношении его роль особенно велика в периоды половодий и дождевых паводков, когда поверхностными и почвенно- поверхностными водами в реки смывается большое количество разнообразных веществ.

Масса веществ, поступающая с водосбора в водоток за определенный промежуток времени, зависит от слоя стока с водосбора за данный период и концентраций в нем загрязняющих ингредиентов. Величина слоя стока равна разности между количеством осадков, выпавших на поверхность водосбора и их количеством, затраченным на испарение, пополнение запасов почвенных и грунтовых вод.

Н=Р- (И+\¥поч + ), (1)

где:

Н - слой стока с водосбора;

И - суммарное испарение с поверхности водосбора;

"\¥поч - влага, пошедшая на пополнение влагозапасов почвы;

WГp - влага, пошедшая на пополнение запасов грунтовых вод.

Количество влаги, задержанное водосбором, зависит от его аккумулирующей емкости, которая определяется фильтрационными и водоудерживающими характеристиками подстилающей поверхности. Общая аккумулирующая емкость всего водосбора слагается из аккумулирующих емкостей отдельных его участков, которые в настоящее время принято называть стокоформирующими комплексами (В.М. Калинин, С.И. Ларин, И.М. Романов, 1998). Разница в коэффициентах стока с отдельных стоко-формирующих комплексов может составлять несколько раз. Данные комплексы оказывают влияние не только на величину слоя, но и на концентрацию поллютантов в стоке с данного участка водосбора.

Формирование на водосборе участков с различной аккумулирующей емкостью происходит как в результате естественно - исторических процессов, так и в результате антропогенного воздействия. Хозяйственная деятельность может привести как к увеличению водопоглощения на отдельных ландшафтных участках (зяблевая вспашка, применение агротехнических и лесомелиоративных мероприятий, осушение болот), так и к снижению, до полной потери фильтрационных свойств почв (сведение леса, размещен