Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прородоохранные аспекты комплексной оценки водных ресурсов территории ЦЧО

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

Автореферат диссертации по теме "Прородоохранные аспекты комплексной оценки водных ресурсов территории ЦЧО"

ВОРОНЕЖСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ АВИАЦИОННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ

УЧИЛИЩЕ

На правах рукописи

с:

2 7 ОКТ 1998

ДЕГТЯРЕВ Сергей Дмитриевич

ПРИРОДООХРАННЫЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ТЕРРИТОРИИ ЦЧО

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Воронеж-1998

Работа выполнена в проектно-тыскательском и научно-исследовательском институте «ВОРОНЕЖГИПРОДОРНИИ» и Воронежском высшем военном авиационном инженерном училише

доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЖЕРДЕВ ВН.

доктор географических наук, профессор ЗОЛОТОРЕВ В Н.

доктор географических наук, профессор КОЧУРОВ Б.И.

доктор географических наук, профессор СМОЛЬЯНИНОВ В М.

Ведущая организация: Воронежский государственный университет,

кафедра природопользования п мониторинга

Зашита состоится «17» ноября 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К.106.09.01 в Воронежском высшем военном авиационном инженерном училище по адресу: 394064, г.Воронеж, ул.Старых Большевиков,27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского высшего военного авиационного инженерного училища. Отзывы и замечания, заверенные печатью, направлять по указанному адресу в двух экземплярах.

Автореферат разослан «17» октября 1998 года.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент - Т.Н.ЗАДОРОЖНАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Работы по оценке поверхностных водных ресурсов составляют значительную часть исследований в области водных проблем. Однако лишь в немногих исследованиях вопросы оценки водных ресурсов рассматриваются с точки зрения обоснования рационального использования и охраны окружающей среды.

Новые задачи перед исследованиями в области водных ресурсов поставлены в «Основных положениях государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития», предусматривающих экологическое обоснование размещения производительных сил, экологически безопасное развитие промышленности и сельского хозяйства, неистощительное использование возобновимых природных ресурсов, предотвращение загрязнения атмосферного воздуха и водных объектов.

Для научного и методологического обоснования деятельности по экологически безопасному устойчивому развитию необходима разработка методов, комплексной оценки водных ресурсов, учитывающих экологические и технологические ограничения при водопользовании и позволяющих разработать систему рационального водопользования.

Особенно это актуально для территории центрально-черноземных областей (ЦЧО), включающих Белгородскую, Воронежскую, Курскую, Липецкую, Орловскую и Тамбовскую области, где отмечаются такие негативные явления, как исчезновение малых рек, количественное истощение водотоков в маловодный период и повсеместное загрязнение поверхностных вод.

Целью работы является разработка методики комплексной оценки вод-шх ресурсов территории ЦЧО с учетом технологических и природоохранных ограничений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить и усовершенствовать существующие классификации поверхностных водных ресурсов для целей охраны и рационального использования.

2. Изучить распределение по территории природных и антропогенных факторов формирования водных ресурсов.

3. Исследовать технологические и природоохранные ограничения на использование поверхностных вод.

4. Разработать методику комплексной оценки естественных, эксплуатационных и ненарушаемых поверхностных водных ресурсов.

5. Провести комплексную Оценку естественных, ненарушаемых и эксплуатационных водных ресурсов административных районов ЦЧО (для лет средней водности).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствована классификация водных ресурсов в целях их рационального использования и охраны.

2. Оценены технологические и природоохранные ограничения использования поверхностных водных ресурсов на территории ЦЧО.

3. Разработана методика комплексной оценки естественных водных ресурсов в соответствии с предложенной классификацией.

4. Проведена оценка естественных, ненарушаемых и эксплуатационных водных ресурсов административных областей ЦЧО и региона в целом для года средней водности.

5. Даны рекомендации по рациональному использованию и охране водных ресурсов региона.

В качестве исходных данных использованы материалы наблюдений, опубликованные в изданиях Государственного водного кадастра, и проектов водохранилищ из архива института «ВОГОНЕЖГИПРОДОРНИИ».

Реализация задач исследования проводилась с помощью методов географической интерполяции, водного баланса, вероятностного расчета регулирования речного стока. Оценка параметров эмпирических зависимостей осуществлялась с применением математико-статистических методов на базе электронных таблиц EXEL 7.0 и программы статистической обработки данных STATIS-TICA для WINDOWS (версия 5.0).

Достоверность полученных результатов обеспечена болын. ¡.: объемом надежных исходных данных по водному и русловому режиму, использованием современных методов статистической обработки, проверкой полученных результатов на независимом материале.

Практическая ценность работы состоит в том, что основные теоретические и практические результаты используются:

- в работе института ЧерноземИМЗ и дорожного проектно-изыскатёльского и научно-исследовательского института «ВОРОНЕЖГИПРОДОРНИИ».

- в учебном процессе на географическом факультете Воронежского государственного университета и на землеустроительном факультете Воронежского аграрного университета;

- при выполнении научно-исследовательских работ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Классификация водных ресурсов для рационального их использования и

охраны.

2. Методика оценки ненарушаемых и эксплуатационных водных ресурсов.

3. Результаты оценки естественных, ненарушаемых и эксплуатационных

водных ресурсов для территории ЦЧО (для лет средней водности).

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения работы ежегодно докладывались на научных конференциях Воронежского госуниверситета (1981-1985 гг.), Воронежского аграрного университета (1986-1993 гг.), Всесоюзной конференции «Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве» (Новочеркасск,1989), региональных конференциях: «Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа» (Новочеркасск,! 990), «Экологические основы природопользования в бассейне Дона» (Воронеж, 1991), «Формирование экологического мониторинга для малолесных территорий, мелиоративные аспекты регулирования водного режима территорий» (Воронеж,!998г), региональной учебно-методической конференции «Экология и здоровье» (Пенза, 1993), 5-й международной открытой межвузовской научно-практической конференции «Региональные проблемы прикладной экологии» (Белгород, 1998 г.) и Международных экологических чтениях памяти К.К.Сент-Илера (Воронеж,1998 г.).

В полном объеме работа обсуждалась и получила положительную оценку на научном семинаре кафедры гидрометеорологического обеспечения ВВА-ИУ и заседании технического совета института «ВОРОНЕЖГИПРОДОРНИИ».

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах.

Структура и объем работы. Решаемые в диссертации задачи обусловили ее следующую структуру: введение, пять разделов, заключение. Общий объем диссертации 148 страниц, работа содержит 15 рисунков и 11 таблиц. Список литературных источников включает 158 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, научная новизна и практическая значимость работы. Определяются основная цель и задачи исследования, приводится перечень положений, выносимых на защиту.

В первом разделе дается обзор существующих подходов к оценке водных ресурсов, определена последовательность разработки методики комплексной оценки водных ресурсов.

Анализ содержания понятия «водные ресурсы» показывает, что оно име-гт двойственный характер и характеризуется, с одной стороны, количеством возы в водных объектах, а с другой — технологическими возможностями и природоохранными ограничениями. Поэтому водные ресурсы можно определить как товерхностные и подземные воды территории, обеспечивающие потребности 1рироды и хозяйства. Количество воды в поверхностных водных объектах характеризуется величиной годового стока.

В обзоре существующих подходов показано, что основы изучения водных ресурсов созданы трудами А.И. Войейкова, В.В.Докучаева и В.И. Вернадского.

Значительный вклад в методологию исследований внесли В.Г. Глушков, С.Д.Муравейский, Д.И.Кочерин, М.А.Великанов, Д.Л.Соколовский, М.И. Львович, Г.П.Калинин, А.Н.Костяков, Б.А. Шумаков, С.Н. Крицкий, М.Ф. Менкель, Н.П.Чеботарев, А.В.Огиевский, В.А.Урываев.

Существенное влияние на методы оценки водных ресурсов оказали работы В.Г.Андреянова, К.П.Воскресенского, А.А.Соколова, А.И.Чеботарева, И.А.Шикломанова, Г.А. Алексеева, Г.Г.Сванидзе, Н.А.Картвелишвили, В.В. Куприянова, Р.К.Клиге, В.И.Бабкина, Н.И.Коронкевича, В.С.Вуглинского, A.B. Рождественского, Д.Я.Ратковича, В.Е. Водогрецкого, Л.С. Кучмента, A.M. Владимирова, В.М. Евстигнеева, А.М.Комлева, Б.М. Доброумова, Б.С. Устюжанина, А.В.Христофорова.

Развитию новых методов оценки водных ресурсов способствовали работы по обоснованию схем комплексного использования и охраны водных ресурсов, проведенные Государственным гидрологическим институтом, Центральным научно-исследовательским институтом комплексного использования водных ресурсов и Российским научно-исследовательским институтом водного хозяйства. В трудах А.В.Караушева, Б.Г.Скакальского, P.A. Нежиховского, П.Д. Гатилло, И.М.Филиппович, Б.В.Фащевского, И.С.Шахова, А.М.Черняева,В.Н. Дерябина, И.М. Ширяка, В.В.Морокова решены многие вопросы гидролого-экологического обоснования водохозяйственных мероприятий.

Исследования по оценке водных ресурсов тесно связаны с проблемами охраны водных и земельных ресурсов, в разработке которых важное значение имеют работы Б.С. Маслова, И.В. Минеева, М.С.Григорова, Б.Б.Шумакова, В.И.Петрова, В.Т.Каплина, И.Д.Родзиллера, С.Л.Вендрова, Н.А.Мосиенко, В.М.Ивонина,В.С.Лапшенкова, В.В.Шабанова, И.Г.Галяминой, О.Л.Юшманова.

Вопросы изучения водных ресурсов территории ЦЧО и методы их расчета рассмотрены в работах Г.Р.Юнусова, И.П.Сухарева, А.Г.Курдова, В.М. Смо-льянинова, В.Н.Жердева, В.Н.Золотарева, В.М.Мишона, В,В. Протопопова, В.А. Дмитриевой.

Новые подходы к оценке водных ресурсов тесно связаны с исследованиями экономических проблем (А.А.Минц, И.В.Комар, Л.М. Корытный), экологической диагностики территории (Б.И.Кочуров), мониторинга водных и земельных объектов (Ю.А.Израэль, И.П.Герасимов, В.Н.Жердев), антропогенного и мелиоративного ландшафтоведения (Ф.Н.Мильков, В.И.Федотов, В.Б.Михно, К.А.Дроздов), методологических основ устойчивого развития (О.К.Дрейер, В.А.Лось) и экологического управления (С.А.Подлепа, Е.В.Пашков).

Анализ существующих подходов к комплексной оценке водных ресурсов позволил сделать вывод о необходимости усовершенствования и:; классификации, слабой изученности вопросов технологических и природоох^мпых ограничений, недостаточной дифференцированности методов оценки водных ресур-

сов и природоохранных мероприятий. Все это определило порядок проведения исследований по данной теме.

Во втором разделе излагаются методологические основы комплексной оценки водных ресурсов, включающие создание классификации водных ресурсов, разработку методики оценки технологических и природоохранных ограничений при использовании поверхностных водных ресурсов, описание методов географической дифференциации при оценке водных ресурсов.

В основу классификации водных ресурсов положено разделение их на две группы в зависимости от условий формирования: естественные и искусственные (рис.1). Естественные ресурсы формируются в результате воздействия климатических факторов на естественные и антропогенные комплексы, а искусственные в системах техногенного происхождения - под действием технологических процессов, не зависящих от климатических условий. В работе рассматриваются только естественные водные ресурсы.

Рис. 1. Классификация водных ресурсов для целей рационального использования и охраны водных ресурсов

Естественные водные ресурсы подразделяются по объектам: реки, озера, водохранилища, болота, ледники, подземные воды, почвенные воды, атмосферная влага. В работе рассматриваются ресурсы водотоков и водоемов, количественно характеризуемые величиной среднемноголетнего годового стока.

По наличию ограничений в использовании воды естественные водные ресурсы разделены на две группы - ненарушаемые и эксплуатационные. Нена-рушаемые ресурсы представляют собой предельные объемы воды, оставляемые в водотоке по природоохранным ограничениям. Эксплуатационные водные ресурсы представляют собой разность между величинами предельного забора воды из водных объектов, ограниченного технологическими возможностями, и ненарушаемыми ресурсами.

На современном уровне развития техники и на ближайшую перспективу технологические возможности забора из поверхностных вод ограничиваются предельными возможностями регулирования стока.

Для характеристики регулирования стока в работе используются следующие параметры: коэффициент полезной емкости ((3 |ЮЛ) - отношение полезного объема (регулирующей емкости) водохранилища к объему среднемно-голетнего годового стока, коэффициент регулирования (а бР) - объем водоотдачи «брутто» (сумма водопотребления и потерь на испарение и фильтрацию) за год в долях от объема среднемноголетнего годового стока и коэффициент потерь (8 „от) - отношению объема потерь на испарение и фильтрацию за год к объему среднемноголетнего годового стока.

Физический предел регулирования (Н.С.Калачев,1976) характеризуется значениями р натр и с* бр.нр? при которых приращение полезного объема водохранилища равно приращению потерь из водохранилища на испарение и фильтрацию. Значения Р |10.,.„р и а г,р.,ф определены аналитическим путем, для чего зависимости а (¡р и 8 „„, от р11а, при обеспеченности водоотдачи р=95% аппроксимируются эмпирическими выражениями.

Величины а вр.Пр и Р „„., пр получены на основе расчетов многолетнего регулирования на водоотдачу 95% обеспеченности для 32 водохранилищ и водохозяйственных створов ЦЧО, расположенных в различных природных условиях.

Зависимость а вр от Р„а1, аппроксимирована эмпирическим уравнением

, -А х(В„„л+Во)т , , ч

авР= 1-е , (1 )

где е - основание натуральных логарифмов;

Ро - условный коэффициент полезной емкости, при которой водоотдача равна отдаче воды в естественных условиях (без регулирования) в год 95% обеспеченности;

А , ш - эмпирические коэффициенты .

Значения параметров уравнения - рп , А , ш определены для каждого из 32 водохранилищ и водохозяйственных створов, использованных в работе..

Среднеквадратическая погрешность расчета по уравнению (1), определенная проверкой на независимом материале, составляет ±22%, что соответствует точности исходных данных, положенных в основу эмпирической зависимости.

Зависимость коэффициента потерь (5 пот) от Р,1Ш1 определяется выражением:

0.001 х (1.07 х АЕ + Ьф) х [(К - Рмо) х Впо," + Рмо|

опот.=- , ( / )

Wr IV/

где Д Е - разность между испарением с водной поверхности и поверхности суши, мм;

Ьф - годовой слой потерь на фильтрацию, мм;

Р, - площадь водной поверхности при рПШ1 =1, м2;

Рмо- площадь водной поверхности, соответствующая мертвому объему водохранилища, м2;

п - показатель редукции площади затопления по Р„ю,;

\Уг - средний многолетний объем годового стока, м\

Расчеты испарения с водной поверхности, поверхности суши и с подтопляемых земель произведены по наиболее распространенным методикам (А.Г.Курдов,1970; М.И. Будыко, 1948; И.А. Шикломанов, 1979). Потери на фильтрации определены по приближенным нормативам (Я.Ф.Плешков, 1975).

Приравнивая производные {1аг)р/1ф пат и (15шп/с1Ри„.1 между собой, после несложных алгебраических преобразований получим аналитическое выражение для расчета коэффициента полезной емкости, соответствующего физическому пределу регулирования речного стока:

Р.-1 х^роГ1 хе~Лх((1тф)т =0;001хО,07хАЕ + Ьф)х(К-РМо)%п ( 3 }

Ахга

Значение р„ол.пр = рчол.к, где Р„а,,к- значение корня уравнения (3), полученное методом последовательных приближений. При этом I р110Я,к - Р„а,,к-11 < 0,01 . Величину а 6р.Пр находят по формуле (1 ) при рпол = р110Л.пр.

Полные объемы воды в результате предельного регулирования речного стока XV'п (с учетом использования фильтрационных потерь на участках ниже створа регулирования) - определяются по уравнению

ЧУ^ХУгха^пр -0,00107хАЕх|(Рг-Рмо)хр^„Рп+Рмо| . (4)

Расчеты по уравнению ( 4 ) показали, что (в долях от среднемного-1етнего объема годового стока) при постоянных АЕ и а бР095% (устойчивой во-юотдачи в естественных условиях с обеспеченностью 95%), возрастают с рос-

том средних глубин водохранилищ. Величина а врии«/. определяется по формуле (1)при Р,|а:, = 0.

Однако при средних глубинах водохранилищ более 10 м (ДЕ=0 - 99 мм) и более 12м (ДЕ >100 мм) рост \\"п становится незначительным, т.е. эффект регулирования снижается. Поэтому средние глубины водохранилищ, равные 10 м (ДЕ=0 - 99 мм) и 12 м (ДЕ >100 мм), являются оптимальными.

Значения \\"п для оптимальных глубин водохранилища определяются по формулам:

\Упо„, = - 0,832 х аг,Р095% + 96,61 для ДЕ = 0 - 99 мм , ( 5 )

\Уп»,.т=- 1,23 х <ХбРо95% + 98,00 для ДЕ 2 100 мм . (6)

Оценка природоохранных ограничений основана на определении нена-рушаемых расходов воды, позволяющих сохранить водные ресурсы от количественного истощения. В период высокого стока (половодья и паводки) ненару-шаемые расходы должны обеспечить санитарную уборку русел рек и поймы, поддерживать необходимую интенсивность руслового процесса , восстанавливать взаимосвязь между рекой и водоносными горизонтами, а в период низкого стока (межени) - препятствовать заилению и зарастанию русел.

Учитывая различные функции ненарушаемых расходов в период высокого и низкого стока, величина суммарных ненарушаемых водных ресурсов представлена в виде гидрографа (графика изменения расходов за год), состоящего из высокого стока с объемом ^Ун,,,.»; (м3), средним расходом Онвыс (м3/с) и продолжительностью Тн„ыС (с) и низкого стока с объемом \\'ншп (м3), средним расходом Онш,1 (м3/с) и продолжительностью Тн „„, (с).

Для средних по водности лет в качестве ненарушаемых расходов в период высокого стока для региона приняты руслоформирующие расходы вероятностью превышения 4-10%, обеспечивающие передвижение достаточно крупных русловых образований (осередков, побочней) и определяемые по неразмы-вающим скоростям.

Неразмывающие скорости рассчитаны по формулам И.И.Леви, В.С.Кнороза, Ц.Е. Мирцхулавы, а соответствующие им расходы воды - по данным наблюдений за стоком. Учитывая трудоемкость расчетов, предложены эмпирические формулы, связывающие ненарушающие расходы ОнВ1.|с, (м3/с) и объемы (м ') в период весеннего половодья с соответствующими характе-

ристиками среднемноголетнего годового стока О, (м'/с) и \Уг (м3):

\УнВЬ1С= 0,276 х\Уг , ( 7 )

Он„мс= 9,5 х Ог0'72 . (8)

Продолжительность ненарушаемого стока в период весеннего половодья Тн выс, (с) определяется по формуле:

Тн»ьк = 0,92 X 106 X <3г0'28 . ( 9)

Среднекпадратическая пофешность расчета по формулам (5) , (6) и (7), полученная по независимым выборкам, составляет ±18,5 % и не превышает предельной погрешности ±20 %.

Для учета повторяемости ненарушаемых расходов в многолетнем разрезе к объему ненарушаемого стока, вычисленного по формуле (7), вводится поправочный коэффициент (Ко), зависящий от коэффициента вариации максимального среднесуточного расхода весеннего половодья (От„) , и равный 1 при От„ < 0,30 , 0,98 при 0,30< Сут„ < 0,60, 0,93 при 0,60< Отах < 0,80, 0,87 при 0,80< Ота1< 1,00, 0,79 при От„> 1,00.

Сопоставление наблюденных скоростей течения в период низкого стока на территории ЦЧО и незаиляющих и незарастающих скоростей (Р.А.Не-жиховский, 1990; В.Н. Дерябин, И.М.Ширяк,1982) показало, что последние соответствуют минимальным среднемесячным летним 95% вероятности превышения ((?млс 95%)- Таким образом, в качестве среднего ненарушаемого расхода в период низкого стока может выбрана величина Омлс 95% ■

Продолжительность ненарушаемых расходов - Тн1Ш1 может быть определяется по формуле

Тн„и,= 31,54 х 10б - 0,92 х Ю6х(}г0,28 . (8)

Объем ненарушаемых водных ресурсов в период низкого стока - \Ун,„„ (м3) рассчитывается по формуле:

\Ун„и, = Омлс 95% х (31,54 X 10* - 0,92 х Ю6 х <5г °'м). (9 )

Суммируя выражения (7) и (9), получаем объем ненарушаемых водных ресурсов (для года средней водности) при отсутствии регулирования стока:

\Унпр„=Кх0,276х\Уг + Омлс95%х(31,54х106 - 0,92х106хОг°'28) . (10)

При комплексной оценке водных ресурсов важное значение имеет выявление закономерностей географической дифференциации. Для наиболее распространенных методов дифференциации - географической интерполяции и районирования необходим учет зависимости характеристик водных ресурсов от площади водосбора

Для дифференциации методов оценки водных ресурсов предложена расширенная классификация рек и временных водотоков, включающая временные водотоки (площадь водосбора до 50-200 км2), малые реки с эпизодическим подземным питанием (площадь водосбора - 50 (200) -1000 км2),малые реки с постоянным подземным питанием (площадь водосбора - 1000-5000 км2), средине реки ( площадь водосбора - 5000-50000 км2), большие реки (площадь водосбора более 50000 км2).

В третьем разделе описаны прчродные и антропогенные факторы формирования естественных водных ресурсов поверхностных вод на территории ЦЧО.

Рассмотрено распределение основных факторов (радиационного баланса, температурного режима, атмосферных осадков, рельефа, геологического строения, почвенного покрова и растительности) на территории ЦЧО и уточнено районирование территории по условиям формирования водных ресурсов.

Выделены антропогенные факторы формирования водных ресурсов (во-допотребление и водоотведение, гидротехнические мелиорации, агролесомелиоративные мероприятия, урбанизация, горнорудные работы, строительство водохранилищ и прудов, дорожные сооружения) на территории ЦЧО.

На примере рассмотрения влияния строительства водохранилища показана необходимость учета размера водотока и типа местности при анализе влияния на водные ресурсы.

Для временного водотока строительство водохранилища приведет к небольшим потерям на испарение, затопление, подтопление, увеличению питания подземных вод, уменьшению эрозии. Водоотдача из водохранилища при наличии противофильтрационных мероприятий близка к оптимальному пределу регулирования. На малой реке создание водохранилища сопряжено со значительными экологическими потерями, поскольку поймы имеют значительную ширину (1,5-2,0 км), русловой процесс развит, растительный и животный мир специфичен и иногда сильно отличается от окружающих пойму местностей. С технической стороны, вследствие морфометрических особенностей получение большой водоотдачи затруднено из-за больших потерь на испарение и фильтрацию. Для больших и средних рек - создание водохранилищ вызывает затопление обширных пойм, большие потери на испарение и фильтрацию, подтопление грунтовыми водами и , в целом, негативно сказывается на экологической ситуации.

В четвертом разделе рассматривается методика комплексной оценки поверхностных водных ресурсов и результаты их оценки для территории ЦЧО.

В качестве метода оценки естественных водных ресурсов - среднемного-летнего годового стока и годового стока 95% вероятности превышения принят метод изолиний с применением поправок на неполноту дренирования к картам изолиний (для малых водосборов). На основании данных по 95 пунктам наблюдений построены карты изолиний модуля среднемноголетнего годового стока и годового стока вероятностью превышения 95%. При этом учтены только пункты наблюдений с площадями водосборов от 200 до 50000 км2 (К.П. Воскресенский,! 962).

Модуль среднемноголетнего годового стока в ЦЧО уменьшается с северо-запада (5,0 л/с х км2) на юго-восток (1,0 л/с х км2). Отмечаются повышенные значения в верховьях Оскола (4,0 л/с х км2) под действием аномального дренирования подземных вод и в районе Капачской возвышенности (2,0 л/с х км2) под действием рельефа местности. Небольшое снижение модуля из-за особен-

ностей подземного питания рек отмечается для левобережных притоков Оки (4,0 л/с х км2).

Распределение модуля годового стока 95% вероятности превышения по территории ЦЧО также характеризуется уменьшением значений с северо-запада ( 3,0 л/с х км2) на юго-восток (0,5 л/с х км2).Однако увеличение и уменьшение модуля под действием аномалий геологического строения выражены более резко.

Карты модуля годового стока использованы для определения водных ресурсов административных областей. Результаты оценки приводятся в таблице 1.

Для водосборов с площадями менее 500 км2 (для среднемноголетнего годового стока) и 1000 км2 (для годового стока вероятностью превышения 95%) к значениям модуля стока, полученным с карты, вводятся поправочные коэффициенты на неполноту дренирования подземных вод. Для территории ЦЧО значения поправочных коэффициентов определяются по формулам:

Кср = 0,251 х Р °'222 , ( 1 1 )

К95 = 0,106 х Р 0 324 , (12)

где Кср - поправочный коэффициент к значению модуля

среднемноголетнего годового стока, снятого с карты;

К95 - поправочный коэффициент к значению модуля годового стока 95% вероятности превышения, снятого с карты;

Р - площадь водосбора, км2.

Учет влияния факторов хозяйственной деятельности на естественные водные ресурсы следует производить в соответствии с рекомендациями Государственного гидрологического института (В.Е.Водогрецкий, 1979; И.А. Шик-ломанов,1979).

Объем предельных ненарушаемых ресурсов в естественных условиях (без регулирования стока) для года средней водности определяется по формуле (9).

При регулировании стока величина ненарушемых ресурсов уменьшается на величину разности между объемом стока в весенний сезон (март, апрель, май) и величиной водоотдачи в весенний сезон.

Величины предельных ненарушаемых ресурсов использованы для построения карты их модуля для года средней водности. Возможность картирования модуля установлена по отсутствию связи между модулем и площадью водосбора.

Модуль ненарушаемого стока в естественных условиях на территории ЦЧО уменьшается с северо-запада (1,5 л/схкм2) на юго-восток (0,25 л/схкм2). При этом отмечается локальное увеличение значений в бассейнах водосбора р.Сосны (2,0 л/схкм2), верховьях Оскола, Северского Донца и р.Девицы (1,0 л/схкм2) под действием геологических факторов и в районе Калачской возвышенности (0,5 л/схкм2) за счет рельефа местности.

Таблица 1.

Естественные водные ресурсы ЦЧО в средний по водности год (числитель - км3, знаменатель - % среднемнолетнего годового стока)

Область Плошадь, км2 Население, тыс.чел Естественные водные ресурсы

Годовой СТОК Ненаруш. предельн. Эксплуа-тацнон. потенциальные Эксплуа-тацион. техн-эконом.

Белгородская 27100 1300 2.33 100 0.62 26,6 1.72 73,8 1.45 62,2

Воронежская 52200 2300 3,65 100 0,86 23,6 2,71 74,2 2,19 60,0

Курская 29900 1500 3.62 100 0,99 27,3 2.42 66,9 2.22 61,3

Липецкая 24100 1200 2.99 100 0,91 30,4 1,93 64,5 1.75 58,5

Орловская 24700 1000 3,65 100 1.22 33,4 2.24 61,4 2.12 58,1

Тамбовская 34400 1500 3.41 100 1,05 30,8 2,52 73,9 2.23 65,4

ЦЧО 192400 8800 19,65 100 5,65 28,8 13,54 68,9 11,96 60,9

Карты изолиний модуля использованы для определения ненарушаемых водных ресурсов административных областей ЦЧО и региона в целом. Результаты даны в таблице 1.

В зависимости от технологических возможностей в качестве эксплуатационных ресурсов могут выступать либо потенциальные (ПЭР), либо технико-экономические (ТЭЭР) водные ресурсы.

Потенциальные эксплуатационные ресурсы представляют собой разность между объемом водоотдачи при оптимальном предельном регулировании

стока и ненарушаемыми водными ресурсами при регулировании. Величина объема ПЭР \Упэр (мЗ) вычисляется по формуле :

= W,пn„т-WIIP.r , (13)

где \У'п„„т- полный объем воды, полученный за счет регулирования при оптимальных средних глубинах, м3;

\Унрс1 - объем ненарушаемых водных ресурсов при регулировании стока,м\

Для оценки потенциальных водных ресурсов по данным расчетов для 95 гидрологических створов построена карта модуля ПЭР на территории ЦЧО. Предварительно установлено, что модуль ПЭР не зависит от площади водосбора.

Распределение модуля ПЭР определяется климатическими и геологическими факторами. Значения его уменьшаются с северо-запада (3,0 л/с х км2) на юго-восток (1,0 л/с х км1). Отмечаются локальные увеличения модуля ( до 3,5 л/с х км2) в бассейне р.Сосны под действием аномальных геологических факторов, а в районе Калачской возвышенности (1,5 л/с х км2) под влиянием рельефа.

На основании карт изолиний модуля подсчитаны потенциальные эксплуатационные водные ресурсы административных областей ЦЧО и региона в целом. Результаты приведены в таблице 1.

Объем технико-экономических эксплуатационных ресурсов (ТЭЭР) вычисляется по формуле:

\УТЭЭР = \УПф.*г-\УНре. , (14)

где \\'пфакт - полный объем воды, полученный за счет регулирования при фактических средних глубинах эксплуатирующихся водохранилищ.

Средняя глубина эксплуатируемых водохранилищ по данным проектов принята равной 4 м. Величина \¥пфакт определяется в зависимости от а<!Ро 95% и ДЕ по формулам:

\\'пф»кт = -0,766 X Шфтота, + 78,25 для ДЕ = 0 - 99 мм , (15)

\¥пф«ет = -1,00 X Обр095% + 68,50 для ДЕ > 100 мм . (16)

Для территории ЦЧО по формуле (14) рассчитаны объемы и модули для 95 гидрологических створов для года средней водности. Распределение модуля ТЭЭР по территории ЦЧО аналогично модулю ПЭР и характеризуется только меньшими значениями.

Карты изолиний модуля использованы для определения технико-жономических эксплуатационных водных ресурсов административных областей ЦЧО и региона в целом. Результаты приведены в таблице 1.

При комплексной оценке водных ресурсов важным элементом является учет объемов воды \Vpa36 (м1), необходимых для разбавления загрязненных вод до нормативных показателей качества воды.

Формулы для определения ПЭР и ТЭЭР, включающие \¥разб запишутся в виде

\Vinp = \Упо..т - \VHpe.. \Vpai6 ,(17)

\Vttjp = \УПф»кт - \Vllp.. . \Уразб .(18)

Величина Wpaзб вычисляется по формуле

Wpa^б = QмЛc*%xkx(31,54xl0r,-0,96xl06xQ,O2íi), ( 19)

где к - кратность разбавления.

Величина кратности разбавления (к) зависит от состава сточных вод, поэтому для надежного определения \Уразб необходимо иметь данные о сбросе сточных вод и их химическом составе.

В работе проведен расчет кратности разбавления для широко распространенных на территории сбросов сточных вод животноводческих ферм. Анализ результатов расчета показывает, что для рек с площадями водосборов менее 3000 км2 в меженный период к менее 12, что согласно (О.Л.Юшманов,1985) недостаточно для самоочищения поверхностных вод. Данные полевого обследования рек Курской области, проведенного автором в 1997 году, подтверждают этот вывод.

Анализ таблицы 1 показывает, что обеспеченность эксплуатационными водными ресурсов территории ЦЧО почти в 2 раза меньше, чем полученная традиционными методами по среднемноголетнему годовому стоку. Поэтому экологически безопасное устойчивое развитие региона требует новых подходов к рациональному использованию и охране водных ресурсов региона.

В пятом разделе даны рекомендации по планированию рационального использования и охраны водных ресурсов региона.

Планирование рационального использования и охраны водных ресурсов является одной из функций системы управления водными ресурсами и должно включать разработку мероприятий по управлению водным и русловы й режимом. •

Для осуществления планирования необходимо проведение геоэкологи' ческого мониторинга. Применительно к водным объектам мониторинг включает в себя:

- оценку количественных и качественных характеристик водных объектов, потребности в воде, природоохранных ограничений;

- прогноз количественных и качественных характеристик водных ресурсов на различные сроки в соответствии с типом планирования (долгосрочным, средне-срочным, краткосрочным и оперативным);

- наблюдения за водным режимом, качеством воды и другими показателями природных комплексов в русле и на водосборе;

- анализ состояния сооружений, регулирующих водный режим и качество воды, и мероприятий на водосборе, воздействующих на характеристики водных ресурсов.

На рис.2 представлено дерево целей управления водными ресурсами региона. В соответствии с ним обязательной частью мониторинга является оценка водных ресурсов территории, методика которой рассмотрена выше.

Анализ данной схемы и функций существующих административных органов, показывает, что управление водными ресурсами в регионе разработано до уровня области (комитеты водного хозяйства), поэтому целесообразно ввести управление водными ресурсами в природоохранных целях на районном уровне и уровне местного самоуправления.

Учитывая важность решения проблемы организации управления водными ресурсами малых рек вопросы мониторинга должны быть переданы в ведение административных территорий и органов местного самоуправления с финансированием из средств, полученных за пользование природными ресурсами территории.

Для реализации целей управления необходимо применить концепцию эколого-хозяйственного баланса, предполагающую учет соответствия структурных элементов ландшафта и видов использования территории (Б.И. Кочу-ров,1995).

Конкретная реализация принципа соответствия структурных элементов ландшафта и видов использования территории, применительно к водосборам территории ЦЧО дана в составе мероприятий (агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических) по рациональному водопользованию и охране водных ресурсов, учитывающих размеры водосборов и тип местности. К агротехническим мероприятиям относится залужение в долинах, поймах, на склонах и почвозащитное земледелие на склонах. Лесомелиоративные Мероприятия включают посадку лесных полос в долинах, на поймах, в низовых частях склонов, создание оптимальной лесистости на водоразделах. К гидротехническим мероприятиям относится создание водохранилищ многолетнего регулирования на временных водотоках, водохранилищ сезонного регулирования и русловых на малых реках, русловых водохранилищ на средних и больших реках. Мероприятия по локальной очистке сточных вод могут быть привязаны к любому типу местности на водосборе.

Прогноз Количества и качества водных ресурсов, потребности в воде, динамики природных и хозяйственных комплексов

-гч-

Анализ состояния природного комплекса и сооружений

Рис.2. Дерево целей управления водными ресурсами региона

Оценка количества и качества водных ресурсов, потребности в воде, природоохранных ограничений

О

В заключении приведены основные результаты проведенного исследования.

1. Выявлена недостаточность традиционного подхода к поверхностным водным ресурсам как к величине годового стока с точки зрения охраны окружающей среды, рационального природопользования и стратегии устойчивого развития.

2. Разработана классификация, позволяющая на основании учета основных условий формирования, разделить водные ресурсы на две группы: естественные и искусственные, а естественные - на эксплуатационные и ненару-шаемые. Эксплуатационные ресурсы показывают возможность забора воды из водных объектов с учетом технологических и природоохранных ограничений, а ненарушаемые водные ресурсы представляют количество воды в реках, необходимое для нормального функционирования природных комплексов.

3. Исследованы существующие технологические ограничения на забор воды из водных объектов, показана необходимость выбора в качестве технологического ограничения - оптимального предела регулирования, предложена региональная методика его оценки.

4. Рассмотрены природоохранные ограничения на забор воды из поверхностных водных объектов. Показана необходимость выбора в качестве ограничений руслоформирующих расходов в период весеннего половодья и минимальных летних среднемесячных расходов 95% вероятности превышения в период межени. Предложена региональная методика определения природоохранных ограничений в годы средней водности.

5. Уточнена классификация водотоков по величине площади водосбора, включающая временные водотоки, малые реки с эпизодическим подземным питанием, малые реки с постоянным питанием, средние реки и большие реки.

6. Предложена типизация факторов формирования поверхностных водных ресурсов и описано их распределение на территории ЦЧО. Усовершенствовано районирование территории ЦЧО по условиям формирования поверхностного стока.

7. Уточнена методика оценки естественных поверхностных водных ресурсов на основе карт изолиний модуля годового стока с применением поправочных коэффициентов для малых рек и временных водотоков.

8. Разработана методика определения ненарушаемых водных ресурсов в годы средней водности для территории ЦЧО.

9. Предложена методика и разработаны алгоритмы оценки эксплуатационных ресурсов: потенциальных и технико-экономических в годы средней водности с учетом качества воды.

10.Оценены естественные, ненарушаемые и эксплуатационные водные ресурсы административных областей и территории ЦЧО в целом для лет сред-

ней водности. Результаты оценки указывают на необходимость привлечения дополнительных водных ресурсов для обеспечения природоохранных требований за счет регулирования стока.

11.Рассмотрено дерево целей управления водными ресурсами региона и предложен состав геоэкологического мониторинга водных объектов.

12.Проведен анализ территориальной структуры управления водными ресурсами региона и показана необходимость соответствия системы управления иерархии водных объектов.

13.Предложен состав агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических мероприятий, обеспечивающих рациональное использование и охрану водных ресурсов и дифференцированных по размерам водосборов и типам местности.

Основные положения диссертации опубликованы в работах :

1. Гидрологическое обоснование рационального использования и охраны водных ресурсов (В соавторстве с В.Н.Жердевым, А.Ю Че-ремисиновым).— Деп. ИЦ ВНИИГМИ-МЦД 10.06.88. 781гм 88. — 39с.

2. Гидрологическое обоснование комплексного использования водных ресурсов (В соавторстве с В.Н.Жердевым, А.Ю. Черемисиновым)// Повышение эффективности использования водных ресурсов в с.-х. 4.11.—Тез.докл. Всесоюзн.конференции.—Новочеркасск, 1989.— С. 105-106.

3. Мелиорация как фактор устойчивого развития сельского хозяйства (В соавторстве с В.Н.Жердевым, Ю.Ф.Наумовым и др) // Устойчивость производства и адаптивные системы ведения с.-х. -—Воронеж: Изд-во

• ВСХИ, 1990, — С.132 - 135.

4. Агроэкологические и природоохранные аспекты с.-х. мелиорации (В соавторстве с В.Н.Жердевым, А.Ю. Черемисиновым) // Эколого-мелиоративные аспекты рационального использования водных и земельных ресурсов в ЦЧЗ. —Воронеж, 1990. — С.5-16.

5. Гидролого-экономические аспекты комплексного использования водных ресурсов малых ( В соавторстве с В.Н.Жердевым)// Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа. Тез. докл. региональной конференции.—Новочеркасск,1990.— С.201-202.

6. Совершенствование землепользования с.х. предприятий в АПК на совре-менном этапе (Совместно с Н.Ш Азмамедовым, Н.Н.Болкуновой, В.И. Васиным и др.) // Устойчивость производства и адаптивные системы ведения с.х. — Воронеж:ВСХИ, 1990. —С.71-85.

7. К методике оценки водных ресурсов малых водосборов с учетом экологических требований (В соавторстве с В.Н.Жердевым) // Эколого-мелиоративные аспекты рационального использования водных и земельных ресурсов в ЦЧЗ. — Воронеж, 1990. — С. 16 -23.

8. Природоохранные гидрографы стока малых рек на территории ЦЧО (В соавторстве с В.Н.Жердевым)// Достижения аграрной науки — стабилизации с.-х. производству. Тез. докл. конференции. —Воронеж: Изд-во ВГАУ, 1991. — С. 97- 98.

9. Типизация малых водосборов по элементам рельефа и ландшафта при планировании водоохранных мероприятий (В соавторстве с В.Н.Жердевым)// Экологические основы природопользования в бассейне Дона.—Воронеж. 1991. — С. 61- 64.

10. Совершенствование мониторинга малых речных экосистем (В соавторстве с В.Н.Жердевым) // Эколого-мелиоративные вопросы землеустройства,- Воронеж, 1991. — С. 50-54.

11. Об эколого-мелиоративном управлении агросистемами (В соавторстве с В.Н.Жердевым, А.Ю. Черемисиновым)// Достижения аграрной науки —стабилизации с.-х. производству. Тез. докл. конференции. — Воронеж: Изд-во ВГАУ, 1991. — С.98-99.

12. Проблемы математического моделирования процессов переноса вещества и энергии в агросистемах (В соавторстве с В.Н.Жердевым, И.П. Землянухиным) // Научные аспекты формирования интеллектуальной собственности специалистов АПК России. Тез. докл. конференции. — Воронеж, 1993. — С.213-214.

13. Мониторинг земель: проблемы регионального дистанционного мониторинга малых речных экосистем (В соавторстве с В.Н.Жердевым, И.П.Землянухиным) //Экология и здоровье. Тез. докл. региональной конференции. — Пенза, 1993. — С. 28-29.

14.Структурно-морфологический подход к изучению водных ресурсов бассейна р.Дон (В соавторстве ц, В.Н.Жердевым) // Международные экологические чтения памяти К.К.Сент-Илера. Сб. научн. трудов. — Воронеж: Воронежский госуниверситет, 1998. —С.117-118.

15.Интегральная оценка водных ресурсов ЦЧО (Совместно с В.Н.Золоторевым, В.Н.Жердевым).— Воронеж:ВВВАИУ,1998. — 80 с.

С.Дегтярев

Подписано к печати 14.10.98. Заказ № 1110 Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Издательство Воронежского ВВАИУ 394064, г.Воронеж, ул.Ст.Бодьшевиков, 27