Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Резервирование стока половодий на основе анализа устойчивости экосистемы

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

Автореферат диссертации по теме "Резервирование стока половодий на основе анализа устойчивости экосистемы"

V? о?

ГОСКОВСЮШ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА-ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛКШИ и ОРДЕНА ТРУДОЮП) КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ШЕНИ И. В. ЛОМОЮСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

.на правах рукописи

БОЛОТНОВ Владкшф Петрович

УДК 502.7: 551.215(282.251Л)

РЕЗЕРВИРО ВАНИЕ СТОКА ПОЛОВОДИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ ( 'па примере поймы средней Оби )

11.00.II - охрана окружавшей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических нпук

Москча -

1990

Работа выполнена в лаборатории экологического нормирования стока Центрального научно-исопедовательского института комплексного использования водных ресурсов Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР (г. Минск)

Научны? руководитель - кандидат георафических наук,

старший научный сотрудник Б.В. Фащевский

Официальные оппоненты: доктор георафических наук,

профессор Ю.М. Матарзин;

кандидат географических наук, старший научный сотрудник А.К. Даниленко

Ведущая организация - Институт географии АН СССР

Защита диссертации состоится " ^ " >¿<¿¿/>/710^ 1990 г. г<и 7

в I■> часов на заседании физико-географического специализированного совета Д 053.05.29 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 18-07. /

С.диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета на 21 этаже.

Автореферат разослан " " ^-¿^ДЯ 1990 г. Ученкй секретарь специализированного

сонета, кандидат географических Кондратьева

' ВВЕДЕНИЕ

лс^н-.; I Актуальность теми. В условиях растущего антропогенного воздей-'" ствля на природу существующий экологический резерв биосферы должен использоваться особенно осторожно; Для этого должны быть определены режимы рационального регулирования состояния природной среды, с условием обеспечения сохранения высокого качества биосферы и способности природы к воспроизводству. Создание водохранилищ, каналов сопровождается коренным преобразованием естественного режима водотоков. Эти изменения затрагивают в первую очередь по Ямы рек. При реализации гидротехнических проектов необходимо учитывать, что природные комплексы пойм несут определенную экологическую функцию и что продуктивность пойменных экосистем в 4-10 раз выше континентальных в естественных условиях (Худяков П.А., 1933). В связи с этим становится очевидным необходимость установления границ вмешательства в естественный режим рек. Реализация данного подхода возможна через определение резервируемого-экологического стока, характеризующего предельные нагрузки, после которых экосистемы пойм еще сохраняет способность к естественному самовосстановлению.

Определение экологического стока имеет большое значение при освоении поймы одной из крупнейших рек Сибири - Оби. Здесь широко проводится сельскохозяйственная и рыбная мелиорация, перераспределяется сток Новосибирской ГЭС, в будущем добавится регулирование стока Катунской ГЭС в верхнем течении Оби и Крашшипской ГЭС па одном из крупных притоков в среднем течении - р. Томи. Проведение крупных гидротехнических мероприятий вызовет значительные изменения в экосистеме поймы средней Оби. В результате здесь огромная территория окажется в состоянии управляемого водного режима. Для рационального использования богатейцих ресурсов этой территории необходимо определить границы возможных изменений ее водного режима.

Качественно характеризовать состояние природного комплекса поймы позволяет понятие устойчивости экологических систем, а определить границы возможною изменения водного режима - расчет резервируемого экологического стока.

Рзль и основные задачи исследований.Целью диссертационной работы является нормирование антропогенных изменений стока весенних половодий на основе анализа устойчивости пойменных экосистем к воздействию половодий. Для достижения поставленной дали решались три основные задачи: I) теоретическая - использование основных положе-

пий теории устойчивости для пойменных экосистем; 2) методическая ~ разработка процесса конструирования экологического стока на основе анализа показателей устойчивости основных компонентов пойменных экосистем; 3) прикладная - расчет экологического стока для конкретных створов средней Оби»

Методика псспедозания.Реиение поставленных задач стало возможны:.! благодаря использованию методов системного анализа, основных положений теории устойчивости экологических систем и статистического моделирования. Скстелякй подход осуществлялся при рассмотрении механизма взаимодействия весеннего половодья и природного комплекса речных поьч. Методы статистического моделирования использовались при построении моделей взаимодействия половодий и основных компонентов поймеппых экосистем. Привлечение теории устойчивости позволило определить пределы перестройки и перехода в новое состояние пойменных экосистем.

Расчет показателей устойчивости проведен по методике, предложенной В.Д. Федоровым (1974). Показатели устойчивости к воздействию половодий определены с-1945-1986 годы для популяции водяной полевки, популяции ондатры, сообщества рыб, сообщества растительности по Шлейных лугов. Для птиц проведен описательный анализ. Использование показателей устойчивости позволило сравнивать разнородные компоненты пойменных экосистем - млекопитающих, рыб, растительность пойменных лугов, птиц. При этом учитывалось, что они имеют разнородную организационную структуру - от популяции одного вида до сообщества, включающего несколько видов.' Расчеты проведены для территории поймы в границах Томской области отдельно для южного, средненего и северного районов поймы, выделенных в соответствии с морфологическими особенностям! затопления поймы и антропогенным- влиянием изменений водного рея игла.

При расчетах устойчивости состояние биологических компонентов характеризовалось показателями хозяйственной продуктивности, действие половодий - индексом воздействия половодий (ИБП) (Болотнов В.П. 1986). Между ИШ и расходами воды за весенний период были построены переходные графики. В зависимости от устойчивости к изменению водного режима того или иного компонента пойменной экосистемы определялись сначала критичеысий ИШ, а затем по нему рассчитывался экологический сток весенних половодий, В случае, когда отсутствуют данные по стоку, можно использовать критический ИШ.

Исход т:е ран икс.Информационную основу прикладных и аналитичес-

ких исследований составили данные Томского облстатуправления, плановые и первичные материалы Томскойлпотребсоюза, Новосибирского отделения ВНИКОЗ, Томскрыбпрома, Западно-Сибирского территориального управления по гидрометеорологии и контролю природной среды, Томской бассейновой инспекции Минводхоза СССР, материалы научных отчетов лаборатории охраны природы НИИ биологии и биофизики при Томском университете и лаборатории экологического нормирования стока ЦНИИ комплексного использования водных ресурсов Минводхоза СССР, а также собственные материалы автора экспедиционных обследований поймы средней Оби в составе экспедиций НИИББ при ТГУ (1975-1986 гг.).

Научная новизна. В результате исследования обобщен и систематизирован теоретический и практический опыт определения остаточного экологического стока. Впервые разработаны теоретические основы расчета показателей устойчивости, гомеостаза и надежности оспов-ннх компонентов пойманных экосистем к изменению действия половодий. Их использование позволило с новых позиций обосновать оценки допустимых изменений водного режима и составить новую методику расчета экологического стока с позиций основных положений теории устойчивости. В работе обосновано использование комплексного показателя индекса воздейотЕия половодья для анализа связей биологических компонентов и половодий. На основании анализа многолетних данных построены фазовые портреты взаимодействия основных компонентов пойменной экосистемы р. Оби и половодий. Составлен прогноз влияния крупных гидротехнических мероприятий в бассейне р.' Оби на эти компоненты. '

Практическое использование. Проведенное исследование по масштабу рассматриваемых процессов, происходящих в пойлеиных экосистемах при проведении крупных гидротехнических мероприятий, занимает промежуточное положение между масштабом комплексных схем охраны природы бассейнов рек и биологических исследований, сосредоточенные на изучении структурных перестроек биокомпонентов на уровне отдельных ландшафтных единиц территории пойла. Предлагаемые выводы, разработки и предложения нацелены на региональный уровень планирования, рассчитанный на большие территории и длительное время. Они могут быть применены при составлении комплексных схем охраны природы, в республиканских и областных плановых заданиях на использование пойменных ресурсов, при проведении экологической эхе-

пертизы крупных гидротехнических проектов и расчетов остаточного экологического стока.

Результаты исследований переданы в Ленгипрогор, Союзгипровод-хоз, Томскгинроводхоз, Облохотуправление для использования при составлении региональных комплексных схем охраны природы. Самостоятельное значение имеют расчетные ряды индекса воздействия половодья, которые могут использоваться для анализа связей многолетних изменений водного рекима и биологических компонентов природного комплекса р. Оби, а также выявленные автором показатели устойчивости биологических компонентов пойменной экосистемы р. Оби, описывавшие многолетнюю динамику этого взаимодействия.

.Апробация работы. Проведенное исследование осуществлялось в русле тематики лаборатории охраны природы НИИББ при ТГУ и вошло в отчеты по двум законченны:.! темам НИР (1980, 1985 гг.). Различные теоретические положения диссертации-были доложены на научно-теоретической конференции "Взаимодействие природы и общества как комплексная проблома науки и практики" (г. Чита, 1981), на региональной конференции "Перспективы развития исследований по естественным наукам на Западном Урале в своте решений 7U1 съезда КПСС" (г. Пермь, 1981), на XII расширенном заседании Научного Совета Сибирского отделения АН СССР по комплексному освоению таежных территорий "Водные ресурсы тайги" (г. Иркутск, 1982),. на региональной конференции молодых ученых "Современные проблемы охраны природы, экологического прогнозирования и влияния факторов внешней среды на биосистевд и биообъекты" (г.. Томск, 1985), на У региональной научно-практической конференции "Молодекь и научно-технический ri • прогресс" (г, Томок, 1986), на региональной научно-практической конференции "Использование и охрана водных ресурсов бассейна Верхней Оби" (г, Новосибирск, 1908), на региональной научной конференции "Социальная экология и здоровье человека" (г. Хабаровск, 1988), на научно-практической конференции "Хозяйственная оценка ландшафтов Томской области" (г, Томск, 1988), на Всесоюзном совещании по проблеме кадастра и учета животного мира (г. Уфа, 1989),на совместном заседании отдела экологии НИИ биологии'и биофизики при Томском государственном университете и кафедры зоологии позвоночных биолого-почвенного факультета, кафедры охраны природы геопого-геогра-i]zi43CKoro факультета, кафедры гидрологии суши "Томского государственного университета, заседании Ученого совета ЦШ комплексного

б

использования водных ресурсов Шнводхоза СССР.

Материалы исследования опубликованы в 13 лечатних работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Общий объем работы - 277 глгишо-писных страниц, из них 143 - текста и 88 страниц приложения. Диссертация иллюстрирована 25 рисунками и содержит 43 таблицы, из которых 29 вынесены в приложение. Список исполз зованной литературы включает 114 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении определена актуальность проблем, сформулирована цель и задачи исследования. Рассмотрены состояние изученности вопроса резервирования стока для полей охраны природы, методология и нетодш« исследования, конкретизирована научная новизна работы. Даются сведения об объеме диссертации.

Глава I. Общая характеристика района исследований

Хозяйственное значение пойг.зд. Пойма р. Оби - богатейший природный комплекс, актизно осваиваемый человеком. Он включает в себя мколге ресурсы: плодороднее почвы, лес, сенокосный травостой, ягодники, рыбу, дичь, Панину. В д::ссерташш изучен участок средней Оби в границ;« Томской области площадью I,G млн. га. Здесь расположено 4 заказника, 22 охотничьих'хозяйства, уходья сельски: хозяйств и населения рыб.

Харагстерпстпкп водного реячма в естестве цк»?; услоп::ях. В пределах исследуемой территории расположен участок Оби общим протяжением 1169 км. Средний уклон-русла 0,044 f.'. Средние скорости течении в мекень 0,5-0,7 м/сек, в половодье 2,0-2,5 м/сек. Средний годо~сй сток измеряется от 60 юР (нос. Победа) до 195 кма (пос. Александровское). Ширина поймы изменяется от 6 км км до 20- 30 км на сене-ре. Главным источником питания т>еки являются зимние осадки, которые Армируют от СО до 90 ^ годового стока. Основная фаза водного режима - весенне-летнее половодье продолжительностью от 2 до 4 месяцев. Опираясь на природное районирование (Ю.А. Лхвов, 1963; B.C.

Хромых, 1972; Н.В. d тцан, Г.И. Лиханова,'1972; Г.В. ДоброзольскпЛ, Т.В. Афанасьева, Г.Л. Речезова, 1973 и др.) в зависимости от условий затопления и антропогенного изменения водного режима, на исследуемой территории молно выделить южный участок пойми ( от границ

Новосибирской области до устья р. Томи), средний (от устья р. Tora до устья р. Кети),северный (от устья р. Кети до границы с Тюменской областью).

Влияние хозяйственной деятельности на водный -лежим поймы. Ка водный реяш поймы средней Оби влияют два тша факторов -природные и антропогенные. На данном этапе в (формировании весеннего половодья главными являются природнве факторы (климат, морфология долины реки и др.). Антропогенные факторы: сельскохозяйственная и рыбная мелиорация, расчистка русла для водного транспорта, водопотребление, строительство мостов и дорог-приводят к локальным изменениям водного режима. Главным антропогенным фактором, изменяющим характеристики половолья, являются Новосибирская ГЭС, влияние которой распространяется до г. Колпашево. Регулирование водохранилкца снижает максимальные уровни весеннего половодья па шном участке (от устья р.- Томи) в многоводные годы на 30-60 см., в средние и маловодные - на 1,0-1,5 м., на среднем участке (нике устья р. Томи) - до 30 см у г. Кокпашево. Сооружение Крапк-винской ГЭС ка одном из главных притоков р. Оби - р. Томи, а такие каскада водохранилищ в верховьях Оби приведут к толу, что естественный водный режим будет заменен на редим, созданный человеком.

Глава 2. Условия существования и биологические особенности компонентов пойменной экосистемы.

Для анализа динамики природного комплекса поймы р. Оби использованы компоненты, тесно связанные с режимом затопления весенним половодьем: водяная полевка, ондатра, рыбы, луговая растительность, птицы. При анализе сезонных биологических циклов водяной полевки, ондатры выделяется цжл переживания половодья (Страутман Е.И., 1963; Максимов H.A., 1977 и др1.), который является самим критическим периодом в их жизни и определяет годовой уровень численности. Для основных ввдов рыб период половодья совпадает с периодом нерес-' та и нагула. На луговую растительность половодье воздействует, изменяя режим увлажнения почвы. Для птиц половодье, меняя год от года площадь затопления, ограничивает условия обитания.

Для изучаемых компонентов пойменной экосистемы выяснено, что максимальная продуктивность наблвдается. в годы, по своим характеристикам близкие' к среднемпоголетшш значениям'. Половодья выше

или ниже среднемноголетних значений приводят к снижению продуктивности этих компонентой, не обеспечивая оптимальных условий." Создание минимально-необходимых условий для поддержания продуктивности большинства выделенных компонентов в ре~пмо самовосстановления обеспечивается затоплением 40-60 % площади поймы на 0,7-1,Ом, сроком на 18-22 дня пе позднее 1-5 июня, с частотой один раз в 2 года.

Глава 3. Комплексный, показатель воздействия весенних

половодий на биологические ресурсы речных поил

Использование одпой-двух характеристик половодья (максимальный уровень, продолжительность затопления), часто применяемых при анализе связей половодного режима и биологических компонентов г "га-систем пойм, пе позволяет проводить полное сравпе/ае действий на них половодий. Поэтому предложен комплексный показатель - индекс воздействия половодий (ИБП), которгй описывает всю совокупность влияния половодья па биологические компоненты пойменной экосистемы с учётом высотшгс различий участков поймы. В показатель введено 6 составляющих. Первые 4 параметра (индекс даты начала затопления поймы, индекс продолжительности затоплекиг, индекс высоты затопления, падекс площади затопления) описывают гидрограф пловодъя, два других (ипдекс температуры воды, пщ.зке загрязнения) - характеризуют качество воды во время половодья. Для. ■ учета высотной структуры территории поймы принято допущение, что интенсивность воздействия половодий увеличивается пропорционально высоте выделенных участков; в связи с более редкими и менее сильными воздействиями па них половодий они обладают меньшими адаптационны.',га возможностями. Таким образом, принято, что на участке поймы, соответствующем более высокому уровню затопления, произойдет одинаковое по силе неблагоприятное .(или наоборот) изменение в сроки и при характеристиках половодья меньших, чем на участде, соответствующем более низкому уровню затопления.

Для деления поймы на уровни затопления использованы характерные уровни, принятые в проектной практике, - 95^, 75%, 50$, 2%> обеспеченности затоплением. Первые уровни 95? обеспеченности соответствуют очень низ гам местам поймы - сорам, устьям озер, которое затапливаются каждый год. Уровни 7555 обеспеченности - низким лугам. Уровни 50/5 соответствуют высоким лугам, а при уровне 25Г

печекности затапливается вся пойла, за исключением постоянно не-затапливаемьк грив;

Чтобы соотнести силы воздействия половодья па принятых характерных уровнях, использованы переходные коэффициенты, а для сравнения характеристик половодий в различные годы мезду собой в относительных единицах они отнесены к среднемноголетниы характеристикам • за весь период наблвдений. Общее уравнение индекса воздействия половодий имеет вид:

■J = £ ( 7Н - Ja - Ур + Я* У? * .

Общие уравнения отдельные компонентов ИШ имеют вид:

г/ _ »й X7ív- 6 / -re/u ^ С X üi-x,

А —-----

X

Частные уравнения компонентов ИШ имеют вид:

_ d 95 ■-/. a et dii-y/t + Cd dsoy. + cj »л

d

-I- ар P'f/c ■ ч- £рРь-С>% Cp Pib-'U

■Jp =.

•#¡4 =

Р

^ 9 Ь-/с -ГОН Ь^'/о ¿А ¿УС'Л ¿У? Л ¿5'% /?

* 8Р1 ьо у. г >"/<!

РЬ

7 2 7 Л

УС1 1 УР У/, , , Ле - соответственно индексы даты начала затопления поймы, продолжительность затопления, высоты затопления, площади затопления изучаемого района, температуры и загрязнен ния воды, с/, Р, Л, РАД, Я - скегодныо абсолютные значения харак- . теристик половодья, Jl Р, ь , Рл Л. 2 -их среднемноголетние значения. Цифры 95$, 75$, 50$, 25$ характеризует обеспеченность высотных -горизонтов пойыы, то есть показывают число лет, в течение которых они могут быть превышены половодьем. ИШ рассчитан для водпос-тов, принятых за опорные, - в/п Кругликовов/р Колпашево, в/п Александровское.

Глава 4. Методика анализа устойчивости пойменных экосистем.

Выделение поймы в отдельные экосистемы. Специфические свойства пой®, формирующиеся за счет водного режима реки, в частности периодичности затопления весенне-лстним половодьем, позволяет рассматривать ее территорию как отдельную природную систему.- Присутствие в пойменной экосистеме биотической состав;ллцей обусловливает ее способность активно сохранять своп характерные свойства. Биотическая составляющая, как активная чаоть экосиотемы, обладает устойчивостью, в основе которой лежат изменчивость и способность адаптироваться к абиотическим условиям",

Управпзгие пойменными экосистемами на основе показателей гос усточивости. Возможность регуляции основного фактора в пойме - режима затопления пргаодит к тому, что человек выступает как оператор, управляющий сложной системой, поведение которой зависит от многих переменных. В качестве целевой установки управления предлагается использовать концепцию разновесного природопользования (Ол-дак П.Г,, 1983), когда совокупная антропогенная нагрузка не превышает самовосстановительного потенциала экосистемы. Управляемой подсистемой является пойменная экосистема, управляющей - весонне-лет-нее половодье. Регуляция должна быть направлена на снятие флукту-аций половодий для удержания общей максимальной продуктивности пойменной экосистемы. Процесс изменения характеристик половодья есть ооновной канал управления. Превышение амплитуды нормальных колебаний водного режима определяет нарушение устойчивости п коренную перестройку пойменного природного комплекса. В качестве показателей состояния пойменной экосистемы предлагается использовать такие ее характеристики, как устойчивость, гомеостаз и надежность.

Общие положения устойчивости пойменных экосистем. При анализе пойменных экосистем использовано положение теории управления об устойчивости, заключающееся в том, что если после достаточно малого возмущения в сиотеме восстанавливается тот яе режим, который поддерживался в системе до начала возмущения, то процесс считается устойчивым (Новосельцев В.Н., 1978). За показатели устойчивости принималось-соотношение между мерой изменения требуемых свойств системы и мерой соответствующего воздействия. Согласно теории муль-тиустойчивости для систем компоненты экосистем (ложно рассматривать как независимые составляющие (сШби У.Р., 1964) и анализировать их устойчивость отдельно. Теоретически возможен расчет устойчивости

аддитивно через устойчивость ее объектов. Вводить ограничения на управление можно по лимитирующим компонентам пойменной экосистемы о самыми меньшими коэффициента!,го устойчивости.

Расчет устойчивости пойменных экосистем. Устойчивость продуктивности отдельных компонентов экосистемы определялась по формулам, предложенным Федоровым В.Д., Соколовой С.А. (1972), в которых в качестве меры устойчивости предлагаются критерии степени отклонения величин, характеризующих систему от средних значений

Ьи = .

¿х; = -Xс' , х = ,

— и

■ ьу; - У: , у = к X у;

1 = I

Хце х - воздействие на систему в момент измерения, - функция

воздействия (отклик системы),- количество измерений. Параметры Ъ измеряют относительную амплитуду отклонений. Подразумевается, что выполняется условие £ л , где - интервал измерений,Т -характерный период изменения исследованной величины х(*). В качестве параметров х использованы ИБП, в качестве У - показатели продуктивности компонентов. Использование полученных показателей позволяет построить кривые устойчивости компонентов экосистем от ИВП.

Выделение зон возможного Функционирования. При анализе кривых устойчивости вслед за предложения™ Федорова В.Д. (1974) определены зоны нормального, предельно-допустимого и неустойчивого функционирования. За зону нормального функционирования принимались участки кривых, где колебания значений устойчивости ассимптотически приближались к инварианте, за которую принималось среднее многолетнее значение. За зону предельно-допустимых отклонений принимались участки кривых устойчивости, для которых темп изменения устойчивости как отклика на изменение ИВП-в пределах от 1,0 до 1,5. За зону неустойчивости принимались участки кривых устойчивости, для которых темп изменения устойчивости соизмерим с изменением возмущающего фактора ИБП и равен 2. За границей этой

зоны наблюдается распад системы. Зоны нормального, предельно-допустимого и неустойчивого Функционирования в сумме образуют зону, которая названа зоной возможного функционирования. Показатели ИБП, определяющие границу зоны возможного функционирования лимитирукщих компонентов использованы для расчетов остаточного экологического стока и максимально-возможного стока.

Гомеостаз пойменных экосистем. Под гомеостазом пойменной экосистемы понималась ее способность поддерживать стационарное неравновесное состояние при изменяющихся условиях внешней среды. (Ле-вич А.П., 1976). Показатели гомеостаза характеризуют потенциальную устойчивость системы. Они дает возыояность выявить механизм связи внешнего Фактора с внутренним состоянием компонентов пойменной экосистемы и провести сравнение показателей этих компонентов мезду собой. Расчет показателей гомеостаза проводился по формуле

уть* I — тт

где&,'~ показатель устойчивости, соответствующий отдельному году в многолетнем ряду наблюдений. г минимальный показатель устойчивости (соответствуем как правило, зоне нормального Функционирования) предельный показатель устойчивости, ко торю! монет принимать природный компонент экосистемы в рамках зоны возможного Функционирования (по верхней кривой устойчивости). По рассчитанным показателя?.! гомеостаза определяется лимитирущий компонент экосистемы, имемций меньший запас прочности к воздействию половодий.1

Надежность компонентов пойменной экосистемы. Для технических систем используется следующее понятие наде-нос?л - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Для пойменных экологических систем можно использовать определение Федорова В.Д. (1075), который трактует нэдеяность как вероятность осуществления-процессов в экосистеме и поддержания во времени постоянства ее свойств. В этом отношении понятие надежности тесно смыкается с понятием устойчивости, так как для того, чтобы пойменная экосистема функционировала нормально, необходимо, чтобы показатели ее устойчивости не выходили из зоны возможного функционирования. Таким образом, квхли'Л выход устойчивости из зоны возможного функционирования монно рас-

сматривать как отказ системы, а надежность рассчитать по вероятной формуле:

Р = — • /00% h -1

и - общее количество лет наблюдений, т - количество лет с показателя!® устойчивости, попадающими в зону возможного функционирования.

Глава 5. Нормирование изменений стока весенних половодий на основе анализа устойчивости компонентов пойменной экосистемы.

Анализ устойчивости компонентов поименной экосистемы. По рассчитанным показателям устойчивости за период наблюдений с 1945 -1986 гг. бали построены кривые устойчивости исследуемых компонентов, на которых ввделены зоны возможного функционирования. Их состояние характеризовалось одной, двумя, тремя эмпирическими кривыми устойчивости, которые отражали различия в состоянии популяций и сообществ в отдеюные годы. Таким образом, на одно и то же воздействие половодий компоненты пойменной экосистемы реагирум: в зависимости от своей качественной и количественной структуры, которые определяют величину показателя устойчивости. Влияние половодий на устойчивость всех компонентов различно для южного, среднего и северного районов и определяется различиями морфологических характеристик поймы.

Исследуемые компоненты пойменной экосистемы р.Оби по величине максимальных показателей устойчивости для зоны возможного функционирования располагаются в следующем порядке: птицы (4.0), растительность пойменных лугов (3.70), рыбы (3.15), ондатра (3.10), водяная полевка (1.05). Таким образом, наибольшие показатели устойчивости имеют-сложные компоненты экосистемы на уровне сообществ и комплексов, меньше на уровне популяций. Предельные показатели возможного воздействия половодий (ИБП) в маловодные годы для компонента, допускающего самые меньшие отклонения от оптимальных значений, были использованы для определения остаточного экологического стока, а в многоводный период - для максимально-возможного стока. Лимитирующим компонентом воздействия малых половодий экосистемы поймы р.Оби, имеющим меньшие отклонения от оптимальных значений

воздействий половодий, для всех районов поймы выступает растительность пойменных лугов с показателями ИБП на влном участке - 0,59, на среднем - 0,55, па северном - 0,40, допуская отклонения от срсд-не-многолетних показателей ИБП не более 25 процентов. Для многоводных лет при определении .максимально-возможного стока, характеризующего какой максимальный сток можно пропустить чс-рез русло и пойлу, не нарушая сложившейся пойменной экосистемы, в качестве лимитирующего компонента принята водяная полевка, имеющая самке малые предельные ЮТ. Для южного и среднего района он составляет -1,50, для северного - 1,55. Данный компонент допускает отклонения от среднемноголетних значений не более чем на 10-15 процентов. На основе эмпирических данных для исследуемых компонентов получены зависимости = $(?/>)с достоверностью 95 процентов для зоны возможного функционирования в форме полиномов.

Анализ гомеостаза исследуемых компонентов пойменной экосистемы на основе показателей устойчивости. Показатели гомеостаза элементов пойманной экосистемы р.Оби, как и показатели устойчивости различны для южного, среднего и северногорайонов и определяется гсс состоянием, условиями обстапия, взаимодействием с половодьем. Лимитирующим коипонс-таом при уменьшении действия половодий является популяцгл водяной Цолевкн с показателя:гомсостаза 0,50 на таном, 0,95 - среднем и 0,£0 - северном участках поймы. Боль-иинство изучаемых компонентов имеет наибольшую величину абсолютного гомеостаза на среднем участке поймы (до 2,80), где по условиям затопления во время половодья складываются более разнообразные условия обитания, за исключением рыбного сообщества, для которого благоприятнее северный участок (до 2,10). Различия в запасе прочности между простили и сложными компонентами пойменной экосистемы р.Оби, заключающиеся в том, что у сложных компонентов гомео-стаз больше, чем у простых отмечены только на северном участке поймы (где растет интенсивность воздействия половодий).

Анализ надежности исследуемых компонентов пойменной экосистемы на основе показателей надежности. В диссертации рассчитаны показатели надежности компонентов пойменной экосистемы раздельно для маловодных лот и для всей зоны возможного функционирования. Анализ показателей надежности для поймы р.Оби показал, что здесь простые (на уровне популяций) и сложные (на уровне сообществ) компоненты по показателям надежности резко не отличаются. Показатели

надежности исследуе;.-ых компонентов для зоны возможного функциониро-рапня изменяются от 21$ до 64$ на юкьом, от 40$ до 64$ на среднем, от С 2$ до 03$ на северном участке поймы. Показатели надежности исследуемых компонентов к действию малых половодий изменяются от 50$ до на хлном, от 62$ до 03$ на среднем, от 67$ до 83$ на северном участке поймы. Для большинства изучаемых компонентов доля маловодных лет должна составлять от 40 до 65 процентов. Лимитирующим компонентом с меньшими значениями надежности к действию малых половодий в поше р.Оби является растительность пойменных лугов с показателями от 50$ до 67$. Это связано с тем, что данный компонент имеет меньшую зону возможного воздействия и соответственно вероятность попадания в нее меньше.

Расчет и анализ остаточного и максимального возможного стока весенних полоподп" р.Оби на основе показателей устойчивости. го-моостаза и надепвостп компонентов пойменной экосистемы. Переход от предельного ИБП к остаточнсу экологическому стоку осуществляется графическим путем по связи ; гжду ИВП и й вес. для каждого участка поймы. При этом использовались кривые, характеризующие маловодную группу лет, а для максимально-возможного стока - многоводную. Для расчетов остаточного экологического стока в качестве лимитирующего компонента по показателям устойчивости и надежности была принята растительность поименных лугов. Резервируемый сток весенних половодий при его перераспределении крупными гидротехническими мероприятиями относительно средне-многолетнего должен составлять 92$ на южном, 84$ на среднем и на .северном участкгх поймы. Предель-: зе индексы воздействия малых половодий равны 0,60 для южного, 0,55 для среднего и 0,40 для северного участков поймы. При этом использование индексов воздействия половодий позволяет проводить более полную дифференциацию биологических компонентов между собой. Использование полученных соотношений между остаточными расходами воды отдельных компонентов позволяет, выполнив расчет по одному компоненту, перейти к другим.

При определении максимально-возможного стока в качестве лимитирующих компонентов'для южного участка поймы выступает растительность пойменных лугов, для среднего и северного - водяная полевка. Допустимое превыпение весенпих половодий над их среднемноголетним значением при перераспределении гидротехническими сооружениями должно быть не более 10-15 %. Для поймы средней Оби на южном участке -

14%, на среднем -8$, на северном - П/».

Прогноз влияния крупных гидротехнических мероприятий в пойме средней Оби-. Одновременное регулирование весеннего половодья Новосибирской и Крапивинской ГЭС приведзт к перестройке природного кошлекса среднего участка поймы,- который примет вид, характерный для южного участка от устья р.Томи до устья р.Чулыма, и будет иметь переходную зону до устья р.Кети или границ северного участка. На среднем участке будут затронуты перестройкой все исследуемые компоненты пойменной экосистемы от птиц до растительности пойленнкх лугов. Зцесь будут нарушены пределы возможного ИБП. Природный комплекс примет другой тип, близкий к южному участку: в структуре населения птиц уменьшится доля водоплавающих и куликов, будет изменена естественная продуктивность пойле иных лугов и рыб. Удовлетворительно перестройку водного режима перенесут водяная полевка и овдатра. На северном участке эти процессы будут более сглажены, основное влияние скажется на рыбах, уловы которых значительно уменьшатся.

Выводы

1. Анализ взаимодействия весенних половодий и биологических компонентов с позицш! устойчивости необходимо проводить районированного учетом геоморфологических особенностей пойл л пнтенсивпос-ти действия половодий. В пределах исследуемого района пойщ сродней Оби выделены шиий, средний и северный участия пойл.

2. Состояние биологических компонентов пойленнцх экосистем характеризуется несколькими кривили устойчивости (до трех), соответствующими их различным попудяцконпш и мзжпопуляционнкм особенно стям.

3. Наибольшие показатели устойчивости имеют сложные компоненты экосистемы на уровне сообществ и комплексов, меньшие - на уровне популяций. В пойле р;0бп для зоны нормального санкционирования наиболъ.; ,е показатели устойчивости отмечены на вигом и северном участках поймы у сообщества рыб (соответственно 2.00 и 3.20), на среднем у растительности пойменных лугов (3.20). Самые малке показатели устойчивости имеет популяция водяной полевки (от 0,30 до 0,70).

' 4. Лшнтируициа компонентом при ограничении действия полопо-_дий меньше и больше оптимальных значений в пойменных экосистемах

являются:

- по показателям индекса воздействия половодья, - растительность пойменных лугов;

- по показателям гомеостаза, - популяция водяной полевки;

- по показателям надежности, - растительность пойменных лугов.

5. Нормирование изменений естественного стока половодий на основе предельных показателей устойчивости пойменных экосистем для года средней водности допускается:

- объем стока от 15 до 25$, для поймы средней Оби на южном участке - 8}!>, на среднем - 16$, на северном - 257»;

- превышение среднего стока на Ю-15$; для поймы средней Оби на южном участке - 14/», на среднем - 8$, на среднем - НЙ.

6. Использование показателей устойчивости, гомеостаза и надежности для прогноза изменений природного комплекса поймы Средней Оби в случае реализации крупных гидротехнических проектов в бассейне реки показало:

- на жном участке поймы произойдут коренные изменения: ее природный комплекс.приблизится к плакорному;

- на среднем участке поймы произойдут частичные изменения из-за неблагоприятнее условий в низкие по водности годы.- Природный кошлеке будет сходен о тем, который существует сейчас на южном участке;

- на северном участке изменений природного комплекса поймы не произойдет.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Болотнов В.П. О динамическом равновесии пойл иных экосистем в связи с проблемой охраны природы // Взаимодействие природы и общества как комплексная проблема науки и техники. - Иркутск -Чита, 1981.- Вып. 3. - С.40-41.

2. Болотнов В.П. 0 моделировании водного режима р.Оби для целей охра .ы природы// Проблемы охраны о;сружающей среды в районах о интенсивно развивающейся промышленностью. - Кемерово, 1982.- С.124

3. Болотнов В.П. Комплексной показатель вседействия весеннего половодья на биологические ресурсы пойм // Шлодые ученые - народному хозяйству. Томск.1966.- С.6.

4. Болотнов В.П. Комплексный анализ устойчивости пойменных

экосистем к изменениям водного режима // Социальная экология и здоровье человека/. Тез.докл./ - Хабаровск.- 19^8.- С.25-25.

5. Болотов В.П. Метод резервирования стока весенних половодий на основе анализа устойчивости биологических компонентов пойменных экосистем // Хозяйственная оценка ландшафтов Томской области /Тез.докл./ Томск.- 1900.- С.36-39.

6. Болотнов В.П. Устойчивость продуктивности' популяции ондатры в пойме средней Оби // Биопродуктивность и биоценотические связи наземных позвоночных юго-востока Западной Сибири/ Изд-во Томе.ун-та.- I9C3. С.133-138.

7. Болотнов В.П. Пути взаимодействия информации Государственного кадастра животного мира СССР и Государственного водного кадастра СССР на основе экологнчеекпх показателей (на примере речных пойм)// Всесоюзное совещание по проблеме кадастра и учета животного мира/ Тез.докл./ Уфа, 19БЭ, - 4.1— C.I00-I0I.

8. Болотнов В.П., Гундризер А.Н., Долгин B.Ii., Новиков Е.А., Попов В.А., Усьпшн В.«. Влияние крупных.гидротехнических мероприятий в бассейне Оби на гидрофауну // Водные ресурсы тайги/ 1'] кутскг 1934,- C.I5I-I55.

9. Адам A.M., Болотнов В.П. Изучение влияния весенних паводков на природные комплексы пойми в природоохранных целях // Перспективы развития исследовании по естественным наукам на Западном Урале в слете решений съезда КПСС.- Пермь,- 1ЭЙ1.- С. 143.

10. Адам A.M., Болотнов В.П. Анализ влияния весенних паводков на структуру населения птиц поймы Средней Оби для целей охраны природы//Томскпй гос.ун-т.- Томск.- 1987,- С.29 - Деп. в ВИНИТИ 3.03. 82, Я- 1040.

П. Адам A.M., Болотнов В.П. Прогноз изменения плотности населения птиц в noibe Оби в связи с проведением крупных гидротехнических мероприятий// Вмолодых биологов Сибири в решение вопросов Продовольственной программы и охраны окружающей среды/ Тезисы докладов региональной конференции 9-10 апр. 191'Ат./ Улан-Удэ, 1934.- С.91.

12. Дохненко С.П., Болотнов B.II. Устойчивость уловов рыб к изменения!.' водного рекима./' Охрана и рациональное использование ресурсов Западной Сг.бири/ Материалы Всероссийской научно-студенческой конференции/ Томск.- IDS5. С.141.

13.Г!инк;ш Н.А. , Адам A.M., Бомтюв В.П., ГУидризер А.П.,

Куранов Б. Д., Татарников В.А. Опыт использования пакет i прикладной статистики СОШ для анализа ресурсных комплексов в пределах Томской области // Хозяйственная оценка ландшафтов Томской области/ тез.докл./ Томск. 1988.- С.197-198.