Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Создание механизма управления экосистемой малого водохранилища в условиях возрастания антропогенной нагрузки

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Создание механизма управления экосистемой малого водохранилища в условиях возрастания антропогенной нагрузки"

На правах рукописи

005017363

БОБЫЛЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

СОЗДАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКОСИСТЕМОЙ МАЛОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В УСЛОВИЯХ ВОЗРАСТАНИЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ (на примере Шершневского водохранилища, г. Челябинск)

Специальность: 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 и

-.г-У)

Челябинск - 2012

005017363

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государствен», университет» (национальный исследовательский университет) на кафедре «Водоснабжение и водоотведение»

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Рассказова Надежда Степановна

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор, Разумовский Владимир Михайлович

(ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственн университет экономики и финансов)

кандидат географических наук, доцент, Ларченко Ольга Викторовна (ФГБОУ ВПО Пермский государственный национа исследовательский университет)

Ведущая организация: ФГУП «Уралгеоинформ»

Защита состоится « 24 _» мая 2012 г. в « _» часов на зас

диссертационного совета Д 220.025.03 при ФГБОУ ВПО «Государсти университет по землеустройству» по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова конференц-зал. Тел. (499)261-49-63. факс (499)261-95-45.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 105064, Моек Казакова, 15, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустрої" диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в научном отделе библиотеки (I ВПО «Государственный университет по землеустройству».

Автореферат диссертации разослан и размещен на сайте http://vak.ed.gov.ru/ «¿V» апреля 2012 г. и на сайте университета www.guz.ru «27» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

СоШХШч&ХЬ

Т.А. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

дуальность исследования. Шершневское водохранилище является шственным источником всех видов водоснабжения: питьевого, производствен-■о и хозяйственно-бытового для города Челябинска, а также населенных пунктов, »дящих в состав Челябинской агломерации. Общая численность населения тавляет 1,5 млн. человек. Водохранилище испытывает колоссальные нагрузки, ^словленные сочетанием ряда природных и антропогенных факторов. Оно анизовано на маловодной реке, является вторым водохранилищем в каскаде. В [у своих морфометрических характеристик и верхового расположения водозабора :умулирует нагрузку природного характера. Неосвоенная часть водосбора »ственно водохранилища рассматривается в качестве площадки перспективного вития Челябинска. Река Миасс, на которой создано Шершневское юхранилище, относится к Обскому бассейну, она является единственной водной ерией в районе Челябинской агломерации. Водопотребители Челябинска и городов используют весь суточный расход реки Миасс. При этом водосбор [асса является источником поступления загрязняющих веществ в акваторию юхранилшца.

В результате развития Челябинской агломерации и территорий на водосборе Юхранилища отмечается растущая потребность в водопотреблении. С другой >роны, в результате возрастания нагрузки на Шершневское водохранилище 1аничивается возможность его использования в качестве постоянного источника ^снабжения. Одной из основных проблем Челябинской агломерации является [шцит водных ресурсов. Постоянно меняющееся воздействие водосбора как >ственно водохранилища, так и водосбора реки Миасс, требует выработки общих годических подходов оценки природного и антропогенного воздействия на водные эекты, рассматриваемые в системе с водосбором.

Сбор данных о состоянии частных водосборов требует изучения колоссально объема данных, длительной обработки, в результате чего собранные некогда шые могут стать неактуальными. Такой подход не приемлем не только для снятия оперативных решений, но и для решений управленческого характера, ванных с планированием развития территорий водосбора. Ввиду отсутствия (можности объективной оценки вклада частных водосборов в общее загрязнение )бходимо разработать методические подходы для экспресс-оценки воздействия •ропогенной деятельности на водосборе на состояние водных объектов.

К сожалению, современное водное законодательство не отражает объекты, значимости сопоставимые с Шершневским водохранилищем с позиции их )аны. Дальнейшее развитие территории водосбора должно производиться с учетом возможного воздействия на систему водных объектов, что должно регулироваться законодательном уровне, технически и технологически.

ъект исследования. Объектом настоящего исследования является Шершневское юхранилище, которое будучи вторым звеном в каскаде, рассматривается в систе-

ме с Аргазинским водохранилищем и участком реки Миасс между данны» водными объектами.

Предметом исследования выступает изучение воздействия хозяйствен» деятельности на водосборе на водные объекты с последующим прогнозированш данного воздействия с учетом его развития. Одним из результативных аспект антропогенной деятельности является пространственная структура организац] хозяйственной деятельности на территории водосбора. В основу рассмотрен: данной структуры положено функциональное использование территории водосборг Целью исследования является создание механизма управления системой воднь объектов «Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневск водохранилище» и их водосборов, а также оценки воздействия антропогеню деятельности на водосборе на гидроэкологическое состояние водных объектов. Д достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:

1. Разработать систему учета воздействия верховых звеньев каскада и ] водосборной площади на низовое звено (Шершневское водохранилище).

2. Обосновать возможность использования системы функционально зонирования территории водосбора в качестве пространственной основы д оценки воздействия антропогенной деятельности на состояние водш ресурсов.

3. Проанализировать состояние экосистемы водных объектов, динами воздействия водосборной площади на каскад водных объектов и выяви возможные механизмы управления экосистемой.

4. Создать инструментарий для организации информационного пространен мониторинга, моделирования и поддержки принятия управленческ] решений на основе экспресс-оценки воздействия хозяйственн! деятельности на водосборе на водные объекты.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы различных областей науки:

• методы математической статистики (для анализа статистическ! тематической информации, а также статистический метод проведения ме совых опросов);

• 8\ЮТ-анализ (анализ текущего и перспективного использован Шершневского водохранилища в качестве источника водоснабжения);

• картографические методы (составление тематических карт метод< генерализации на базе топоосновы; составление водохозяйственной схе,\ района метод графов);

• анализ территории по данным дистанционного зондирования;

• метод камеральной обработки первичной пространственной и тематически информации;

• геоинформационное моделирование (пространственный анализ как основн средство ГИС);

• имитационное моделирование (для оценки воздействия территории

водосбора на водные объекты).

учная новизна исследования. Шершневское водохранилище, основной источник ^снабжения Челябинской агломерации, является малым и вторым юхранилищем в каскаде. В результате развития агломерации антропогенная рузка на водоем увеличивается.

Большинство исследований проводятся на крупных водохранилищах, "анизованных на реках с большими расходами. Малые водохранилища, ¡положенные в крупных промышленных центрах остаются объектами (тоизученными. Уникальность района Челябинской агломерации заключается в I, что крупная агломерация с развитым комплексом промышленного эизводства, образованная областным центром и его городами-спутниками шейск, Коркино, Еманжелинск) расположена на реке с малым расходом -юбная ситуация является уникальной для России. В связи с этим проблема 1ичества и качества водных ресурсов является одной из основных для пябинской агломерации.

Методологическая новизна заключается в том, что впервые в практике, в шом исследовании использовано сочетание градостроительного и фоэкологического подходов для оценки изменений воздействия территорий юсбора на гидроэкологическое состояние водных объектов при изменении их нкционального назначения. Изменение функционального зонирования госборной площади (составляющая градостроительной деятельности) впервые хматривается как инструмент управления экологическим состоянием водного ьекта. Структура функционального зонирования территории рассматривается как юва сбора данных о состоянии водосбора.

[формационная база. В работе использованы гидрологические и фоэкологические данные, предоставленные для исследования специалистами редры водоснабжения и водоотведения ЮУрГУ, Южно-Уральского филиала жнеобского бассейнового водного управления, уральского филиала РОСНИИВХ, УНИИВХ, МУП ПОВВ г. Челябинска. В качестве картографической основы тользованы картографические материалы открытого пользования, созданные при тосредственном участии автора исследования. Работа выполнена при технической вдержке специалистов ФГУП «Уралмаркшейдерия». Использованы также эвичные материалы собственных наблюдений автора. Градостроительные данные же были собраны и проанализированы автором исследования. В работе, помимо щиальных тематических материалов, нашли отражение различные литературные гочники по экологической, краеведческой и общегеографической тематике, хнические расчеты, тематическое обновление топоосновы, тематическое этосоставление, геоинформационное и имитационное делирование, графическое представление результатов выполнены тосредственно автором.

Практическая значимость результатов заключается:

1. В обосновании необходимости совместного применения градостроительно] и гидроэкологического подходов при разработке планирования развития территориГ

2. В использовании геоинформационной системы, разработанной автором ] основе ПО «Панорама», в качестве инструментария исследования для реализащ совместного применения градостроительного и гидроэкологического подходов.

3. В базу данных ГИС заложен тематический картографический материа актуализированный по данным дистанционного зондирования; ГИС-инструментар! использован также как средство экспресс-оценки воздействия водосбора на водш объекты при принятии управленческих решений, как перспективного, так оперативного характера.

4. Основной результат — установление связи между пространственш структурой хозяйственной деятельности на водосборе и качеством водных ресурс» в исследуемом районе.

Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены ] внутривузовских конференциях, на региональных конференциях: «Природное культурное наследие Урала» (2006, 2007), «Охрана водных объектов Челябинске области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательств; (2007, 2008, 2009, 2010)», межрегиональных конференциях «Проблемы географ1 Урала и сопредельных территорий» (г. Челябинск, 2008, 2010). Автор выступил докладами на Международных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2007, 2008, 2009» I Новосибирск) и Международной научно-практической конференции «Современш проблемы водохранилищ и их водосборов» (г. Пермь, 2009). Научн исследовательская работа включена в состав региональной программы «Чист вода» в 2008 году. Собранные автором материалы по гидроэкологической темати использованы территориальными органами структуры Росреестра (ФГУ «Уралмаркшейдерия») при создании и обновлении цифровых карт на территори Челябинской области. Созданная автором геоинформационная система принята использованию МУП «Производственное объединение водоснабжения водоотведения» г. Челябинска, данная система также прошла тестирование ; кафедре «Градостроительство» Южно-Уральского государственного университета. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литератур и приложений. Основное содержание изложено на 152 страницах машинописно текста, иллюстрировано 17 таблицами и ¿6 рисунками. Список литературы содерж 12.У наименований. Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность и признательность докто] географических наук, профессору Рассказовой Надежде Степановне за руководст исследованием, доктору технических наук, профессору Денисову Сергею Егоров» за ценные замечания.

І

(ЁПЯ6ИНСК1 ГОРОДСКОЙ ОКРУГИ

'-¿Я-, подлы* ! районі/

С СОВЕТСКИЙ РАЙОН

Аргаэинское водохранилище

сосновский

МУНИЦИПАЛЬНЫЙ РАЙОН

Шершневское водохранилище

МИАСС

ІЕЛЯЕзИНСК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Шершневское водохранилище расположено на территории Челябинского юдского округа (юго-западная часть). На западе по урезу воды проходит граница лябинского городского округа и Сосновского муниципального района I лябинской области (центр - с. Долгодеревенское). На водосборе водохранилища с :тока расположена застройка г. Челябинска: жилые кварталы, производственные ,)ритории, садоводческие товарищества, транспортная инфраструктура. В яплотинной части с восточной стороны расположен Городской бор — особо раняемая территория. Западный берег занят преимущественно сельхозугодиями, юво-дачными кооперативами, в настоящее время рассматривается как площадка эспективного развития города Челябинска и сети поселений его агломерации.

Водозабор г. Челябинска (пос. Сосновка) расположен в верховой части дохранилшца.

Рис.1. Каскад водохранилищ на реке Миасс (Шершневское водохранилище)

7

Основной русловой сток в водохранилище осуществляется рекой Миас выше по течению которой расположен регулятор каскада - Аргазинсю водохранилище (создание 1939-1946 гг.) в ), основное назначение которого состоит управлении уровнем Шершневского водохранилища (создание 1964-1969 гг Водосбор Аргазинского водохранилища с запада представляет собс производственную территорию (г. Карабаш), стоки которой поступают в водоем. Ь водосборе реки Миасс (на участке между Аргазинским и Шершневски водохранилищами) развита сельскохозяйственная деятельность. В непосредственнс близости от уреза расположена также застройка нескольких крупных сельсю населенных пунктов (рис.1).

Ввиду сложности системы субъектов негативного воздействия ] Шершневское водохранилище требуется создание эффективного мехашш управления экосистемой.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1 Представление объекта исследования в виде природно-антропогенно] комплекса, состоящго из трех подсистем: Аргазинское водохранилище река Миасс - Шершневское водохранилище позволяет проводить е] целостное исследование и решать задачи, направленные на изучеш процессов трансформации и передачи вещества, энергии и информацш Представим структуру объекта исследования в виде трех подсисте] основываясь на территориальном принципе:

• Аргазинское водохранилище;

• Река Миасс (участок Аргази — Шершни);

• Шершневское водохранилище (в подсистему включена также акватор] реки Миасс непосредственно вблизи зоны выклинивания подпора).

Каскад водохранилищ на реке Миасс создан для обеспечения всех вид* водоснабжения Челябинского промузла. Сток реки Миасс в значительной степе! регулируется указанным каскадом водохранилищ. Верхним регулятором каска, является Аргазиинское водохранилище, созданное для поддержания постоянно: уровня Шершневского водохранилища, управление которым может производиться ограниченных пределах, исходя из условий Сосновского водозабор расположенного в верховье Шершневского водохранилища. Водохранилищ расположенные на реке Миасс выше Аргазинского и созданные исключительно д водоснабжения Миасского промузла не оказывают существенного воздействия ] гидрологический режим Аргазинского водохранилища. С учетом вышеупомянуто: были обозначены границы объекта исследования: Аргазинское водохранилище река Миасс (участок от плотины Аргазинского водохранилища до Шершневско водохранилища) - Шершневское водохранилище.

Каскад с технической, технологической и гидроэкологической точек зреш представляет собой систему, элементы которой непосредственно связаны друг другом переносом вещества и энергии.

Вследствие сложности исследуемой системы водных объектов, а также инородности данных о ее состоянии следует рассмотреть отдельные ее составные ;ти (подсистемы): Аргазинское водохранилище, река Миасс и Шершневское юхранилище.

В качестве критериев данного разделения приняты:

• геоморфологические особенности водных объектов;

• структура хозяйственной деятельности на территории водосбора и, как следствие, характер воздействия на водный объект посредством переноса вещества и энергии;

• характер ландшафта водосборной площади;

• наличие искусственных систем водоснабжения и гидротехнических сооружений.

Необходимость комплексного рассмотрения продиктована:

• сложностью общих и причинно-следственных отношений между подсистемами;

• тесным взаимодействием системы водных объектов с водосбором;

• вовлеченностью рассматриваемой системы в сложный цикл взаимодействия с объектами народного хозяйства;

• сложностью структуры информации и разнородностью данных об объектах исследования.

Представим структуру взаимодействия звеньев каскада в виде логической :мы, в ее основе — накопленное воздействие одних объектов на другие без учета лплексного рассмотрения (таблица 2) и с учетом комплексного рассмотрения блица 1).

На рис. приведено расположение условных позиций наблюдения за 1Имодействнем подсистем каскада. Данные позиции соответствуют номерам зсистем в таблицах. Итак, 1 - наблюдается воздействие только Аргазинского юхранилища, 2 — наблюдается воздействие Аргазинского водохранилища и реки гасс, 3- наблюдается воздействие Аргазинского водохранилища и реки Миасс на гршневско водохранилище. В таблице 1 в виде рангов 0, 1, 2, 3 представлено сопление воздействия подсистем с учетом разбавляющей способности водных ьектов. Так ранг 3 присваивается подсистеме, расположенной выше точки элюдения, т.е. системе с порядковым номером N. считая от точки наблюдения, здействие подсистем, расположенных по каскаду ниже, оценивается на ранг ниже, . ранг 2 присваивается системе с номером N+1, а балл 3 - системе N+2.

Присвоение рангов (табл.2) проведено с учетом самовосстанавливающей зсобности водных объектов (больший ранг присваивается объекту с наибольшим яением воздействия фактора). В основу ранжирования положен бассейновый янцип. Сопоставление таблиц 1,2 показывает взаимодействие подсистем в >уктуре каскада водохранилищ реки Миасс при различном расположении точек, в горых проводилась оценка накопленного воздействия подсистем друг на друга 1.т.2, т.З).

Табли

Структура взаимодействия подсистем каскада водохранилищ на реке Миасс с _применением комплексного рассмотрения__

Место наблюдения накопленного воздействия Аргазинское водохранилище Река Миасс Шершневское водохранилище Накопленно воздействие по территорі

1. Аргазинское водохранилище 3 0 0 3

2. Река Миасс 2 3 0 5

З.Шершневское водохранилище 1 2 3 6

Накопленное воздействие по подсистемам 6 5 3

В таблице 2, ввиду отсутствия комплексного рассмотрения, все подсистемам присвоен одинаковый балл. Таблица Структура взаимодействия подсистем каскада водохранилищ на реке Миасс без учета комплексного рассмотрения

Место наблюдения накопленного воздействия Аргазинское водохранилище Река Миасс Шершневское водохранилище Накопленно воздействие по территорі

1. Аргазинское водохранилище 1 0 0 1

2. Река Миасс 0 1 0 1

З.Шершневское водохранилище 0 0 1 1

Накопленное воздействие по подсистемам 1 1 1 3 3

Для обоснования необходимости комплексного рассмотрения каска, водохранилищ реки Миасс, а также дальнейшего создания геоинформационн< системы объекта исследования, каждая из подсистем рассмотрена на предм выполнения принципов комплексного подхода относительно факторов негативно воздействия водосбора на гидроэкологическое состояние водных объектов:

• принцип единства информационной базы;

• принцип совершенствования и непрерывного развития;

• принцип инвариантности;

Рис.2. Расположение условных точек наблюдения за взаимодействием звеньев каскада водохранилищ реки Миасс. Функциональное зонирование исследуемой

территории водосбора

• принцип согласованности действий;

• принцип оперативности взаимодействия.

Принцип единства информационной базы не выполняется для большинства кторов, хотя именно это условие является основным при создании инструментария следования.

Представление объекта исследования в виде экосистемы, состоящей из трех : дсистем, объединенных процессами трансформации и передачи вещества, энергии информации дает возможность комплексного изучения воздействия на экосистему. >и комплексном рассмотрении в изучение вовлекается большее число факторов здействия на каждый из элементов системы. Следствием использования мплексного рассмотрения в изучении системы (приро дно-антропогенного мплекса) «Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское дохранилище» является реализация принципа единства информационной базы, что ~ шовится необходимым условием корректности принимаемых управленческих шений. В результате также появляется возможность учесть воздействие каждой из осматриваемых подсистем на целостную систему «Аргазинское водохранилище -- ка Миасс - Шершневское водохранилище».

2 Качественный и количественный состав загрязняющих веществ, также гидроэкологическое состояние водных объектов определяют«: природохозяйственной структурой территории водосбора и служа механизмом управления его экологическим состоянием

В настоящее время в научных исследованиях и в практической деятельное! редко проводится комплексное изучение бассейнов рек совместно с их водосборнс площадью. На настоящем этапе развития наук гидрологии, геоэкологии и водно1 хозяйства как отрасли народного хозяйства редко проводятся масштабнь исследования, объектами которых были бы целые бассейны рек вместе с V. водосборной площадью. Исследования, по результатам которых могут быть принят корректные управленческие решения, как правило, являются междисциплинарным] Сбор данных о водосборной площади, как структуре, формирующей качестЕ водных ресурсов, занимает значительное время, требует анализа большого объе\ разнородных данных, для предоставления которых часто требуется санкщ руководящих субъектов, а также значительное число задействованных в обработ! специалистов. За время сбора и обработки данные могут потерять сво актуальность.

В настоящем исследовании автором предложена обобщенная методш сбора данных о состоянии водосбора рассматриваемой водной системы, основание на разделении водосбора на функциональные зоны и изучения воздействия кажде зоны водосбора на водные объекты. Подобное изучение не требует длительно! анализа данных.

Любой водосбор можно рассмотреть как совокупность территори используемых в хозяйственной деятельности. В результате ландшафт на водосбо{ либо остается непреобразованным, либо модифицируется. Каждый элеме! водосбора, формируя поверхностный и подземный сток, вносит вклад в состояш локальных водотоков. Частные водосборы формируют общий сток, а притоки ре формируют состав загрязняющих веществ основных рек. Для водохранилга участков с замедленным водообменном, состав загрязняющих веществ имеет особ< значение.

В качестве основы изучения водосбора, а в последствие, управлеш водными ресурсами, автор предлагает модель, основанную на зонирован! водосборной площади, согласно общих принципов земельного законодательства, рассмотрении вклада каждого из элементов зонирования в формирование качесп стока. Обязательным условием является также учет следующих факторов:

• удаленность каждого из рассматриваемых элементов от уреза;

• трансформация стока при движении от условного источника по водосбору;

• трансформация стока в водной среде (в притоках или в основном русле).

В качестве источника пространственных данных использова! топографическая основа, соответствующая карте открытого пользования масштаГ 1:100000 на рассматриваемую территорию. Все операции по анализу водосбора про-

дены в среде создания указанной карты - ГИС «Панорама» (настольная версия, пБезк 10).

Средствами ГИС были получены производные картографические оизведения: карты уклонов местности, матрицы высот, тематические карты льефа.

На основе производных топокарты была выделена физическая граница рритории водосбора, которая и стала границей области исследования. В ассификатор картографической информации к основным топографическим слоям бавлены тематические слои зонирования и геоэкологии. В результате на данную пографическую основу с точностью масштаба 1:100000 нанесены границы зон зличного функционального использования:

• земли городских поселений;

• земли сельских поселений;

• территории садово-дачных поселков;

• земли сельского хозяйства;

• земли лесного фонда;

• территории объектов инфрастуктуры и специального назначения;

• особо охраняемые территории.

Границы указанных территорий были уточнены по тематическим и крытым базовым картографическим материалам более высокой метрической и ставительской точности.

Пригодность полученного картографического материала с точки зрения зможности использования в качестве основы в ГИС была оценена с помощью смических снимков Ресурс-ДК и АЬОБ высокого разрешения. В результате были юизведены следующие изменения:

• корректировка границ функционального зонирования - актуализация топографической основы;

• нанесение фактических контуров объектов, которые были утрачены в процессе составления топографической карты 1:100000;

• детализация контуров и точечных вблизи населенных пунктов и промузлов.

Использование материалов ДЗЗ также позволило построить структурные [нии для объектов гидрографии и линий стока территории. Населенные пункты родского и сельского типа на основе имеющихся материалов были разделены тором на функциональные зоны более детально на основе принципов общего адостроительного зонирования с выделением территорий селитьбы, производства, креации. Жилые зоны подразделялись по этажности, производственные - по ассу вредности. Земли сельского хозяйства были подразделены на территории гращивания сельхозкультур для различных целей и объекты льскохозяйственного производства (см. рис.2).

результате указанных действий водосбор был разделен на зоны различного /нкционального использования. Деление произведено более подробно в районах .иболее интенсивного производственного освоения и жилой застройки, :азывающих наибольшее воздействие на водные объекты.

13

Все субъекты, формирующие сток на данном водосборе разделены авто, по локализации, согласно классификатора на площадные, линейные и точечные. Пр этом большинство элементов зонирования являются площадными объектам] Отдельно расположенные объекты также были подразделены по локализации к точечные, линейные и площадные. В качестве отдельного слоя были нанесен объекты, загрязняющие площадной сток водосбора.

В базе данных ГИС собрана доступная информация о воздействи территории водосбора на систему водных объектов.

Для удобства представления тематической информации о структур водопользования в исследуемом районе в геоинформационной среде составлен гра гидрографической сети объекта исследования. Семантические базы данных грас| содержат информацию о морфометрических характеристиках водных объектов, также о водопотреблении и водоотведении.

Далее исследовалось воздействие территориальной структур: народнохозяйственной деятельности на водосборе на гидроэкологическое состоят системы рассматриваемых водных объектов. Результаты представлены в вщ распределения загрязняющих веществ в водных объектах. Данные об отборах проб, также данные створных замеров представлены в ГИС в виде набора тематически карт, произведен геоинформационный анализ данных материалов с учето особенностей миграции основных элементов.

По результатам выполненного автором зонирования территории водосбор был установлен состав загрязняющих веществ в поверхностном стоке с каждог элемента зонирования. Вклад каждой из зон в общий состав стока оценен процентном отношении от общего количества загрязняющих веществ (таблица 3).

Таблица

№ Наименование зоны (согласно классификации) СПАВ Нефтепродукты Металлы Фенолы Органические, вещества Фосфор Азот

Примерное содержание, % от общего загрязнения в стоке с каждой зоны

1 Селитебная территория городских поселений 40 30 30

2 Производственная территория городских поселений 40 25 25 10

3 Садово-дачные поселки 60 40

4 Сельские населенные пункты 15 15 50 20

5 Земли сельского хозяйства 25 25 25 25

6 Земли объектов инфраструктуры, коммуникаций и сетей 25 30 25 20

Западный'

ювка

На основании геоинформационного моделирования с применением в честве информационной основы о состоянии водосбора структуры его /нкционального зонирования были получены данные о текущем д р о з к о л о г и ч е с ко м состоянии Шершневского водохранилища, подтвердившее доведенные ранее исследования (см. рис.4).

В настоящем исследовании отдельно рассматриваются урбанизированное и льскохозяйственное воздействие территорий водосбора на водные объекты. При »мощи геоинформационного моделирования была выявлена двойственность ^действия водосбора Шершневского водохранилища на его гидроэкологическое •стояние. Западная часть подвержена сельскохозяйственному воздействию, а неточная - воздействию урбанизированного типа. Данная экологическая ситуация южилась исторически, т.к. с момента создания водохранилища ситуация на щосборе практически не изменялась. Это объясняется расположением на водосборе запада территорий сельскохозяйственного использования и коллективных садов. С »сточной стороны располагаются урбанизированные территории.

Корректность полученной на основе расчетов модели гидроэкологического »стояния Шершневского водохранилища подтверждает возможность использования ункционального зонирования территории водосбора объектов каскада в качестве лформационной основы для изучения влияния водосбора на качество водных хурсов. При этом изменение как вида использования земель водосбора, так и ющадей функциональных зон территории водосбора, приведет к изменению >става поверхностного стока с данных территорий. Таким образом, эиродохозяйственная структура (структура функционального использования эдосборной площади) определяет гидроэкологическое состояние водных объектов, ее изменение (в т.ч. формирование как составляющая развития территорий) шляется механизмом управления данным воздействием.

Условные обозначения

преобладаение воздействия урбанизированных территорий

преобладание сельскохозяйственного воздействия

граница раздела воздействий

Рис.4. Гидроэкологическое состояние Шершневского водохранилища

15

3 Повышение эффективности управления каскадом малы водохранилищ с повышенной антропогенной нагрузкой обеспечиваете совместным применением градостроительного и гидроэкологическог подходов, реализованных в ГИС.

Анализ данных по составу загрязняющих веществ в стоке, выполненны" автором, показал значительную их трансформацию как на рельефе местности, так и водных объектах. Если руководствоваться территориальным принципом делени водосбора, то характер изменения состава стока зависит от порядка расположени функциональных зон на водосборе относительно уреза воды к границам водосбор по линиям стока. На основании используемой пространственной информации, также проведенного автором зонирования территории водосбора были выявлеш различные сочетания расположения функциональных зон (полигонов - площадны объектов) относительно уреза. Характер трансформации стока определяете следующими факторами:

• подстилающей поверхностью;

• коэффициентом фильтрации почвогрунтов данной зоны;

• морфологическими особенностями зоны;

• степенью антропогенной преобразованности рельефа (уровнем инженерно подготовки территории);

• вкладом данной зоны в общий состав стока.

Степень антропогенной преобразованности рельефа определена п тематическим картам заложенным в ГИС. Характер подстилающих грунтог просачиваемость и морфологические особенности частного водосбора определен! по топографическим картам. В качестве основы геоинформационног моделирования стока использована регулярная сетка. В результате картомстрически операций по созданной в среде ГИС модели местности получена следующая обща зависимость (1):

Qзaгp. = Кг, Ы) + рпрансф.рел. + /трансф.вод., (1)

где Озагр. — количественный показатель состава загрязняющего веществ в замыкающем створе; /7А7, П, Ы) — характеристика стока (П — площадь рассматриваемой зоны в границах водосбора, Кг - характер взаимного расположения функциональных зон

относительно уреза (сочетание), Ы - удаленность от уреза) /трансф.рел. — показатель трансформации стока на рельефе местности;

/трансф.вод. - показатель трансформации стока в водной сред Анализ формулы (1) показывает прямую пропорциональную зависимость:

Qзaгp. ~ П и Qзaгp. ~ Кг

В формуле (1) первое слагаемое ОУ(7<7, А'/, Ы)) представляет собо:: градостроительную составляющую исследования, т.к. учитывает обусловленны градостроительной деятельностью пространственные параметры расположена функциональных зон, второе слагаемое (/трансф.рел.)учтывает градостроительную

16

гидроэкологическую составляющие формирования стока, третья составляющая прансф.вод.) учитывает гидроэкологические особенности трансформации стока.

Количественно состав загрязняющих веществ в стоке представляет собой ожную многокомпонентную зависимость, учитывающую как пространственные рактеристики объектов, так и характеристики определенные на основе экспертных денок.

Проведение расчетов не представляется возможным без использования едете автоматизации. В настоящем исследовании расчеты проведены средствами оинформационной системы, разработанной автором с использованием ПО Ланорама». Градостроительная составляющая определена в ГИС картометрическим юсобом, а слагаемые, характеризующие трансформацию стока на водосборной ющади и в водной среде заложены в систему на основании проведенного чйонирования (рис.5)

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

КАРАБАШ

Аргазинск водохранил

□

О

у

'Л

селитебная территория городских поселений производственная территория городских поселений территории садово-дачных поселков сельские населенные пункты сельскохозяйственное производство земли сельского хозяйства

земли лесфонда, охраняемых территорий и объектов земли объектов инфраструктуры

УМ

йШ <>1

МИАСС

/ Шершневское " водохранилище

I

б

■1ЕЛЯБИНСК

----границы районов форми|

1 их номера

pмиpoвa^

I

I

_

; \

■г*

1 - район Аргазинского водохранилища

2 - участок реки Миасс от с. Байрамгулово до притока Миасс р. Караси

3 - участок от р. Караси до п. Трубный

4 - Кулуевский заказник

5 - участок от п. Кайгородово до Шершевского водохранилища

6 - Шершневское водохранилище

ас.5. Районирование водосбора р. Миасс по морфологическим показателям для тределения функции трансформации

Установленная автором зависимость (1) положена в основу имитационного моделирования, проводимого средствами геоинформационной системы. В качестве примера на рис. 6 приведено моделирование соотношения урбанизированной і: сельскохозяйственной нагрузки на Шершневское водохранилище при условии застройки территории водосбора на западном берегу, согласно реализуемог проекта.

[КЛЯЫ

горр;

Схема воздействия водосбора Изменение воздействия вследствие застройки

на Шершневское водохранилище западного берега водохранилища

Условные обозначения

щш преобладаение воздействия , преобладание сельскохозяйственного

урбанизированных территорий воздействия

__граница раздела <----і район перспективной застройки

воздействий '—- на водосборной территории

Шершнсвского водохранилища

Рис.6. Моделирование соотношения типов воздействия на Шершневского водохранилища при застройке западного берега

Структура геоинформационной системы предусматривает использование качестве методологической основы сочетание градостроительного гидроэкологического подходов. Техническая возможность обновления исходны: данных для их последующей обработки обусловливает объективность актуальность ГИС как инструментария изучения водных объектов. Информация, заложенная в тематических блоках геоинформационной системь позволяет моделировать пространственную структуру территории водосборе Воздействие определенного варианта развития территории на гидроэкологическо состояние водных объектов можно представить графически, или с использование! расчетной части блока моделирования. На основании имитационного моделирование принимается управленческое решение.

На основе рассматриваемых вариантов развития территории и характера их ^действия на водные объекты могут быть приняты управленческие решения зличного характера:

• общие;

• перспективные;

• оперативные.

Территориальный принцип реализован в ГИС таким образом, что в качестве риантов развития территории каждый раз фактически оценивается изменение юстранственной структуры территории водосбора.

Таким образом, выбор ГИС в качестве инструментария эффективного ¡учения водных объектов, а также использования его для управления как водными ¡сурсами (гидроэкологическая составляющая), так и развитием территории »досбора (градостроительная составляющая) подтверждается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное диссертационное исследование посвящено созданию гханизма управления природно-антропогенным комплексом «Аргазинское щохранилище - река Миасс — Шершневское водохранилище», и ч?учел-"-"-<э »здействия на данный комплекс объектов народнохозяйственной деятельности, эаницы района исследования определены по водосборной площади реки Миасс с ргазинским и Шершневским водохранилищами. В проведенном исследовании кхматривается воздействие хозяйственной деятельности на территории водосбора на ватории малых водохранилищ и рек.

По результатам исследования сделаны следующие выводы:

1. Применение комплексного подхода в изучении системы \ргазинское водохранилище - река Миасс — Шершневское водохранилище» ззволяет учесть большее число факторов воздействующих на гидроэкологическое »стояние нежели при рассмотрении объектов без применения указанного подхода, спользуемый подход учитывает, главным образом, воздействие элементов системы, ^положенных выше по течению на элементы, располагающиеся ниже. В данном гучае комплексное рассмотрение как метод исследования реализует бассейновый эинцип и обеспечивает корректность принимаемых управленческих решений. Для (ета всего комплекса факторов воздействия антропогенной деятельности на водные эъекты также необходимо использование комплексного рассмотрения в изучении (аимодействия «водосборная площадь — водные объекты».

2. Функциональное зонирование территории предлагается использовать в местве пространственной основы представления территории водосбора. Это связано с тем, X) структура функционального использования территории водосбора меняется, [едовательно, меняется и воздействие водосбора на водные объекты. Установлена связь ежду природохозяйственной структурой водосбора и качественным и количествен-

-ным составом загрязняющих веществ в стоке с водосбора.

3. Функциональное зонирование территории водосбора служи основой для общей оценки характера воздействия водосбора на состав загрязнени водного объекта при отсутствии возможности сбора данных о частных водосборах. 1 случае использования в качестве информационной основы функциональное зонирования водосбора с заранее определенным воздействием по каждому вид; использования земель, отпадает необходимость сбора данных о состоянии каждог элемента частных водосборов. Это приводит к сокращению времени обработки ] анализа данных. На основании функционально-территориального деления водосбор сделаны следующие выводы:

• зонирование территории водосбора выявляет исторически сложившиес особенности и противоречия установленного порядка охраны водны: объектов;

• информация по зонированию территории может быть легк актуализирована, на основании данных ДЗЗ;

• функционально-территориальный принцип сочетает гидрологическую землеустроительную и градостроительную составляющие. Их уче позволяет находить компромиссные решения в сфере управления водным: объектами, землепользования, в т.ч. и при застройке водосбора;

• законодательное и техническое регулирование развития территорий н водосборе позволит управлять гидроэкологическим состоянием малы: водохранилищ с возрастающей антропогенной нагрузкой; Практические результаты исследования заключается в следующем:

• структура функционального зонирования территории водосбора определяв степень количественного и качественного воздействия водосборно: площади на водные объекты. Количество загрязняющих вещестг поступающих с поверхностным стоком в водные объекты, пропорциональ» площади водосбора, занятой под территории разного функциональное назначения ((}загр ~ Р1). При этом единственным управляемым факторог является площадь функциональных зон;

• наибольшего внимания при определении характера воздействия водосбор на водные ресурсы требуют районы перспективного развита урбанизированных территорий; их воздействие на состояние водны: объектов, в т.ч. малых водохранилищ представляет собой сложны: многоуровневый процесс и является не до конца изученным, требуе комплексного подхода в изучении, включающего градостроительную : гидроэкологическую составляющие;

• регулирование воздействия на водные объекты может быть выполнен путем проектирования структуры водосбора (взаимного расположения зон различным использованием) на этапе территориального планирования области градостроительной деятельности.

4. Совместное применение градостроительного и гидроэкологическог подходов при анализе воздействия антропогенной деятельности на водные объекты

.«лило утверждать эффективность использования данного аппарата при оведении планирования развития территорий.

В условиях ограниченности водных ресурсов реки Миасс и организованных ней водохранилищ важную роль приобретает эффективное управление водными :урсами. Инструментарий изучения и управления воздействием реализован в виде шнформационной системы. Созданная автором ГИС на базе ПО «Панорама» жет рассматриваться не только как инструментарий изучения воздействия досбора на водные объекты, но и как механизм моделирования с целью поддержки инятия управленческих решений различного уровня. Реализованное в ГИС четание градостроительного и гидроэкологического подходов позволяет именять ее для управление экосистемой малого водохранилища.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

Бобылев, A.B. Градостроительный и гидроэкологический подходы при создании схем территориального планирования муниципальных образований / А.В.Бобылев, А.В.Малаев, Н.С.Рассказова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Строительство и архитектура. — Челябинск, 2009, —С. 15-19.

Бобылев, A.B. «Белые пятна» в экологическом мониторинге и пути их устранения с применением методов дистанционного зондирования и ГИС-технологий / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Проблемы региональной экологии. Общественно-научный журнал. — М.: Камертон, 2012. — С. 57-60.

Статьи и тезисы научных докладов на конференциях

Бобылев, A.B. Представление данных цифровых моделей рельефа в экологических геоинформационных системах / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Вестник Челябинского государственного университета. Экология. Природопользование. — Челябинск, 2010. — С. 36-40.

Бобылев, A.B. Географическая информационная система реки Миасс и Шершневского водохранилища: проблемы создания и перспективы использования / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов III Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2007», (г. Новосибирск, 2007). — Новосибирск, 2007. — Т. 1., Ч. 1., С. 259-263.

Бобылев, A.B. Географическая информационная система реки Миасс / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова //Сборник Международной научно-практической

конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов», Пермь, 2007). — Пермь, 2007. — Т. 2., С. 110-112.

6 Бобылев, A.B. Геоинформационное обеспечение управление акваторие Челябинской городской агломерации / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова Сборник материалов IV Международного научного конгресса «ГЕО-Сибир 2008», (г. Новосибирск, 2008). — Новосибирск, 2008. — Т. 1., Ч. 2., С. 18 185.

7 Бобылев, A.B. К вопросу о межмуниципальном взаимодействии территориальном устройстве при создании ГИС водных объектов А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов IV Международно1 научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», (г. Новосибирск, 2008). -Новосибирск, 2008. — Т. 1., Ч. 2., С. 245-250.

8 Бобылев, A.B. Географическая информационная система Шершневско1 водохранилища / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Материалы III науч» практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельнь: территорий», (г. Челябинск, 2008). — С. 245-250.

9 Бобылев, A.B. Картографичекое и геоинформационное обоснован! гидрологического аспекта при создании схем территориального планирован! муниципальных образований / А.В.Бобылев, И.О.Овчинников Н.С.Рассказова, О.Ю.Филиппова // Сборник материалов V Международно! научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», (г. Новосибирск, 2009). -Новосибирск, 2009, —Т. 1., Ч. 2., С. 218-222.

10 Бобылев, A.B. Гидроэкологический и градостроительный подходы пр создании схем территориального планирования муниципальных образован» с каскадом водохранилищ / А.В.Бобылев, А.В.Малаев, Н.С.Рассказова Сборник Международной научно-практической конференции «Современнь проблемы водохранилищ и их водосборов», (г. Пермь, 2009). — Пермь, 200

— Т. 2., С. 11-16.

11 Бобылев, A.B. К использованию и применению методов антропогенно нагрузки на водоем / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Материал Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы географг Урала и сопредельных территорий», (г. Челябинск, 2010). — Челябинск, 201

— С. 178-183.

12 Бобылев, A.B. Картографические произведения и геоинформационнь системы современного музейного комплекса / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова Материалы IV региональной научно-практической конференции «Природж и культурное наследие Урала». — Челябинск, 2006. — С. 26-29.

13 Бобылев, A.B. Проблемы водоохранных зон Шершневского водохранилища А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов региональной научн< практической конференции «Охрана водных объектов Челябинской облает Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства». -Челябинск, 2007. - С. 33-37.

14 Бобылев, A.B. О состоянии водоохранных зон Шершневского водохранилип /А.В.Бобылев//Материалы V региональной научно-практической конференци

«Природное и культурное наследие Урала» (г. Кыштым, 2007). — Челябинск, 2007. —С. 35-38.

Бобылев, A.B. Современные информационные технологии управления акваториями городских агломераций / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов региональной научно-практической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства». — Челябинск, 2008. -С. 81-84.

Бобылев, A.B. Информационные технологии в управлении водохозяйственной деятельностью / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов Международного форума «Изменение климата и экология промышленного города». —Челябинск, 2010. - С. 42-43.

Издательство Край РА, 454092, г.Челябинск, ул. Постышева, 2. Тел./факс 8(351) 7-000-477, E-mail: krara@mail.ru Подписано в печать 16.04.2012 г. Объем 1,0 пл. Заказ № КЗ 65. Тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Бобылев, Александр Владимирович, Челябинск

61 12-11/134

Южно-Уральский государственный университет

На правах рукописи

БОБЫЛЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

СОЗДАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКОСИСТЕМОЙ МАЛОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В УСЛОВИЯХ ВОЗРАСТАНИЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ (на примере Шершневского водохранилища, г. Челябинск)

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология (науки о Земле)

диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор географических наук, профессор

Рассказова Н.С.

Челябинск - 2012

Содержание

Перечень сокращений......................................................................4

Введение ....................................................................................5

1. Состояние изученности водохранилищ Челябинской области.......14

1.1. Состояние изученности проблем водохранилищ........................14

1.2. Общая характеристика географических условий района Шершневского водохранилища............................................23

1.3. Исходные данные. Характеристика объекта исследования............30

1.4. Определение основных гидроэкологических проблем экосистемы Шершневского водохранилища на основе БМЮТ-анализа............40

1.5. Комплексное рассмотрение водных объектов в практике гидрологических исследований.............................................50

1.6. Выводы...........................................................................57

2. Воздействие хозяйственной деятельности на территории водосбора на гидроэкологический режим реки Миасс .............................60

2.1. Структура хозяйственной деятельности на территории водосбора, ее административное регулирование ....................................62

2.2. Подготовка пространственных данных к использованию в геоинформационной среде. Зонирование территории водосбора.. ..68

2.3. Водохозяйственная схема бассейна реки Миасс на участке выше Шершневского водохранилища............................................76

2.4. Воздействие народнохозяйственной деятельности на водосборе на гидроэкологическое состояние водных объектов .....................89

2.5. Градостроительная деятельность. Территориальное планирование.95

2.6. Выводы...........................................................................97

3. Геоинформационная система управления Шершневским

водохранилищем в условиях возрастания нагрузки от городской агломерации ...................................................................99

3.1. Создание инструментария исследования - ГИС Шершневского водохранилища.................................................................100

3.2. Организация пространственных данных в ГИС Шершневского Водохранилища................................................................102

3.2.1. Представление данных о рельефе местности в ГИС Шершневского водохранилища.................................................................102

3.2.2. Представление данных ситуации в ГИС Шершневского водохранилища................................................................107

3.2.3. Тематические данные геоинформационной системы Шершневского водохранилища.................................................................108

3.3. Использование геоинформационной системы Шершневского водохранилища для анализа информации...............................109

3.4. Блок расчетов и анализа данных в ГИС Шершневского Водохранилища................................................................113

3.5. Использование системного подхода в ГИС для поддержки принятия решений..........................................................................116

3.6. Выводы..........................................................................119

Приложение А................................................................124

Приложение Б................................................................129

Приложение В................................................................130

Приложение Г................................................................134

Библиографический список................................................138

Перечень сокращений

вдхр. — водохранилище; водхоз - водное хозяйство;

ГИС - географическая информационная система; ДЗЗ - дистанционное зондирование земель; пос. - поселок;

ППР - поддержка принятия решений; с. - село; свх. - совхоз; ст. - станция;

ЦММ - цифровая модель местности; ЦМР - цифровая модель рельефа; ЦТК - цифровая топографическая карта.

Введение

Настоящее исследование посвящено основному источнику водоснабжения г. Челябинска - Шершневскому водохранилищу. Это искусственный водоем, созданный на реке Миасс (бассейн Оби) для водоснабжения Челябинского промузла. Водоем расположен на территории города Челябинска и является единственным источником всех видов водоснабжения: питьевого, производственного и хозяйственно-бытового для города Челябинска, а также населенных пунктов, входящих в состав Челябинской агломерации: городов Копейска, Коркино, Еманжелинска (рисЛ). Общая численность населения агломерации составляет 1,5 млн. человек.

Шершневское водохранилище испытывает колоссальные нагрузки, обусловленные сочетанием ряда природных и антропогенных факторов. Оно организовано на маловодной реке, является вторым в каскаде. В силу своих морфометрических характеристик и верхового расположения водозабора аккумулирует нагрузку природного и антропогенного характера. Водосбор питающей водохранилище реки Миасс является также источником поступления загрязняющих веществ в акваторию.

Актуальность исследования. В результате развития Челябинской агломерации и территорий на водосборе водохранилища отмечается растущая потребность в во до п огреб л е н и и. С другой стороны, в результате возрастания нагрузки на Шершневское водохранилище ограничивается возможность его использования в качестве постоянного источника водоснабжения. Одной из основных проблем Челябинской агломерации является дефицит водных ресурсов. Постоянно меняющееся воздействие водосбора, как собственно водохранилища, так и водосбора реки Миасс, требует выработки общих методических подходов оценки природного и антропогенного воздействия на водные объекты, рассматриваемые в системе с водосбором. Изучение состояния частных водосборов требует сбора колоссального объема данных,

*)б»ульс6>

•у ЙОМЛНМО

¡ПЛАНОВЫЙ

'ЧУРИЛО0О

Г

Ймопжой»

ГЫ ипнп

¿чая к

УУРИПС)

'МЛНЖЕЛИНСК

С> Томографическая основа. Роскартография

Рис.1. Челябинская агломерация. Схема водоснабжения городов

длительной обработки, в результате чего собранные некогда данные могут потерять свою актуальность.

Такой подход не приемлем не только для принятия оперативных решений, но и для решений управленческого характера, связанных с планированием развития территории водосбора. Ввиду отсутствия возможности объективной оценки вклада частных водосборов в общее загрязнение необходимо разработать методические подходы экспресс-оценки воздействия антропогенной деятельности на водосборе на состояние водных объектов.

К сожалению, современное водное законодательство не отражает объекты, по значимости сопоставимые с Шершневским водохранилищем, с позиции их охраны. Дальнейшее развитие территории водосбора должно производиться с учетом ее возможного воздействия на систему водных, объектов, что должно регулироваться на законодательном и техническом уровне.

Объект исследования. Объектом настоящего исследования является Шершневское водохранилище, которое будучи вторым звеном в каскаде, рассматривается в системе с Аргазинским водохранилищем и участком реки Миасс между данными водными объектами. В верхнем течении объект исследования ограничен Аргазинским водохранилищем, т.к. данный водоем аккумулирует нагрузку не только от реки Миасс, ио и загрязненный производственными сбросами сток территории города Карабаша. Воздействие реки Миасс (от истока до Аргазинского водохранилища) учитывается как один из ведущих факторов воздействия на Аргазинское водохранилище. Попуски Аргазинского водохранилища определяют уровень Шершневского водохранилища. В перспективе планируется эксплуатация канала, который соединяет Долгобродское водохранилище на реке Уфа (бассейн Камы) с Аргазинским водохранилищем. В результате именно Аргазинское водохранилище как водоем станет узловым, и его гидроэкологическое состояние будет определять состояние Шершневского водохранилища.

Воздействия водосбора Аргазинского водохранилища, реки Миасс, а в перспективе канала трансбассейновой переброски Уфа - Миасс будут учитываться в качестве отдельных факторов. В связи с этим в качестве объекта исследования выступает система водных объектов Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище (рис.2).

Рис.2. Объект исследования - система водных объектов Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище Предметом исследования выступает изучение воздействия хозяйственной деятельности на водосборе на водные объекты, с последующим прогнозированием данного воздействия с учетом его развития. Под хозяйственной деятельностью в данном исследовании понимается в первую очередь пространственная структура организации хозяйственной деятельности на территории водосбора. В основу рассмотрения данной структуры положено функциональное использование территории водосбора.

Целью исследования является создание механизма управления системой водных объектов «Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище» и их водосборов, а также оценки воздействия антропогенной

деятельности на водосборе на гидроэкологическое состояние водных объектов. Для достижения поставленной цели, было необходимо выполнить следующие задачи:

1 Разработать систему учета воздействия верховых звеньев каскада и их водосборной площади на низовое звено (Шершневское водохранилище).

2 Обосновать возможность использования системы функционального зонирования территории водосбора в качестве пространственной основы для оценки воздействия антропогенной деятельности на состояние водных ресурсов.

3 Проанализировать состояние экосистемы водных объектов, динамику воздействия водосборной площади на водные объекты и выявить возможные механизмы управления экосистемой.

4 Создать инструментарий для организации информационного пространства, мониторинга, моделирования и поддержки принятия управленческих решений на основе экспресс-оценки воздействия хозяйственной деятельности на водосборе на водные объекты. Методы исследования. Для решения поставленных задач в

исследовании использованы методы из различных научных областей. Метод 8\¥0 Г-анализа использован для выявления сильных и слабых сторон, а также возможностей использования Шершневского водохранилища в качестве источника водоснабжения. Для выявление угроз приводящих к экологическим рискам дополнительно был использован статистический метод проведения массовых опросов. В основе рассмотрения гидроэкологического состояния водных объектов лежит когпплекйныси подход. Основным инструментарием работы является разработанная автором на базе ПО Панорама геоинформационная система. В процессе подготовки данных к использованию в геои нформационной системе применен карго I раф и ч ее к и й метод, а также

совокупность методов камеральной обработки первичной пространственной и тематической информации. При обновлении тематических картографических данных был выполнен анализ территории по данным дистанционного зондирования. Аппарат анализа числовых данных основан на методах математической статистики. Аппарат созданной геоинформационной системы позволяет проводить моделирование структуры территории водосбора. Результат воздействия структуры водосборной площади на исследуемую систему водных объектов выполняется при помощи имитационного моделирования. Данный вид моделирования лежит также в основе поддержки решений, принимаемых по результатам обработки данных.

Научная новизна исследования. Шерш невское водохранилище, основной источник водоснабжения Челябинской агломерации, является малым и вторым в каскаде. В результате развития агломерации антропогенная нагрузка на водоем увеличивается. Большинство исследований проводилось и проводится па крупных водохранилищах, организованных на реках с большими расходами. Малые водохранилища, расположенные в крупных промышленных центрах, остаются до сих пор объектами малоизученными. Уникальность района Челябинской агломерации заключается в том, что крупная агломерация с развитым комплексом промышленного производства, образованная областным центром и его городам и-с пут н и ками (Копейск, Коркино, Еманжелинск) расположена на реке с малым расходом - подобная ситуация является уникальной для России. В связи с этим проблема количества и качества водных ресурсов является одной из основных для Челябинской агломерации.

Методологическая новизна заключается в том, что впервые в практике в данном исследовании использовано сочетание градостроительного и гидроэкологического подходов для оценки изменений воздействия территории водосбора на гидроэкологическое состояние водных объектов при изменении функционального назначения территорий на водосборе. Изменение функционального назначения территорий на водосборе (составляющая

градостроительной деятельности) впервые р а с с л г а т р и в а с т с я как инструмент управления экологическим состоянием водного объекта. Структура функционального зонирования территории рассматривается как основа сбора данных о состоянии водосбора.

Информационная база. В работе использованы гидрологические и гидроэкологические данные, предоставленные для исследования специалистами кафедры водоснабжения и водоотведения ЮУрГУ, ЮжноУральского филиала Нижнеобского бассейнового водного управления, уральского филиала РОСНИИВХ, ЮУНИИВХ, МУП ПОВВ г. Челябинска. В качестве картографической основы использованы картографические материалы открытого пользования, созданные при непосредственном участии автора исследования. Работа выполнена при технической поддержке специалистов ФГУП «Уралмаркшейдерия». Использованы также первичные материалы собственных наблюдений автора. Градостроительные данные также были собраны и проанализированы автором исследования. В работе, помимо специальных тематических материалов, нашли отражение различные литературные источники но экологической, краеведческой и общегеографической тематике. Технические расчеты, тематическое обновление тоноосновы, тематическое картосоставление, геоинформационное и имитационное моделирование, а также графическое представление результатов выполнены непосредственно автором.

Практическая значимость результатов заключается:

1. В обосновании необходимости совместного применения градостроительного и гидроэкологического подходов при разработке

планирования развития территорий.

2. В использовании геоинформационной системы, разработанной автором на основе ПО «Панорама», в качестве инструментария исследования для реализации совместного применения градостроительного и гидроэкологического подходов.

3. В актуализации по данным дистанционного зондирования тематического картографического материала, заложенного в базу данных ГИС; в использовании ГИС-инсгрументария как средства экспресс-оценки воздействия водосбора на водные объекты при принятии управленческих решений, как перспективного, так и оперативного характера.

4. В установлении связи между пространственной структурой хозяйственной деятельности на водосборе (основной результат) и качеством водных ресурсов в исследуемом районе.

Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на внутривузовских конференциях, на региональных конференциях: «Природное и культурное наследие Урала» (2006, 2007), «Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства» (2007, 2008, 2009, 2010)», межрегиональных конференциях «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (г. Челябинск, 2008, 2010). Автор выступил с докладами на Международных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2007, 2008, 2009» (г. Новосибирск,) и Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (г. Пермь, 2009). Технологические аспекты использования материалов дистанционного зондирования в исследовании представлялись автором на V Международной конференции «Космическая съемка — на пике высоких технологий» (компания «Совзонд», г. Москва, 201 1). Научно-исследовательская работа включена в состав региональной программы «Чистая вода» Челябинской области в 2008 году. Собранные автором материалы rio гидроэкологической тематике использованы территориальными органами структуры Росреестра (ФГУП «Уралмаркшейдерия») при создании и обновлении цифровых карт на территорию Челябинской области. Созданная автором геоинформационная система принята к использованию МУП «Производственное объединение водоснабжения и водоотведения» г. Челябинска, данная система также прошла тестирование на кафедре «Градостроительство» Южно-Уральского государственного университета, ее

каркас используется в учебном процессе в курсе «Географические и земельные информационные системы» специальности «Городской кадастр», а также в