CC BY
39
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2014, том 20, № 2 (59), с. 12-18
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 556.5 (470)
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ВОДНОСТЬ КАК ФАКТОР НАРУШЕНИЯ ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В БАССЕЙНЕ ВЕРХНЕГО ДОНА
© 2014 г. В.А. Дмитриева
Воронежский государственный университет Россия, 394068 Воронеж, ул. Хользунова, д. 40. E-mail: verba47@list.ru
Поступила 24.06.2013
В статье рассматриваются высокая и низкая водность рек, водно-эрозионные процессы в бассейне Верхнего Дона с позиции нарушения гидроэкологической безопасности. Указаны причины возникновения, характер проявления опасных гидрологических явлений и процессов, природные и социально-экономические последствия.
Ключевые слова: маловодье, высокая водность, экстремальная гидрологическая ситуация, гидроэкологическая безопасность.
Неординарные, выходящие за рамки обычности, гидрологические ситуации признаются как экстремальные гидрологические ситуации. К ним относятся, прежде всего, чрезвычайно высокая водность, приводящая к катастрофическим наводнениям, затоплениям, разрушениям, материальным и иным потерям, а также исключительно низкая водность, формирующая маловодье и создающая водный дефицит, водный голод. При интенсивном хозяйственном использовании водного объекта в годы маловодья усиливается угроза качественного истощения водных ресурсов. Следствием экстремальных гидрологических ситуаций является экономический, экологический, социальный ущерб, нарушается гидроэкологическая безопасность проживания населения и функционирование хозяйственных отраслей. Данная проблема постоянно привлекает внимание исследователей, краткий обзор широкого спектра публикаций по ней приводится в (Экстремальные ..., 2010). Экстремальные гидрологические ситуации определяются гидрологическими характеристиками редкой повторяемости (максимальные и минимальные расходы и уровни воды, скорости течения, расходы наносов, температура воды, толщина льда, индекс загрязнения воды и т.д.), формирование которых в каждом конкретном случае имеет свою специфику.
Результаты и обсуждение
На территории бассейна Верхнего Дона экстремальные гидрологические ситуации также имеют место. Они связаны в большей степени с формированием высокой и низкой водности в речных потоках. Качество воды в настоящее время не является проблемой повсеместной, а имеет локальное распространение. Значительную локальную угрозу представляет водная эрозия и связанные с ней оползневые процессы, деформация русел и берегов.
Донской бассейн в верхнем течении реки не представляет собой опасный регион по катастрофическим наводнениям, но затопления - при уровнях подъема воды в реках более чем на 2 м - возможны (Коронкевич и др., 2010). Формирование расходов воды в реках с вероятностью превышения менее 16.7%, относящихся к очень многоводным годам (Методические ..., 2009), в настоящее время происходит все реже. Фактически измеренные максимальные расходы воды весеннего половодья редкой повторяемости зарегистрированы в 1888, 1942 и 1970 гг. (рис. 1). На реке Дон у г. Лиски наибольшие расходы воды весеннего половодья в 1942 и 1970 гг. (в 1888 и последующие до 1895 г. измерения расходов воды проводились только во время весеннего половодья) превосходили среднегодовые в 67 и 48 раз соответственно.
В период после 1970 г. по настоящее время отмечается устойчивое снижение максимальных расходов воды. Аналогичная трансформация максимальных расходов воды в р. Хопёр, самом крупном притоке Верхнего Дона. Хронологический график максимальных расходов воды констатирует отрицательную динамику максимальных расходов воды весеннего половодья (рис. 2).
Объем стока половодья в бассейне Дона также неуклонно сокращается (Киреева, Фролова, 2013).
Таким образом, вследствие снижения максимальных расходов воды весеннего половодья угроза катастрофических наводнений уменьшается. Гидроэкологическая безопасность населения и жизненно важных объектов в многоводную фазу водного режима, напротив, повышается.
м3/с
Годы
Рис. 1. Максимальные расходы воды весеннего половодья р. Дон-г. Лиски за 1881-2011 гг. Fig. 1. Maximum points of water consumption in the river Don in a spring flood time - Lisky town, 1881-2011.
м3/с
Годы
Рис. 2. Максимальные расходы воды р. Хопёр-г. Поворино за 1883-2011 гг. Fig. 2. Maximum points of water consumption in the river Khoper - Povorino town,1883-2011.
Участившимися опасными явлениями, отрицательно воздействующими на хозяйственную деятельность, являются резкие и кратковременные подъемы воды на малых реках, предшествующие основной волне весеннего половодья. Нередко на малых водотоках половодье предваряется увеличением водоносности рек, причиной которых являются зимние февральские или ранневесенние мартовские оттепели. При значительном и резком притоке инсоляции на всей площади бассейна малой реки начинается единовременное снеготаяние и стремительное увеличение расходов воды в реке. При выпадении в этот период жидких осадков усиливается эффект скоротечности образования угрожающего паводка, приводящего к экстремальным последствиям. Подтверждением сказанному может служить гидрограф реки Россошь у пгт. Подгоренский в 2010 г. (рис. 3).
Средний расход воды со значением 16.4 м3/с в марте 2010 г. в ряду наблюдений оказался максимальным за период наблюдений с 1961 г. (момента открытия поста), имеет обеспеченность 1.8%, превышает средний многолетний расход за период наблюдений и 1991-2011 гг. в 6.5 и 11.3 раза соответственно. Река Россошь с площадью водосбора 454 км2 и длиной 35 км от истока до гидрологического створа представляет собой типичную малую реку. В результате повышения температуры воздуха на всей площади бассейна сформировался практически единовременный процесс таяния снега. Причиной столь бурного паводка послужил температурный скачок воздуха, который составил от 19 марта до 22 марта 16°С. Температура воздуха повысилась от -10.2°С до 5.8°С.
м3/с
16 -14 -12 10 8 6 4 2 0
I
II
2---------------------------------------------- Рис. 3.
Среднемесячные расходы воды
Л_____________________________________________ р. Россошь -
пгт. Подгоренский. Fig. 3. Average monthly points of water consumption in the river Rossosh -Podgorensky township.
ttjm
. . г^Г-ГП -Я-П ш-ГН Fm-n 17Т-П-1
III IV Q 2010 г.
V VI VII Ш 1961-2011 гг.
VIII IX X XI □ 1991-2011 гг.
XII
Гидрологическое событие не повлекло за собой катастрофических последствий только благодаря своевременному оповещению населения и хозяйствующих субъектов об изменениях в приземной атмосфере и гидросфере и принятию соответствующих мер. Именно такие паводки образовались в 2003 г. на реках Богучарка и Кантемировка в южной части Воронежской области, сопровождавшиеся разрушением дорожного полотна автомобильной дороги и мостов через названные реки.
Сложный характер весеннего половодья сложился в 2012 и 2013 гг., наиболее атипичный в Воронежской области Донского бассейна. Он связан с невысокой, ниже многолетней нормы, водностью рек. Речной сток, сформированный на собственной территории в 2012 г., был также мал, как и в предыдущем, 2011 году. Увеличение водности рек последовало только после поступления на территорию области транзитных вод из верховий Дона и его притоков, образовавших вторую волну весеннего половодья. Следствием неординарного весеннего половодья и невысокой его водности явилась нехватка вешней воды для заполнения прудов.
Зима 2012-2013 года в Воронежской области отличалась малой снежностью, что, как и в предыдущем весеннем сезоне, сулило незначительное по объему весеннее половодье местного формирования. Но в верховьях рек Дон, Воронеж, Битюг к концу зимы накопились значительные снегозапасы, способные сформировать достаточно высокое транзитное половодье на территории Воронежской области. В реальности из-за особых метеорологических и погодных условий марта, особенно его второй половины, и начала апреля, после обильных снегопадов и резкого притока инсоляции сложился атипичный режим весеннего половодья. Он характеризовался высоким и дружным подъемом воды, что на некоторых малых реках сопровождалось затоплением прибрежных территорий (в Калачеевском районе от р. Подгорная, в Семилукском от р. Девица и др.). В то же время на востоке Воронежской области весенний подъем воды в реках Хопер, Ворона и др. не достиг уровня предыдущего года. В Донском бассейне Липецкой области больших подтоплений и наводнений на реках не наблюдалось, так как снегозапасы холодного полугодия формировались на речном водосборе более равномерно во времени и пространстве.
Большую угрозу безопасности населения и нормальному функционированию объектов экономической и социальной сферы в настоящее время представляют маловодья. К маловодным относятся годы обеспеченностью 66.7% (повторяемость 1 раз в 3 года) и более, а к очень маловодным - обеспеченностью 83.3% (повторяемость 1 раз в 6 лет) и более (Методические ...,
2009). Несмотря на увеличение стока межени и выравнивание годового стока по сезонам (Дмитриева,
2010), наступление маловодного года или группы маловодных лет вполне вероятно (рис. 4, 5).
Самая низкая водность в верхней трети бассейна Верхнего Дона чаще приходится на летнюю
межень, и много реже - на зимнюю. Сокращение водоносности рек в летний период чревато особо отрицательными последствиями. Годы исторического маловодья 1972 и 1975 гг. дополнил 2010 г. Величина расхода воды в реках в этом году была выше, чем в названные годы, однако, водность в межень была очень низкой и составляла 37-59% от нормы. Нижняя граница относится к рекам юго-
востока Воронежской и Белгородской областей. Столь низкая величина стока рек объясняется тем, что реки юга и юго-востока областей имеют слабое подземное питание. Доля подземного питания в годовом объеме не превышает 23%. В жаркое лето 2010 г. из-за недостатка разгрузки подземных вод в русловую емкость реки, не имея поверхностного притока, только мелели вследствие испарения воды с зеркала речного русла. В реках, имеющих более устойчивое подземное питание (Дон, Хопёр и др.), такого снижения водности в летнюю жару не отмечалось. Более показательное представление о водности в межень дают значения минимальных расходов воды за данный период (табл.).
180 160 140 -120 -100 -80 60 40 -
20 и il il ill il ill il il il ill il ill il ill il ill il il ill il il ill il ni il il il ni il ni il ni il il ni il ni il il ni il ni il il il ni il ni il il
Годы
Рис. 4. Минимальные расходы воды летней межени р. Дон -г. Лиски за 18952011 гг. Fig. 4. Minimum points of water consumption in the river Don during summer mean water time - Lisky town, 1895-2011.
м3/с
45 40 -35 -30 -25 20 15 "t 10 -5 -0
3
as
ICI ON fi
fl fl ТГ ^ ^ ^
4
as
5
as
5 5
as
as
5
as
3
чо as
t~ ЧО as
5
t'as
as I> as
3
so as
so as
as as
5
as as
as as as
3 0 0 2
t-
0 0 2
Годы
Рис. 5. Минимальные расходы воды летней межени р. Хопёр-г. Поворино за 19312011 гг. Fig. 5. Minimum points of water consumption in the river Khoper during summer mean water time - Povorino town, 1931-2011.
0 2
В таблице для сравнения приведены расходы воды названной категории речного стока в очень засушливые 1972, 1975 и 2010 гг. В эти годы пересыхали не только малые реки, но даже колодцы. Сопоставление данных показывает, что сток межени 2010 г. на всех реках был выше, чем в аналогичный период 1972 и 1975 г. Так что в гидрологическом отношении 2010 г. был не самым неблагоприятным, но достаточно сложным, особенно на востоке Воронежской области. Обмеление рек и прудов, пересыхание колодцев было явлением повсеместным.
Маловодье отдельных лет не представляет большой угрозы, хотя при глубоком падении водоносности рек последствия могут быть самыми тяжелыми. Если маловодье длится чередой лет, то гидрологическая ситуация складывается много сложнее. Гидрологическая обстановка 2010 г. имела негативное продолжение в 2011 г. Можно констатировать, что весеннее половодье в 2011 г. фактически не состоялось. Так, осенние осадки сформировали увеличение водности в реках, но, поскольку почва к осени была исключительно сухая и влагоемкая, фильтрация воды была большой. Осадки холодного периода выпали в достаточном количестве для образования весеннего половодья большого объема, но так как они легли на талую землю, достаточно сильно обезвоженную в летнюю
м /с
жару, то половодья не произошло. Склоновый сток был ничтожно мал, и в целом поверхностный речной сток получился низким. Вся образовавшаяся вода заполнила только русловую емкость, выхода воды на пойму не было. Наблюдалось исключительно редкое событие для Верхнего Дона: зимняя межень, минуя стадию половодья, перешла в летнюю межень. В результате те пруды, которые были спущены осенью 2010 г. на территории Липецкой, Воронежской, Белгородской областей, весной 2011 г. оказались незаполненными водой или заполнены частично.
Таблица. Минимальные суточные расходы воды летней межени в годы экстремально низкой водности. Table. Average daily points of water consumption during summer mean for years of extreme shortage of water.
№ п/п Река - пост 1972 г. 1975 г. 2010 г.
Q, м3/с Дата Q, м3/с Дата Q, м3/с Дата
1 Дон - Задонск (Липецкая обл.) 38.0 15.08 43.2 22.06 74.9 19.08
2 Дон - Лиски 44.0 28.08 67.6 08-09.09 60.0 28-29.08
3 Девица - Девица 0.52 27-28.07 0.78 22.07 1.06 19.08
4 Битюг - Бобров 1.52 30.06 1.67 02.07 4.42 25-26.08
5 Чигла - Первомайский прсх. 12.7-7.08 прсх. 28.5-6.07 0.42 25.08
6 Россошь - Подгоренский 0.063 21.08 0.092 15-16.07 0.11 04-12.06
7 Подгорная - Калач 0.12 10.08 0.26 31.5 0.64 19-20.09
8 Хопёр - Поворино 6.70 15-25.09 10.6 31.08 13.7 18.08
9 Хопёр - Новохопёрск 11.2 11.09 18.7 23.09 26.0 13.09
10 Ворона - Чутановка (Тамбовская обл.) 0.94 09-15.09 1.28 22-25.07 2.04 15.09
11 Ворона - Борисоглебск 3.94 07.09 7.28 28-29.06 10.3 26-31.08
12 Тихая Сосна - г. Алексеевка (Белгородская обл.) 0.46 16.04 0.63 12.08 - -
Примечание к таблице: пункты наблюдений 2-9, 11 расположены на территории Воронежской области; - отсутствие фактических данных. Note to table: points 2-9, 11 are located in Voronezh region, - data is failure.
Произошло понижение уровня грунтовых вод. Косвенным показателем этого процесса является усыхание лиственных и хвойных деревьев летом 2011 г., уже после перезимовки и весеннего распускания листьев лишившихся достаточного водообеспечения корневой системы.
С уменьшением водности в годы маловодья за счет снижения разбавляющей и транспортирующей способности потока увеличивается концентрация загрязняющих веществ в воде и донных отложениях водных объектов, служащих приемниками сточных вод. Вследствие этого возрастает опасность дефицита воды не только по количеству, но по качественным показателям.
В современный период вода лучше и быстрее прогревается. В многолетнем разрезе этому способствует общее потепление климата. За период измерений температуры воды в стационарных гидрологических пунктах на Воронежском водохранилище у г. Воронеж и р. Воронеж у с. Чертовицкое (в истоке водохранилища) отмечается выраженная, хотя и слабая, динамика данного показателя. Максимальная температура воды в водохранилище имеет отрицательную тенденцию, а в створе на реке - положительную тенденцию. Амплитуда различий температуры для реки и водохранилища сокращается (рис. 6).
Прогревание воды в реке при снижении водности имеет свои негативные гидроэкологические последствия. Во-первых, увеличение температуры воды способствует развитию водной растительности, зарастанию русел рек, образованию застойных зон и заводей. Во-вторых, одновременный рост температуры воды и воздуха усиливает процесс испарения с акватории водного зеркала, что ведет к обмелению рек и водоемов. В-третьих, в результате активизации химических реакций при повышении температуры воды снижается ее качество по физико-химическим, микробиологическим и иным показателям. Последствием всех этих процессов является дефицит водных ресурсов, возникновение гидроэкологического риска или даже экстремальной гидрологической ситуации, в конечном итоге - снижение гидроэкологической безопасности.
К экстремальным гидроэкологическим ситуациям могут привести оползневые процессы, связанные с деятельностью вод. Критическая ситуация создается на правобережье Дона вблизи г. Павловск Воронежской области. Обрушение берегов стремительно ускоряется и подбирается к жилым постройкам. Современный геоморфологический процесс формирования вогнутого берега р. Дон особенно активен в пору весеннего половодья при неустановившемся движении высокой воды, косоструйности водного потока, сопровождается размывом коренных пород. В остальные гидрологические сезоны его интенсивность выражена слабее. Эрозионные оползневые процессы, ведущие к разрушению дорожного полотна автомобильной магистрали, наблюдаются в районе г. Острогожск Воронежской области.
Рис. 6.
Максимальная месячная
температура воды р. Воронеж -
с. Чертовицкое и вдхр. Воронежское -г. Воронеж в 19902009 гг. Fig. 6. Maximum monthly temperature of water in the river Voronezh (Chertovitskoe village) and Voronezh reservoir, 1990-2009.
Выводы
Нарушение гидроэкологической безопасности на речном водосборе Верхнего Дона связано как с наступлением маловодья, особенно чередой маловодных лет, так и зимних и весенних паводков перед прохождением основной волны половодья.
Снижение объема и максимума весеннего половодья в целом повышает гидроэкологическую безопасность, но может явиться причиной недостатка воды при заполнении и последующем использовании для различных водохозяйственных целей многочисленных искусственных водоемов в бассейне Верхнего Дона.
Увеличение осенне-зимнего стока ведет к подтоплению земель и развитию оползневых процессов, но способствует более равномерному внутригодовому распределению стока и тем самым повышению гидроэкологической безопасности.
Рост температуры воды в водных объектах стимулирует вегетацию водной растительности, ускоряет эвтрофирование мелководий и нарушает процессы самоочищения воды.
Очевидно, предотвращение или минимизация отрицательных последствий, вызываемых опасными гидрологическими явлениями, и опережение экстремальных гидрологических ситуаций могут быть достигнуты только благодаря их своевременному прогнозированию и устранению, заблаговременному оповещению населения и оперативному принятию мер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Дмитриева В.А. 2011. Внутригодовая и многолетняя динамика сезонного речного стока // Аридные экосистемы. Т. 17. № 2 (47). С. 23-32.
КирееваМ.Б., ФроловаН.Л. 2013. Современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона // Водное хозяйство. № 1. С. 60-76.
Коронкевич Н.И., Зайцева И.С., Барабанова Е.А. 2010. Экстремальные гидрологические ситуации и мероприятия по защите от них [СД-диск] // Труды XIV съезда РГО, 11-14 декабря 2010 г. Т. III. Ч. 2. С. 165-168.
t °С
—♦—река — ■-- водохранилище---линейный тренд - водохранилище -линейный тренд - река
Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений. 2009. / Под ред. А.В. Рождественского. СПб.: Нестор-История. 193 с.
Экстремальные гидрологические ситуации. 2010. / Под ред. Н.И. Коронкевича, Е.А. Барабановой, И.С. Зайцевой. М.: ООО Медиа-ПРЕСС. 464 с.
EXTREME LEVELS OF WATER CONSUMPTION AS A FACTOR OF BREACH OF HYDROECOLOGICAL SAFETY IN THE UPPER DON BASIN
© 2014. V.A. Dmitrieva
Voronezh State University Russia, 3940068 Voronezh, Kholzunova str., 40. E-mail: verba47@list.ru
The high and low levels of water consumption of rivers and water erosion processes in the Don Basin
are considered in this article from the point of view of hydroecological safety. The causes of genesis
and a character of passing of dangerous hydrological phenomena and processes are shown. Also
natural and socio-economic impacts of dangerous hydrological processes are shown.
Key words: shortage of water, high water content, extreme hydrological situation, hydroecological
safety.
